¿Qué es una galaxia?

26 de abril de 1920. En el auditorio principal del Museo de Historia Natural en Washington D.C. Heber Curtis y Harlow Shapley están a punto de dictar sendas charlas sobre "La escala del Universo", en lo que a la postre será conocido como el Gran Debate. Sobre la mesa realmente está la naturaleza de las llamadas "nebulosas espirales" que se venían observando desde hacía siglos. Mientras el primero postula que estas nebulosas son distantes galaxias como la nuestra, el segundo argumenta que no pueden ser sino agrupaciones locales de gas y estrellas pertenecientes a nuestra Vía Láctea.

Apenas una década más tarde los trabajos de Lemaître y Hubble, entre otros, habían resuelto la polémica. Hoy sabemos que el Universo tiene dimensiones difícilmente compresibles por la mente humana y que se encuentra poblado de billones de galaxias como nuestra Vía Láctea, cada una compuesta por decenas de miles de millones de estrellas. En cuanto a las agrupaciones de gas y estrellas a las que se refería Shapley, también conocidas como cúmulos estelares, su abundancia es aún mayor, ya que cada galaxia contiene centenares o millares de estos sistemas. Inevitablemente, sus mastodónticas dimensiones empequeñecen en comparación con las de las galaxias que los albergan: tan "solo" miles o decenas de miles de soles distribuidos en "apenas" una decena de años luz; es decir, miles de veces más pequeños que una típica galaxia.

Curiosamente, casi un siglo después un debate de similar naturaleza recorre la comunidad astronómica. La razón no es otra que el descubrimiento en las últimas décadas de decenas de objetos que orbitan la Vía Láctea y desafían las definiciones tradicionales de galaxia y cúmulo estelar. Con luminosidades equivalentes a las de entre 200 y 50 000 soles, las denominadas galaxias ultradébiles tienen brillos que son más característicos de cúmulos estelares. De hecho, las famosísimas estrellas supergigantes Betelgeuse y Antares ¡emiten más luz por sí mismas que la totalidad de las estrellas de estas galaxias!

¿Cómo distinguimos entonces galaxias de cúmulos estelares? He aquí una receta.

El tamaño. El diagnóstico más obvio es la dimensión de estos sistemas, pues los cúmulos estelares tienden a ser de diez a cien veces más compactos que las galaxias de similar luminosidad. Al tener el mismo número de estrellas distribuidas en una extensión significativamente mayor, estas galaxias ultradébiles son también extremadamente difusas en comparación con los cúmulos. Aun así, la frontera que separa las dos familias de objetos no siempre está bien definida y conocemos multitud de galaxias sorprendentemente compactas y cúmulos estelares particularmente extensos que dificultan su clasificación.

La velocidad. Quizás la medida más poderosa sea la de los movimientos de las estrellas en estos sistemas. Es bien conocido que las estrellas y el gas en galaxias luminosas como la Vía Láctea orbitan a velocidades mayores que lo predicho por la dinámica newtoniana dada la cantidad de materia que se observa. La explicación más popular para este comportamiento es que las galaxias habitan halos gigantescos de materia oscura (llamada así porque no emite radiación electromagnética alguna), siendo esta la componente de masa mayoritaria. Alternativamente, hay una corriente que postula que la materia oscura no existe y las altas velocidades estelares se deben a limitaciones de las leyes de Newton a escalas galácticas. Sea como fuere, las observaciones muestran inequívocamente que las estrellas de las galaxias ultradébiles se mueven sustancialmente más rápido que las de los cúmulos estelares. La masa que se infiere de los movimientos estelares en las galaxias más pequeñas es entre 1000 y 10 000 veces superior a la que corresponde a las estrellas. ¡Las galaxias ultradébiles serían los objetos más dominados por materia oscura de todo el Universo! Pero estas velocidades excesivas podrían en ocasiones tener otra explicación. Tanto los cúmulos estelares como las galaxias ultradébiles se encuentran en la vecindad de la Vía Láctea y en su órbita alrededor de nuestra galaxia se ven afectadas por enormes fuerzas gravitatorias que pueden distorsionar los movimientos de sus estrellas. Bajo estas condiciones, un cúmulo estelar perturbado gravitatoriamente podría fácilmente pasar por una falsa galaxia.

La composición. El último criterio atiende a la composición química de las estrellas, y es por tanto esencialmente insensible a los efectos de cualquier interacción gravitatoria. Aunque solo una minoría de los átomos que componen una estrella son de elementos más complejos que el hidrógeno o el helio, estos dejan una huella inconfundible en la luz que emiten. El origen de la estrella, su “ADN cósmico”, por tanto, se codifica en su composición química. A grandes rasgos, todas las estrellas de un cúmulo estelar son esencialmente “gemelas químicas”, ya que han heredado la composición de su nube de gas primigenia. Por el contrario, las galaxias, incluso las más pequeñas, se han formado a través de múltiples brotes de formación estelar, cada uno dando lugar a una generación de estrellas única en su composición. De esta manera, las galaxias ultradébiles exhiben una complejidad química desconocida en los cúmulos.

Retomando la pregunta que da título a este texto, ¿qué es, entonces, una galaxia? Podríamos decir que una galaxia es un grupo de estrellas ligadas gravitatoriamente cuyas propiedades no pueden explicarse por la presencia de materia "normal" y las leyes de la gravitación de Newton. Pero, ¿por qué habría de importarnos si tal o cual objeto es galaxia o cúmulo estelar? ¿No responde esta ansia diferenciadora tan solo a la necesidad imperiosa del ser humano de categorizar? Nada más lejos de la realidad. En primer lugar, distinguir entre galaxia ultradébil y cúmulo estelar nos informa sobre el proceso de formación de estructuras en las escalas cósmicas más pequeñas, donde sabemos que la eficiencia con la que el gas se transforma en estrellas es extremadamente baja. Aún más, los modelos cosmológicos en los que la materia oscura está presente predicen que el número de galaxias de muy baja masa debería ser muchísimo más elevado que lo observado. ¿Puede el descubrimiento de estas galaxias ultradébiles ayudarnos a conciliar el censo galáctico? Finalmente, de acuerdo, maldita sea, ¡pongamos un poco de orden en el Cosmos, no?