Las paradojas de los brazos espirales

Stephen Hawking fue mi compañero de estudios de Física en la Universidad de Oxford. No hace falta destacar sus contribuciones a la cosmología y a la popularización de la ciencia, pero quiero recordar sobre todo su gran sentido de humor que (junto con su pasión por el Universo) le mantuvo vivo durante tantos años a pesar de su temible enfermedad.

Las galaxias son estructuras inmensas. Nuestra galaxia la Vía Láctea, una galaxia espiral típica, se compone de unos doscientos mil millones de estrellas más un 10% de hidrógeno y polvo interestelar, rodeado (en toda probabilidad) de un halo esferoidal de materia invisible (la materia oscura) con cinco veces más masa que la parte visible. Si pudiéramos verla desde fuera se parecería a un enorme huevo frito, con un centro en la forma de un bulbo (“la yema”) y el disco fino (“la clara”) extendiéndose en un plano fuera del bulbo. Gira en un eje perpendicular al disco que pasa por el centro del bulbo. Además tiene una barra que forma parte del disco, que se extiende desde el centro hasta un radio algo menor que el radio de la órbita del Sol. El diámetro del disco visible es del orden de cien mil años luz y nosotros, el Sistema Solar, giramos en una órbita alrededor del eje con una velocidad circular de unos 220 km/s y tardamos doscientos millones de años en dar una vuelta completa. Cuesta pensar que una estructura tan grande y tan compleja pueda vibrar como un instrumento musical, pero investigaciones recientes de mi grupo en el Instituto de Astrofísica de Canarias han mostrado que las galaxias con discos suelen hacerlo. Es una prueba más de la belleza del Universo físico.

¿Cómo hemos descubierto este fenómeno? La historia empieza con los brazos espirales que, con sus brillantes estrellas azules, son un rasgo hermoso de las galaxias con discos. Al medir la velocidad de circulación de las estrellas en estas galaxias, los astrónomos se dieron cuenta de que estos brazos no deben existir. Las velocidades en las órbitas circulares alrededor del eje muestran un patrón bastante similar en la mayoría de las galaxias espirales. Al proceder desde el eje central, la velocidad circular crece rápidamente al principio, pero este crecimiento se reduce con radios mayores, llegando a una velocidad circular casi uniforme en la parte exterior del disco. Es muy fácil inferir que un brazo espiral en este campo de velocidad debe “rebobinarse”, y desaparecer como brazo, en una o dos revoluciones de la galaxia. Pero la mayoría de las galaxias han completado como mínimo diez revoluciones desde su formación, hace entre cinco y diez mil millones de años. Con lo cual la mayoría de las espirales no deberían mostrar brazos; sin embargo, la gran mayoría los muestran. Es lo que se llama la paradoja de rebobinar.

Y hay otra paradoja: las estrellas azules cuya luz domina los brazos espirales son muy brillantes; en consecuencia, queman su combustible interno (el hidrógeno) muy rápidamente. Tienen vidas muy cortas en términos astronómicos, de entre un millón y unos diez millones de años. Pero, como hemos dicho antes, las galaxias tienen vidas de miles de millones de años, lo que aparentemente hace imposible mantener las estrellas azules siempre en los brazos, tal y como las observamos.

La respuesta a la paradoja de rebobinar fue intuida hace casi noventa años por el gran astrofísico sueco Bertil Lindblad. Él tuvo la idea de las ondas de densidad espirales para explicar la presencia de los brazos. En un disco de estrellas que gira en el espacio se pueden generar ondas que tienen una forma espiral. Es análogo a las ondas en la cuerda de un violín, que vibran causando la nota que se oye, o las ondas en la piel de un tambor que producen su nota. Las ondas en los instrumentos son vibraciones que no implican movimiento en una dirección sino oscilaciones de la materia. Las ondas de densidad en el disco de una galaxia no son estáticas como en los instrumentos, sino que giran en un patrón espiral. Al pasar la onda se produce una concentración de estrellas en la forma de una espiral y esta concentración nos parece un brazo. Pero, al seguir girando, la densidad se reduce en esa zona y aumenta en la zona siguiente. El efecto es que el brazo aparece en la nueva zona. Los brazos no son objetos permanentes, sino efectos de la compresión de la onda. Dado que la onda puede persistir durante largos periodos, vemos los brazos durante largos periodos también. El patrón más normal es de dos brazos de compresión en una galaxia, de forma simétrica, aunque puede haber casos con más brazos. Un detalle significativo es que se puede mostrar que la presencia de una barra estelar en el disco estimula las ondas de densidad y así, efectivamente, puede causar la presencia de brazos espirales.

La teoría de Lindblad era muy bonita, pero no podía explicar la presencia constante en los brazos de las estrellas brillantes y azules con sus vidas cortas. Esto tuvo que esperar al descubrimiento de las nubes de hidrógeno interestelar por los radioastrónomos treinta años después de la propuesta original de Lindblad. La teoría de las ondas de densidad pudo entonces ampliarse para resolver la segunda paradoja. La parte más densa de la onda espiral no solamente comprime la población de estrellas, sino que comprime además el hidrógeno interestelar, dando lugar a nuevas estrellas. Entre ellas, las estrellas masivas azules y brillantes que pueblan los brazos espirales. Este proceso produce formación estelar continua, así que los brazos siempre contienen nuevas estrellas azules. Pero, aunque la teoría de ondas de densidad ofrece una explicación buena para los brazos, no había prueba definitiva de su bondad hasta hace muy poco, cuando los astrofísicos de mi grupo lo encontraron con una novedosa metodología que les contaré próximamente en esta Gaveta de Astrofísica.