Sorpresa: la composición de gases y metales en la Vía Láctea no es la esperada

Las nubes y corrientes de gas prístino cósmico (magenta) se acumulan en la Vía Láctea, pero este gas no se mezcla de manera eficiente en el disco galáctico, como se destaca en la vecindad solar (zoom). Crédito: © Dr. Mark A. Garlick

Los astrónomos de la UNIGE han observado la composición de los gases en nuestra galaxia y han demostrado que, contrariamente a los modelos establecidos hasta ahora, no se mezclan homogéneamente.

Para comprender mejor la historia y evolución de la Vía Láctea, los astrónomos están estudiando la composición de los gases y metales que constituyen una parte importante de nuestra galaxia. Se destacan tres elementos principales: el gas inicial proveniente del exterior de nuestra galaxia, el gas entre las estrellas dentro de nuestra galaxia – enriquecido con elementos químicos – y el polvo creado por la condensación de los metales presentes en este gas. Hasta ahora, los modelos teóricos asumían que estos tres elementos se mezclaban homogéneamente a lo largo de la Vía Láctea y alcanzaban un nivel de enriquecimiento químico similar al de la atmósfera del Sol, llamado metalicidad solar.

Hoy, un equipo de astrónomos de la Universidad de Ginebra (UNIGE) demuestra que estos gases no se mezclan tanto como se pensaba, lo que tiene un fuerte impacto en la comprensión actual de la evolución de las galaxias. Como resultado, habrá que modificar las simulaciones de la evolución de la Vía Láctea. Estos resultados se pueden leer en la revista Nature .

Las galaxias están formadas por una colección de estrellas y están formadas por la condensación del gas del medio intergaláctico compuesto principalmente por hidrógeno y un poco de helio. Este gas no contiene metales a diferencia del gas de las galaxias; en astronomía, todos los elementos químicos más pesados que el helio se denominan colectivamente «metales», aunque son átomos en forma gaseosa.

“Las galaxias son alimentadas por gas ‘virgen’ que cae desde el exterior, lo que las rejuvenece y permite que se formen nuevas estrellas”, explica Annalisa De Cia, profesora del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y primera autora del estudio. Al mismo tiempo, las estrellas queman el hidrógeno que las constituye a lo largo de su vida y forman otros elementos a través de la nucleosíntesis.

Cuando una estrella que ha llegado al final de su vida explota, expulsa los metales que ha producido, como hierro, zinc, carbono y silicio, introduciendo estos elementos en el gas de la galaxia. Estos átomos pueden luego condensarse en polvo, especialmente en las partes más frías y densas de la galaxia.

“Inicialmente, cuando se formó la Vía Láctea, hace más de 10 mil millones de años, no tenía metales. Luego, las estrellas enriquecieron gradualmente el ambiente con los metales que producían ”, continúa el investigador. Cuando la cantidad de metales en este gas alcanza el nivel que está presente en el Sol, los astrónomos hablan de metalicidad solar.

Un entorno no tan homogéneo

El entorno que compone la Vía Láctea reúne así los metales producidos por las estrellas, las partículas de polvo que se han formado a partir de estos metales, pero también los gases del exterior de la galaxia que entran regularmente en ella.

“Hasta ahora, los modelos teóricos consideraban que estos tres elementos se mezclaban de manera homogénea y alcanzaban la composición solar en todas partes de nuestra galaxia, con un ligero aumento de la metalicidad en el centro, donde las estrellas son más numerosas”, explica Patrick Petitjean, investigador de la Institut d’Astrophysique de Paris, Universidad de la Sorbona. «Queríamos observar esto en detalle utilizando un espectrógrafo ultravioleta en el Telescopio Espacial Hubble».

La espectroscopia permite separar la luz de las estrellas en sus colores o frecuencias individuales, un poco como un prisma o un arco iris. En esta luz descompuesta, los astrónomos están particularmente interesados en las líneas de absorción: “Cuando observamos una estrella, los metales que forman el gas entre la estrella y nosotros absorben una parte muy pequeña de la luz de una manera característica, a una frecuencia específica, lo que nos permite no solo identificar su presencia, sino también decir qué metal es y qué tan abundante ”, continúa.

Un nuevo método desarrollado para observar la metalicidad total

Durante 25 horas, el equipo de científicos observó la atmósfera de 25 estrellas utilizando el Hubble y el Very Large Telescope (VLT) en Chile. ¿El problema? El polvo no se puede contar con estos espectrógrafos, aunque contiene metales. Por ello, el equipo de Annalisa De Cia ha desarrollado una nueva técnica de observación. “Implica tener en cuenta la composición total del gas y el polvo observando simultáneamente varios elementos como hierro, zinc, titanio, silicio y oxígeno”, explica el investigador ginebrino. «Entonces podemos rastrear la cantidad de metales presentes en el polvo y agregarla a la ya cuantificada por las observaciones anteriores para obtener el total».

Gracias a esta técnica de observación dual, los astrónomos han descubierto que no solo el entorno de la Vía Láctea no es homogéneo, sino que algunas de las áreas estudiadas alcanzan solo el 10% de la metalicidad solar. “Este descubrimiento juega un papel clave en el diseño de modelos teóricos sobre la formación y evolución de las galaxias”, dice Jens-Kristian Krogager, investigador del Departamento de Astronomía de la UNIGE. «A partir de ahora, tendremos que refinar las simulaciones aumentando la resolución, de modo que podamos incluir estos cambios en la metalicidad en diferentes lugares de la Vía Láctea».

Estos resultados tienen un fuerte impacto en nuestra comprensión de la evolución de las galaxias y de la nuestra en particular. De hecho, los metales juegan un papel fundamental en la formación de estrellas, polvo cósmico, moléculas y planetas. Y ahora sabemos que hoy en día se podrían formar nuevas estrellas y planetas a partir de gases con composiciones muy diferentes.

Referencia: “Grandes variaciones de metalicidad en el medio interestelar galáctico” 8 de septiembre de 2021, Nature .

DOI: 10.1038 / s41586-021-03780-0