Modelos de formación de galaxias: evolución, dinámica y materia en el universo. Aprende cómo se forman y desarrollan las galaxias a lo largo del tiempo.
Modelos de Formación de Galaxias
La formación y evolución de las galaxias es uno de los temas más fascinantes de la cosmología. Las galaxias, que son sistemas gigantescos compuestos de estrellas, gas, polvo y materia oscura, se formaron y evolucionaron desde las irregularidades en el universo temprano. En esta primera parte, exploraremos las bases de los modelos de formación de galaxias, las teorías más aceptadas y algunas de las fórmulas matemáticas utilizadas en estos estudios.
Evolución del Universo y Formación de Galaxias
La mayoría de los modelos sobre la formación de galaxias se basan en la teoría del Big Bang, que plantea que el universo inició hace aproximadamente 13.8 mil millones de años a partir de una singularidad caliente y densa que se ha estado expandiendo desde entonces. Después del Big Bang, el universo estaba compuesto principalmente de hidrógeno y helio, con pequeñas irregularidades en la densidad. Estas irregularidades son cruciales, pues con el tiempo se convirtieron en las semillas de las estructuras grandes, incluyendo las galaxias.
Teoría del Colapso Gravitacional
Una de las primeras teorías para explicar la formación de galaxias es la teoría del colapso gravitacional. Según este modelo, las pequeñas fluctuaciones de densidad en el universo temprano crecieron con el tiempo debido a la atracción gravitacional. A medida que estas regiones más densas acumulaban más materia, eventualmente colapsaban y formaban proto-galaxias.
La ecuación fundamental que describe esta evolución es la ecuación de Poisson en cosmología, que se puede expresar como:
\[ \nabla^2 \Phi = 4 \pi G \rho \]
aquí, \( \Phi \) es el potencial gravitacional, \( G \) es la constante gravitacional y \( \rho \) es la densidad de materia.
Modelo Jerárquico de Formación de Estructuras
El modelo jerárquico sugiere que las pequeñas estructuras se formaron primero y, con el tiempo, se agruparon para formar estructuras más grandes como galaxias y cúmulos de galaxias. Este modelo es compatible con las observaciones que muestran una gran cantidad de galaxias enanas, que posteriormente se fusionan para formar galaxias más masivas.
Dinámica de las Galaxias
La dinámica de las galaxias se refiere al estudio del movimiento de las estrellas y el gas dentro de una galaxia. Un aspecto importante es cómo la materia oscura influye en estos movimientos. La materia oscura es una forma de materia que no emite ni absorbe luz, pero tiene efectos gravitacionales importantes.
- Curva de Rotación Galáctica: La curva de rotación de una galaxia muestra cómo varía la velocidad de rotación de las estrellas y el gas en función de la distancia al centro galáctico. En muchas galaxias, la velocidad de rotación se mantiene casi constante o incluso aumenta con la distancia, lo que sugiere la presencia de una cantidad considerable de materia oscura.
- Ecuación de Jeans: Esta ecuación describe cómo la velocidad de dispersión estelar en una galaxia se relaciona con su densidad y el potencial gravitacional. Para una componente estelar en equilibrio, puede expresarse como:
\[
\frac{\partial}{\partial t} (\rho \mathbf{v}) + \nabla \cdot (\rho \mathbf{v} \mathbf{v}) = – \nabla P – \rho \nabla \Phi
\]
donde \( \rho \) es la densidad estelar, \( \mathbf{v} \) es la velocidad media estelar, \( P \) es la presión y \( \Phi \) es el potencial gravitacional.
La comprensión de la dinámica de las galaxias es crucial para desentrañar la cantidad y distribución de la materia oscura. La dinámica observada no puede explicarse únicamente por la materia visible. Este hecho llevó a la introducción del concepto de materia oscura, que forma una proporción significativa de la masa total en el universo.
Materia y Evolución Galáctica
En la evolución de las galaxias, se consideran dos tipos principales de materia: la materia bariónica (normal) y la materia oscura. La materia bariónica incluye las estrellas, el gas y el polvo que componen las partes visibles de una galaxia. La materia oscura, sin embargo, no puede ser observada directamente pero se infiere por su influencia gravitacional en las galaxias y otras estructuras cósmicas.
El estudio de la evolución galáctica también implica entender el ciclo de vida de las estrellas. Las galaxias son fábricas de estrellas, donde el gas se colapsa bajo su propia gravedad para formar nuevas estrellas. Este proceso está gobernado por la ecuación de estado del gas y las ecuaciones hidrodinámicas.
Uno de los parámetros clave en la evolución estelar es la tasa de formación estelar (SFR, por sus siglas en inglés). La SFR describe la masa de nuevas estrellas formadas por unidad de tiempo. Un modelo sencillo para la tasa de formación estelar es proporcional a la cantidad de gas disponible para formar estrellas y se puede expresar como:
\[ \text{SFR} = \epsilon \frac{M_{gas}}{\tau_{dyn}} \]
donde \( \epsilon \) es una eficiencia de formación estelar, \( M_{gas} \) es la masa de gas disponible y \( \tau_{dyn} \) es el tiempo dinámico característico para el colapso del gas.
Con el tiempo, las estrellas evolucionan y mueren en explosiones de supernovas, devolviendo material enriquecido con elementos pesados al medio interestelar, lo que puede desencadenar nuevas generaciones de formación estelar y afectar la dinámica y evolución de la galaxia.