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9/18/2011
Origen y Evolución del Universo
(Parte I)
Curso “Introducción a las Ciencias de
la Tierra y el Espacio II”
Introducción a CTE II (2011), Depto. de
Astronomía, IFFC, UDELAR.
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The Hubble Deep Field. Esta
Introducción a CTE II (2011), Depto. de
Astronomía, IFFC, UDELAR.
imagen del Hubble Space Telescope
(HST) muestra miles de galaxias, de
formas y tamaños variados. Salvo
dos
estrellas
de
campo,
prácticamente todos los objetos
visibles en la imagen son galaxias.
Las más distantes se aprecian como
objetos muy tenues, alcanzando las
más débiles la magnitud 30 (unas 4
mil millones de veces más débiles
que las estrellas visibles a simple
vista). Contiene objetos que se
encuentran entre los más lejanos
alguna vez observados (tal vez
galaxias en formación), por lo que la
imagen podría representar como
luciría el Universo a menos de mil
millones de años tras el Big Bang.
Para obtener esta imagen de campo
profundo, se apuntó el telescopio a
una región del cielo de alta latitud
galáctica (en la Osa Mayor), y se
combinaron unas 100 h de
exposición con cámara CCD a lo
largo de 10 días de observación.
De acuerdo a esta imagen, existirían
en el Universo algunas decenas de
miles de millones de galaxias.
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Temario
• Propiedades básicas de los principales tipos de
galaxias, de acuerdo a la clasificación de
Hubble.
• Distribución a gran escala de las galaxias:
cúmulos y supercúmulos de galaxias.
Introducción a CTE II (2011), Depto. de
Astronomía, IFFC, UDELAR.
• Las galaxias son grandes
conglomerados,
gravitacionalmente ligados, de
estrellas, gas, polvo y materia
oscura.
• Conocemos millones de
galaxias; muchas menores que
la Vía Láctea, algunas
comparables, y unas pocas
mucho mayores.
• La luz que estamos
recibiendo de las galaxias más
distantes fue emitida antes
que la Tierra existiera.
• Las galaxias están separadas
unas de otras por grandes
distancias.
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Galaxias
(a) El cúmulo Coma. Cada galaxia de este cúmulo de galaxias contiene unos cientos de miles de millones
de estrellas . El cúmulo se encuentra a unos 100 Mpc, y contiene varias centenas de galaxias (con la
excepción del objeto azulado en el ángulo superior derecho, cualquier otro objeto visible en la imagen es
una galaxia). (b) Imagen del HST de una parte del cúmulo.
(Figura 24.1, Astronomy Today).
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Clasificación de galaxias
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•
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•
Vistas a través de telescopio, las galaxias presentan imágenes no
estelares, con bordes difusos, y a menudo con formas elongadas.
Charles Messier publica en 1784 un catálogo de 103 objetos de
apariencia nebular (que luego sería ampliado a 2500 objetos gracias a
William y Caroline Herschel).
Aún tomando en cuenta sus distintas orientaciones en el espacio, las
galaxias no muestran todas la misma apariencia: algunas de estas
“nebulosas” se mostraban difusas y amorfas, mientras la mayoría se
mostraban con formas redondeadas o elípticas, o con forma de
torbellinos en espiral.
Immanuel Kant las llama “Universos isla”.
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Clasificación de galaxias
•
•
•
En el S. XX la tecnología demuestra que Kant había acertado acerca de la
naturaleza de estos objetos, y que nuestra Vía Láctea es una más de esos
universos isla que teorizó Kant, los cuales fueron renombrados como
“galaxias”.
Edwin Hubble apunta el flamante telescopio de 100 pulgadas de Mount
Wilson hacia la nebulosa de Andrómeda, distinguiendo estrellas. Algunas
de las estrellas descubiertas resultaron ser Cefeidas por lo cual pudo
estimar sus distancias. Descubrió que la llamada nebulosa de Andrómeda
se encuentra a una distancia de unos 2 millones de años-luz, lo que
sobrepasaba por lejos el tamaño estimado por Shapley para la Vía Láctea
(unos 300 mil años-luz).
Hubble elaboró un catálogo de galaxias basado en su apariencia,
clasificándolas en cuatro tipos básicos: espirales, espirales barradas,
elípticas e irregulares.
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Ejemplo de galaxia espiral: La Vía Láctea
Las galaxias espirales se
caracterizan por poseer un
delgado disco galáctico con
brazos espirales, un bulbo
central y un halo extendido.
La Figura muestra la
distribución espacial de
losdistintos componentes
de nuestra galaxia. El Sol se
ubica a unos 8 kpc del
centro galáctico.
Concepción artística de la Vía Láctea vista casi “de
canto”(Fig. 23.10, Astronomy Today)
En la vecindad del Sol el
disco tendría unos 300 pc
de espesor (~ 1000 añosluz, equivalente a 1 % del
diámetro del disco).
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Ejemplo de galaxia espiral: La Vía Láctea
Concepción artística de la Vía Láctea vista casi “de
canto”(Fig. 23.10, Astronomy Today)
• Las estrellas jóvenes y el gas
interestelar se encuentran
más confinados al plano del
disco galáctico que las
estrellas de tipo solar.
• A su vez las estrellas de tipo
solar están más sujetas al
disco galáctico que las enanas
de tipos K y M (más viejas).
• Esto se debería a que las
estrellas se forman en nubes
interestelares próximas al
plano del disco y luego
tienden a migrar fuera del
disco a medida que
interactúan con otras estrellas
y nubes moleculares.
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Ejemplo de galaxia espiral: La Vía Láctea
Concepción artística de la Vía Láctea vista casi “de
canto”(Fig. 23.10, Astronomy Today)
• En el halo galáctico abundan
las estrellas rojas más viejas y
los cúmulos globulares, los
cuales se extienden bastante
más lejos por debajo y por
encima del plano galáctico (el
halo sería un remanente de
una fase más temprana en la
evolución de la galaxia).
• Al igual que el halo, el bulbo
contiene gran cantidad de
estrellas rojas viejas y cúmulos
globulares.
• Los discos galácticos son
ricos en gas (observado por la
emisión en 21 cm del H
neutro) y en polvo (absorbe
en el óptico).
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Ejemplo de galaxia espiral: La Vía Láctea
Concepción artística de la Vía Láctea vista casi “de
canto”(Fig. 23.10, Astronomy Today)
• Las estrellas se forman dentro
de los brazos espirales donde el
medio interestelar es más denso.
• Los brazos espirales contienen
numerosas nebulosas de emisión
y estrellas O y B recientemente
formadas.
• La mayor parte de la luz de las
galaxias espirales proviene de las
estrellas de tipos A a G presentes
en el disco, confiriéndoles a las
espirales un resplandor
blanquecino.
• Los brazos espirales aparecen
azulados debido a la presencia de
estrellas brillantes azules de tipos
O y B.
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Galaxias espirales
• Las espirales (S) se
denotan mediante Sa, Sb o
Sc según el tamaño del
bulbo.
• El tamaño del bulbo se
correlaciona bien con la
compacticidad de la
estructura espiral: las
galaxias tipo Sa tiene
grandes bulbos centrales y
brazos casi circulares y
estrechamente enrollados,
mientras las galaxias tipo Sc
presentan bulbos más
pequeños y una estructura
espiral más probremente
definida, con brazos más
“grumosos”.
Variaciones de forma entre las galaxias espirales: yendo
desde el tipo Sa hacia el Sc, el bulbo se va volviendo
menor mientras los brazos espirales tienden a abrirse más
(Fig. 24.2, Astronomy Today).
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Galaxias espirales
M101: The Pinwheel Galaxy
Credit & Copyright: Jean-Charles Cuillandre (CFHT),
Hawaiian Starlight, CFHT (Astronomy Picture of the
Day). Esta galaxia masiva se encuentra a unos 22
millones de años-luz. Presenta varias regiones
brillantes de formación estelar en sus brazos
espirales.
• Las galaxias tipo Sa
contienen las
mayores cantidades
de gas y polvo, y las
tipo Sa, las menores.
• Las espirales no son
necesariamente
galaxias jóvenes;
simplemente
contienen todavía
suficiente gas como
para que la
formación estelar
continue.
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Galaxias espirales
La galaxia Andrómeda (M31). Es el objeto
más distante visible a simple vista. Esta
inmensa galaxia espiral, con un tamaño de
más de 200 mil años-luz, aparece a simple
vista como una pequeña nube difusa y débil
en la constelación de Andrómeda (Astronomy
Picture of the Day).
La galaxia “El Sombrero” (M104). Un
núcleo brillante y blanco es rodeado
por espesas bandas oscuras de polvo y
gas interestelar. La galaxia se extiende
por unos 50 mil años-luz y dista unos
28 millones de años-luz de la Tierra.
(Astronomy Picture of the Day).
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Galaxias espirales
• La mayoría de las galaxias están inclinadas respecto a nuestra
visual, haciendo difícil discernir su estructura espiral.
• Pero basta con observar la presencia de un disco con polvo,
gas y estrellas recién nacidas para clasificarla como espiral.
• Por ejemplo, la galaxia “del Sombrero” muestra una clara
banda de polvo oscura a lo largo de su plano medio. Por tanto
es espiral.
• Además, es de tipo Sa debido a su gran bulbo.
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Galaxias espirales barradas
• Constituyen una variación de la categoría espirales, y se caracterizan por
presentar una “barra” elongada de material estelar e interestelar a través
de su centro, extendiéndose más allá del bulbo, dentro del disco.
• Se designan por SB y se subdividen igual que las espirales normales en los
tipos Sba, SBb y SBc.
• La Vía Láctea sería de tipo SBb o SBc.
La variación en la forma desde el tipo SBa hasta el SBc es similar al de las espirales
normales, excepto que ahora los brazos espirales comienzan en los extremos de una
barra que pasa a través del centro galáctico (Fig. 24.4, Astronomy Today).
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Galaxias elípticas
• A diferencia de las espirales, no poseen brazos espirales, y en la mayoría de los casos,
tampoco presentan un disco galáctico. En general presentan poca estructura interna.
• Al igual que en las espirales, la densidad estelar aumenta pronunciadamente en el
núcleo central.
• Presentan un rango amplio de tamaños: las elípticas gigantes pueden abarcar algunos
Mpc y contener hasta cientos de miles de billones de estrellas. En el otro extremo, las
elípticas enanas pueden ser tan pequeñas como 1 kpc en diámetro y contener unos
pocos millones de estrellas.
Derecha: NGC 4881 es
una galaxia elíptica
gigante en el borde del
cúmulo de galaxias
Coma. Izquierda: M87 es
una gran galaxia elíptica
que se ubica cerca del
centro del cúmulo de
galaxias Virgo. (Astronomy
Picture of the Day).
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Galaxias elípticas
• Las enanas constituyen la forma más común de
galaxias elípticas (superan en 10:1 a las más grandes).
• Sin embargo, la mayor parte de la masa de las elípticas
está contenida en los objetos mayores.
• También se diferencian de las espirales en que carecen
de gas y polvo. En la mayoría de los casos tampoco hay
evidencia de estrellas jóvenes o de formación estelar.
• Todo o casi todo del gas interestelar se habría
condensado en estrellas (o perdido) gran tiempo atrás,
antes de que un disco tuviera chance de formarse.
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Galaxias elípticas
• Algunas elípticas gigantes constituyen excepciones a lo
anterior, pues contienen discos de gas y polvo donde se están
formando estrellas. Entre otras hipótesis, se especula con que
estas galaxias podrían haberse originado a partir de la colisión
entre una galaxia elíptica normal y una espiral que terminaron
fusionándose.
• Las elípticas pueden considerarse como “puro halo”, pues, al
igual que el halo de nuestra galaxia, están conformadas
mayoritariamente por estrellas poco masivas, viejas y rojizas.
• Las órbitas de las estrellas se encuentran desordenadas, con
las estrellas moviéndose en cualquier dirección, al contrario
de las trayectorias regulares en el disco de nuestra galaxia. Las
órbitas de las estrellas determinan la forma de las galaxias.
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Galaxias elípticas
La forma de las elípticas
(E) varía desde muy
elongadas hasta casi
esféricas en apariencia:
se subdividen en los
tipos E0 (menos
elípticas) a E7 (más
elípticas).
Figura: Variaciones de forma entre las galaxias elípticas. (a) La galaxia M49 es de tipo
E1, mostrando una apariencia casi circular. (b) M84 es una galaxia elíptica ligeramente
más elongada, y se clasifica como E3. Ambas galaxias carecen de estructura espiral, y
ninguna muestra evidencia de materia interestelar (Fig. 24.5, Astronomy Today).
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Galaxias S0 y SB0
• Entre los tipos E7 y Sa se encuentran galaxias sin gas ni brazos espirales pero con
un disco fino y un bulbo achatado. Tales objetos se conocen como galaxias S0 y
SB0 (normales y barradas, respect.).
• Observaciones recientes han mostrado muchas galaxias elípticas con discos
débiles. Algunos especulan con que las galaxias E y S0 formarían una secuencia
continua, aunque aún no estáclaro el origen de los discos en las S0.
Ejemplos de una galaxia de tipo S0 (a) y de tipo SB0 (b) (Fig. 24.6, Astronomy Today).
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Galaxias irregulares
• Por su apariencia visual no encajan en ninguna de las categorías anteriores.
• Tienden a ser ricas en materia interestelar y en estrellas jóvenes azules, pero carecen de
estructura regular.
• Se dividen en dos subclases: Irr I e Irr II. Las Irr I asemejan a una espiral “distorsionada”,
mientras las Irr II tienen una “apariencia” explosiva, filamentosa. Estas últimas podrían ser el
resultado de un encuentro cercano o de una colisión entre dos sistemas normales, más que
el resultado de algún evento violento.
Algunas galaxias de tipo Irr II. (a) Las galaxias NGC 4485 y NGC 4490 podrían estar próximas la
una a la otra e interactuar gravitacionalmente. (b) La galaxia M82 muestra una apariencia
explosiva, aunque no se sabe a ciencia cierta. (c) Muchas galaxias irregulares son pequeñas y
tenues, pero NGC 4449 es comparable a la Vía Láctea tanto en tamaño como en luminosidad
(Fig. 24.7, Astronomy Today).
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Galaxias irregulares
Las Nubes de Magallanes se destacan en el cielo del Hemisferio Sur. Son galaxias enanas
irregulares de tipo Irr I, ligadas gravitacionalmente a la Vía Láctea, ubicadas a unos 50 kpc del
centro de nuestra galaxia. (a) Imagen donde se aprecian ambas galaxias. Tanto la Pequeña (b)
como la Gran Nube (c) de Magallanes tienen una forma distorsionada, irregular. Algunos
astrónomos creen ver en ellas un cierto patrón espiral distorsionado. La Gran Nube (LMC)
contiene unas 6 mil millones de masas solares y abarca unos pocos kpc. Ambas contienen
grandes cantidades de gas, polvo y estrellas azules, así como también estrellas viejas y cúmulos
globulares, por lo cual se supone que la formación estelar ha estado presente desde hace
mucho tiempo. (Fig. 24.8, Astronomy Today).
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Galaxias irregulares
• Las galaxias irregulares tienden a ser más pequeñas
que las espirales pero algo más grandes que las
elípticas enanas.
• Típicamente contienen entre cien y diez mil millones
de estrellas.
• Como ocurre con las elípticas, las enanas irregulares
son las más comunes.
• Enanas elípticas e irregulares se observan en
aproximadamente igual número y juntas constituyen la
gran mayoría de las galaxias existentes en el universo.
• A menudo se encuentran las galaxias enanas como
cercanas a una galaxia mayor.
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Clasificación de Hubble
El clásico diagrama de Hubble en forma de “tenedor” que muestra su
clasificación de galaxias en cuatro tipos básicos: elípticas, espirales,
espirales barradas, e irregulares. Es sugestiva la ubicación de los distintos
tipos de galaxias en el diagrama, que pareciera indicar una secuencia
evolutiva. Sin embargo, actualmente se cree que no existe ningún tipo de
conexión evolutiva entre un tipo de galaxia y otro. Los intentos en explicar
las propiedades observadas de las galaxias normales en términos
evolutivos no han tenido éxito hasta el momento. (Fig. 24.9, Astronomy
Today).
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Cuadro resumen:
Propiedades básicas de los tipos de galaxias
Espirales/Espirales
barradas (S,SB)
Elípticas (E)
Irregulares (Irr)
1) Forma y
propiedades
estructurales
Disco muy achatado
de estrellas y gas, con
brazos espirales y
ensanchamiento hacia
un bulbo central. Las
galaxias Sa y SBa
tienen los bulbos más
grandes y la estructura
espiral menos
definida. Las SB tienen
una barra central y
elongada formada por
estrellas y gas.
Sin disco. Estrellas
distribuidas en un
volumen elipsoidal
cuya forma varía
desde casi esférico
(E0) hasta muy
achatados (E7). No
presentan estructura
interna, salvo por un
núcleo central denso.
No presentan
estructura. Las Irr II
presentan a menudo
una apariencia
“explosiva”.
2) Contenido estelar
Los discos contienen
estrellas tanto jóvenes
como nuevas. Los
halos contienen
solamente estrellas
viejas.
Solamente estrellas
viejas.
Estrellas jóvenes y
viejas.
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Cuadro resumen:
Propiedades básicas de los tipos de galaxias
Espirales/Espirales
barradas (S,SB)
Elípticas (E)
Irregulares (Irr)
3) Gas y Polvo
Los discos contienen
cantidades
substanciales de gas y
polvo. Los halos
contienen poco de
ambos.
Contienen poco o
nada de gas y polvo.
Muy abundantes en
gas y polvo.
4) Formación estelar
En curso en los brazos
espirales.
Sin actividad
significativa en los
últimos 10 mil
millones de años.
Gran actividad.
5) Dinámica estelar
En el disco el gas y las
estrellas se mueven en
órbitas circulares en
torno al centro
galáctico. En el halo las
estrellas se mueven
aleatoriamente en
todas direcciones.
Las estrellas se
mueven
aleatoriamente en
todas direcciones.
Estrellas y gas tienen
órbitas muy
irregulares.
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Cúmulos y Supercúmulos de galaxias
El diagrama muestra la ubicación de los principales objetos astronómicos a
menos de 1 Mpc de la Vía Láctea. Se ven las tres galaxias satélites de la Vía
Láctea (incluyendo la SMC y la LMC). A unos 900 kpc aparecen la galaxia de
Andrómeda (M31), y dos de sus satélites (la espiral M33 y la elíptica enana
M32). Forman parte del Grupo Local (que comprende unas 20 a 40 galaxias). El
Grupo Local contiene a unas tres espirales (Vía Láctea, M31 y M33), siendo el
resto galaxias elípticas enanas o irregulares. Por lejos Andrómeda y la Vía Láctea
son los mayores miembros del grupo. La gravedad conjunta mantiene unidas a
las galaxias del grupo, al igual que las estrellas en un cúmulo estelar (Fig. 24.13,
Astronomy Today).
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Cúmulos y Supercúmulos de galaxias
Más allá del Grupo Local, la próxima gran concentración de galaxias la conforma el
Cúmulo de Virgo. Se encuentra a unos 18 Mpc de la Vía Láctea. Contiene unas
2500 galaxias, c/u con unos cien mil millones de estrellas. Tiene una extensión de
unos 3 Mpc. La galaxia cerca del centro es una gigante elíptica (M86). El cúmulo
contiene varias espirales y elípticas grandes (Fig. 24.15, Astronomy Today).
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Cúmulos y Supercúmulos de galaxias
Se conocen muchos cúmulos de
galaxias, de formas y tamaños
variados. Los cúmulos grandes
como el de Virgo contienen
varios miles de galaxias
distribuidas bastante
uniformente en el espacio. Los
cúmulos pequeños como el
Grupo Local contienen
solamente unas pocas unidades
o decenas de galaxias y son
bastantes irregulares en forma.
Existe una pequeña fracción de
galaxias solitarias que no
pertenecen a ningún cúmulo.
El cúmulo de galaxias Abell 1185 abarca
aproximadamente 1 millón de años-luz y se
encuentra a unos 20 millones de años-luz de la
Tierra. El cúmulo contiene centenares de galaxias,
la mayoría de las cuales son espirales (Astronomy
Today).
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Cúmulos y Supercúmulos de galaxias
Se cree que los cúmulos de galaxias
forman a su vez “cúmulos de
cúmulos”, o sea supercúmulos de
galaxias. La figura muestra el
Supercúmulo Local, el cual contiene
al Grupo Local y al Cúmulo de Virgo.
Cada punto representa una galaxia.
El diagrama está centrado en la Vía
Láctea. La Vía Láctea se ubicaría a
unos 18 MPc del centro del
Supercúmulo Local.
(Fig. 24.17, Astronomy Today).
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• ¿Existe estructura a mayores escalas?
• Respuesta: Si (lo estudiaremos en la próxima clase).
Próxima clase:
• Técnicas de medición de distancias en Astrofísica.
• La ley de Hubble y su aplicación para calcular las
distancias a los objetos más remotos del universo
observable.
• La estructura a gran escala del universo.
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