Cientos de miles de estrellas revelan los años jóvenes de la Vía Láctea

Realice un censo de la población de su país y podrá elaborar su pirámide de población: un gráfico que revela de inmediato cuándo se han producido potentes baby boomers. Los astrónomos ahora han hecho algo similar para las estrellas de nuestra galaxia.

Este diagrama muestra las estructuras básicas de nuestra galaxia desde una vista de canto. Crédito: Stefan Payne-Wardenaar / MPIA

Descubrieron que la tasa de formación de estrellas aumentó hace unos 11 mil millones de años. El trabajo también proporcionó una cronología detallada del crecimiento temprano y la evolución de la Vía Láctea durante sus turbulentos años de "adolescencia".

Solo mirar la mayoría de las estrellas no te dice qué edad tienen. Por eso Maosheng Xian y Hans-Walter Rix (Instituto Max Planck de Astronomía, Alemania) se centraron en las subgigantes, para las que existe una clara relación entre la luminosidad y la edad. La mayoría de las estrellas pasan brevemente por esta fase subgigante en sus últimas etapas de evolución. Si bien la mayor parte del combustible de hidrógeno en el centro de la estrella se ha convertido en helio, la fusión de hidrógeno todavía tiene lugar en una capa gruesa alrededor del núcleo. La luminosidad resultante de la estrella depende en gran medida de su masa: las subgigantes masivas brillan más que las menos masivas.

Las estrellas de baja masa pueden tardar muchos miles de millones de años antes de alcanzar la breve fase subgigante, mientras que la evolución de los pesos pesados ​​estelares avanza mucho más rápido. Como resultado, un censo de la población subgigante actual te dice su distribución por edades: los más luminosos deben ser jóvenes, mientras que los más débiles son mucho mayores.

Xian y Rix seleccionaron unas 250.000 subgigantes del archivo de datos en constante crecimiento del observatorio espacial europeo Gaia, para el cual se disponía de información detallada sobre las posiciones, distancias y movimientos de las estrellas. Las observaciones espectroscópicas existentes del Telescopio Espectroscópico de Fibra de Objetos Múltiples de Gran Área del Cielo (LAMOST) en China también proporcionaron a los investigadores la composición química de las estrellas, en particular, la abundancia de elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio (llamados metales en lenguaje astronómico).

En la edición del 23 de marzo de Nature, los dos astrónomos presentan los resultados de su análisis detallado: una línea de tiempo de los principales eventos en la historia temprana de la Vía Láctea. En particular, encontraron que la tasa de formación de estrellas alcanzó su punto máximo hace alrededor de 11 mil millones de años, casi con seguridad como resultado directo de la fusión entre nuestra galaxia en ciernes y un intruso más pequeño apodado Gaia Enceladus.

Pero hay más. Los datos también arrojan luz sobre el origen del disco grueso de la Vía Láctea, el panqueque más esponjoso de estrellas más viejas que tiene unos 100.000 años luz de diámetro y 6.000 años luz de espesor. (Las estrellas más nuevas pueblan el disco delgado, que se parece más a un crespón en forma de espiral de solo unos 1.000 años luz de espesor).

A partir de sus datos, Xian y Rix concluyen que el disco grueso ya había comenzado a formarse hace unos 13 mil millones de años, solo 800 millones de años después del Big Bang, mucho antes del origen del halo galáctico escasamente poblado. Dos mil millones de años más tarde, el gas todavía llenaba el disco grueso, y cuando la Vía Láctea se fusionó con Gaia Enceladus, poderosas ondas de choque empujaron al gas a formar muchas estrellas nuevas. La formación de estrellas en el disco grueso continuó durante otros dos mil millones de años, mientras el gas primordial seguía fluyendo hacia la galaxia en crecimiento.

La evidencia de una fusión pasada con otra galaxia se registró en las estrellas de la Vía Láctea, algunas de las cuales tienen trayectorias alargadas y retrógradas alrededor del centro galáctico. Una simulación por computadora de tal encuentro muestra cómo podría haber sido la fase inicial de esa fusión. Las flechas amarillas representan las posiciones y los movimientos de las estrellas en Gaia-Encelado cuando chocaron con la Vía Láctea hace miles de millones de años. Crédito: Impresión artística y composición: ESA; simulación: Koppelman, Villalobos y Helmi; galaxia: NASA / ESA / Hubble / CC BY-SA 3.0 IGO

Curiosamente, las estrellas que nacieron en estas primeras etapas de la evolución de la Vía Láctea muestran una distribución simple e inesperada de la abundancia de elementos pesados. Dado que las explosiones de supernova expulsan elementos pesados ​​al medio interestelar (ISM), las estrellas más jóvenes tienen una metalicidad más alta que las más viejas. Pero para las estrellas de la misma edad, la metalicidad resulta ser independiente de su distancia al centro galáctico, un resultado sorprendente, ya que es de esperar que los elementos pesados ​​se "hundan" lentamente hacia el núcleo de la Vía Láctea. "[Esto] implica que el ISM debe haber permanecido mezclado espacialmente durante todo este período", escriben los investigadores. Un comunicado de prensa adjunto describe esto como un "resultado clave" del nuevo trabajo.

Otra transición importante tuvo lugar hace unos 8.000 millones de años. Algo parece haber agotado el gas en el disco grueso y, como resultado, la formación estelar se detuvo. Sin embargo, el nacimiento de estrellas continuó en el disco delgado, que alberga la mayoría de los brazos espirales actuales, las nubes moleculares y las regiones de formación de estrellas en la Vía Láctea. Xian y Rix pudieron distinguir entre las poblaciones de disco grueso y disco delgado al analizar las órbitas y la composición de las estrellas.

“Es un resultado muy bueno”, dice Amina Helmi (Universidad de Groningen, Países Bajos), cuyo equipo en 2018 identificó los restos estelares de Gaia Enceladus, también en los datos de Gaia. “Al observar a los subgigantes, [Xian y Rix] brindan una perspectiva completamente nueva” sobre el evento de fusión.

Según Helmi, las futuras publicaciones de datos de Gaia, que probablemente estarán operativas hasta principios de 2025, pueden eventualmente permitir a los astrónomos reconstruir completamente la historia temprana de la Vía Láctea, desde sus orígenes caóticos y su juventud turbulenta hasta su mediana edad tranquila actual. “Eso sería genial”, dice, “y es lo que espero”.

• Publicado en Sky&Telescope el 23 de marzo del 2022, enlace publicación.