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LA VIA LACTEA: ESTUDIOS RECIENTES Y APORTES DEL PROYECTO GEM

por

Sergio Torres



(Adaptado del artículo en Innovación y Ciencia, Vol. IV, No. 5, pp. 30-37, 1995)

Nuestra Galaxia, La Vía Láctea, es el laboratorio cósmico más completo e importante del que disponemos. El conocimiento que tenemos sobre el universo, en gran parte se debe a los estudios que se han realizado sobre la Galaxia. Igualmente podemos afirmar que los grandes enigmas del cosmos podrán ser resueltos con base en observaciones de la Galaxia en que vivimos.

Solo hasta hace 100 años comenzaba a emerger la visión moderna del cosmos. Para esa época ya se habían observado supernovas, el sistema solar ya era una vecindad conocida y un concepto domesticado, el catalogo de Messier era conocido, la espectroscopia estelar de Fraunhofer comenzaba a usarse y la determinación de distancias a estrellas por el método de paralaje comienza a revelar la dimensión real del espacio-tiempo. A pesar de contar con los elementos fundamentales a partir de los cuales se construye el modelo actual del universo, todavía existían muchas dudas sobre su génesis, composición y estructura.

Hace 100 años no sabíamos qué tan grande era la Galaxia, no sabíamos si el universo se extendía más allá del espacio ocupado por ésta, ni se conocía su origen y dinámica. Hoy no existe una teoría que explique satisfactoriamente la formación de las galaxias y de la estructura del universo a gran escala. El estudio de la Galaxia, sin embargo, promete seguir siendo un campo fértil donde seguramente encontraremos muchas respuestas a esos grandes enigmas cósmicos.

DE GALILEO A HUBBLE

Mirando al cielo en una noche despejada y en lejanías de la polución de luz característica de una ciudad moderna se puede apreciar, como lo hicieron los griegos, que el cielo nocturno está atravesado por una banda clara de carácter nebuloso. De ahí el nombre La Vía Láctea, (la palabra galaxia deriva del griego y significa "círculo lácteo"). Fue Galileo en 1610 el primero en poder comprobar, gracias al telescopio, que el "círculo lácteo" está formado por una cantidad innumerable de estrellas agrupadas en cúmulos.

Con el subsecuente mejoramiento de los telescopios se lograron identificar regiones del cielo que presentaban la apariencia de nubes, pero que debido a la limitación de los instrumentos, no había sido posible distinguir la presencia de estrellas en esas regiones. A estos objetos se les llamó nebulosas espirales.

Aunque la evidencia de un universo constituido por galaxias no apareció sino hasta las observaciones de William Herschel en 1790, ya se había sugerido la posibilidad de encontrar galaxias fuera de la nuestra. Este primer modelo galáctico fue elaborado en 1755 por el filósofo Immanuel Kant, quien inspirado por un trabajo previo del inglés Thomas Wright, tuvo la osadía de proponer una visión anti-Aristotélica del mundo. Según Kant, las estrellas se agruparían en formaciones parecidas a un gran disco. El Sol, sería una más de ese gran conglomerado y nosotros por estar metidos en el disco de estrellas solo tenemos acceso a una visión de perfil, lo cual explicaría la banda o "círculo lácteo". Kant también sugirió la posibilidad de la existencia de otros mundos de estrellas más allá del nuestro y los llamó "universos isla". Incluso llegó a sugerir que las nebulosas espirales no eran otra cosa que galaxias como la nuestra a distancias muy grandes.

Una visión donde se contemplaba un universo lleno de otros mundos como el nuestro también había sido sugerida en 1584 por Giordano Bruno, pero esta propuesta herética junto con otras afirmaciones igualmente reprobables para la mentalidad inquisidora de la Iglesia (como decir que las estrellas son soles) le costaron la vida. La Iglesia condenó a Giordano Bruno y lo mandó a quemar vivo el 17 de febrero de 1600 en la plaza Campo di Fiori de Roma.

El 26 de abril de l920 ocurrió un famoso debate sobre el "tamaño del Universo" en la sede del Museo Nacional de Historia Natural en Washington, D.C. en el cual se confrontaron las hipótesis sobre la posible existencia de "universos isla". Los conferencistas fueron el doctor Harlow Shapley, en ese entonces un astrónomo del Observatorio de Mount Wilson y el doctor Heber D. Curtis, astrónomo del observatorio de Lick. Los dos investigadores habían sido reconocidos por su importante trabajo sobre la distribución de las estrellas en la La Vía Láctea, pero las conclusiones a las que llegaron fueron totalmente diferentes. Mientras que para Shapley, las nebulosas espirales eran nubes de gas interestelar en nuestra Galaxia, para Curtis eran sistemas de estrellas muy lejanos, externos a la La Vía Láctea.

El perfeccionamiento del telescopio y la construcción de espejos cada vez más grandes permitieron obtener evidencia directa sobre la naturaleza de las nebulosas espirales. A finales del siglo XIX William Herschel y William Parsons lograron resolver las imágenes de las nebulosas en estrellas similares a las de nuestra propia Galaxia. La demostración definitiva de que las nebulosas espirales son efectivamente galaxias como la nuestra, solo se pudo dar después del desarrollo de la espectroscopia a comienzos del siglo XX.

En 1914 Vesto Slipher pudo demostrar que las galaxias espirales presentan un movimiento de rotación. Este hecho se pudo determinar debido al efecto Doppler de la luz, que se manifiesta como corrimientos de las líneas del espectro por efecto de la velocidad de la fuente de radiación. Usando este mismo principio y midiendo el brillo de las estrellas en otras galaxias el astrónomo norteamericano Edwin Hubble en 1923 pudo resolver definitivamente el problema de la naturaleza de las nebulosas y demostrar que existe una cantidad innumerable de galaxias más allá de nuestra propia Galaxia.

LA VÍA LÁCTEA

Una breve contabilidad de los elementos que forman el universo revela que está hecho primordialmente de hidrógeno y helio concentrado en las nubes y estrellas que lo pueblan. Por la acción de la gravedad las estrellas se agrupan en formaciones de miles de millones de ellas, que vienen a ser las galaxias; y viendo el universo a gran escala, las galaxias serían los átomos a partir de los cuales se construye el universo.

Nuestra Galaxia, está formada por 100 mil millones de estrellas como el Sol, y tiene una forma de espiral en rotación. Vista desde fuera tendría una forma muy similar a la de nuestra vecina Andrómeda. El diámetro de la La Vía Láctea es de 90 mil años-luz (es decir la luz tomaría 90 mil años en viajar de un extremo a otro de la Galaxia a una velocidad de 300 mil kilómetros por segundo), mientras que su espesor es de solo 6500 años-luz. El Sol, es apenas una estrella más de este conglomerado relegada a una posición para nada privilegiada a una distancia de 28 mil años-luz del centro de la Galaxia. En general las estrellas en la Galaxia giran en torno al centro galáctico con una velocidad que depende de su distancia al centro. Para el caso del Sol, ésta es de 220 kilómetros por segundo. Lo cual significa que durante los 10 mil millones de años de edad de la Galaxia, el Sol, ya ha completado más de 30 vueltas alrededor del centro de la Galaxia. La rotación de la Galaxia y su forma espiral se pudo determinar observando el corrimiento por efecto Doppler en las líneas del espectro de emisión del hidrógeno neutro ("línea de longitud de onda de 21 cm"). Esta radiación característica es producida cuando el electrón en el estado base de energía del átomo de hidrógeno sufre una transición en la cual su spin cambia de alineación con respecto al spin del protón en el núcleo.

Además del disco galáctico compuesto por estrellas jóvenes y nubes de gas, existen cúmulos formados por las estrellas más viejas dispuestos en forma simétrica alrededor de la Galaxia. Algunas de las edades de estos "cúmulos globulares" pueden entrar en conflicto con la edad del universo.

Con los datos mencionados queda muy claro que no somos centro de nada. El paradigma Copernicano se vuelve a repetir una y otra vez. Cuando Copérnico nos destronó de la posición central en el cosmos colocando la Tierra en una órbita desprotegida alrededor del Sol, se le asignaron a éste atributos especiales colocándolo en el centro de nuestro sistema y así se convirtió en una estrella privilegiada, 'nuestra' estrella, el centro del universo.

Luego vino Shapley y sacó el Sol, del centro de la Galaxia, heredando ésta el rol de centro del universo. Aparecen Einstein y los cosmólogos modernos y nos dicen que la Galaxia no es centro de nada sino un punto perdido en el espacio-tiempo. Hablamos entonces de 'nuestro' universo como el único y especial. Viene entonces Stephen Hawking y nos habla de la posibilidad de universos 'baby' que saltan del vacío como pop-corn. La lección Copernicana es dura de aprender.

La Galaxia no solamente está constituida por estrellas ya que una pequeña fracción (2%) de la materia observable de la Galaxia existe en forma de polvo y nubes de gas de hidrógeno concentrado en el disco galáctico. Es importantísimo saber la cantidad de materia y su distribución en la Galaxia, ya que este factor es el que determina su dinámica, el mecanismo que le dio origen, y juega un importante papel en la formación de nuevas estrellas. La astrónoma norteamericana Vera Rubin del observatorio del Instituto Carnegie de Washington D.C., encontró que a medida que se observan estrellas de la Galaxia más alejadas del centro, sus velocidades de rotación en torno al centro de la Galaxia no varían según la forma esperada por la teoría Newtoniana de la gravedad.

Para explicar este fenómeno se hace necesario introducir un halo de materia en forma de nubes que proveen al sistema galáctico con suficiente atracción gravitacional para que las estrellas no 'salgan por la tangente' debido a su gran velocidad de rotación. No toda la masa de gas necesaria para resolver este problema dinámico de la Galaxia se ha observado directamente. Los astrofísicos se refieren a la porción de materia no observada como 'materia oscura'.

EL PROYECTO GEM

Hasta hace pocos años la mayor parte de la información sobre el universo provenía de telescopios ópticos. Sin embargo, estos instrumentos son sensibles a una pequeñísima fracción del espectro electromagnético. Así como un telescopio recoge la luz emitida por las estrellas, es posible diseñar instrumentos sensibles a señales electromagnéticas que pertenecen a otras regiones del espectro electromagnético. Así fue como Karl G. Jansky en 1931 construye el primer radio-telescopio: un instrumento sensible a las ondas de radio. Las observaciones astronómicas con radio-telescopios tienen la ventaja de poder penetrar las regiones del cielo ocultas a telescopios ópticos por el gas interestelar.

Observar la Galaxia desde la región del espectro electromagnético correspondiente a las ondas de radio tiene un gran potencial científico. Por esta razón se originó el proyecto GEM (del inglés Galactic Emision Maps) que es una colaboración internacional formada por George Smoot y Giovanni De Amici del Laboratorio Lawrence de Berkeley (Estados Unidos), Sergio Torres del Centro Internacional de Física - CIF (Colombia), Thyrso Villela del INPE (Brasil), Rafael Rebolo del Instituto Astronómico de las Canarias (España) y Marco Bersanelli del CNR (Italia).

GEM

Para la observación de la Galaxia con el proyecto GEM se usa un radio-telescopio sensible a varias frecuencias (408, 1465, 2300 y 5000 MHz). El radio-telescopio fue instalado en Colombia durante el período Enero-Junio 1995, en el área de Sutamarchan cerca de Villa de Leyva. La combinación de atributos geográficos y climáticos hace de esta región un sitio de particular interés para la radio-astronomía. La posición ecuatorial y la presencia de picos superiores a los 2000 metros permiten hacer observaciones astronómicas de los hemisferios norte y sur simultáneamente. El clima seco de la región, por lo menos durante los meses de verano, permite hacer observaciones radio-astronómicas de buena calidad debido a la estabilidad atmosférica y a la claridad de los cielos.

Con los datos obtenidos es posible estimar el campo magnético galactico y simultaneamente estudiar la distribución de rayos cósmicos en la Galaxia, lo cual es esencial para el estudio de la génesis y evolución de sistemas galácticos. Igualmente, con la combinación de los datos a las distintas frecuencias se podrá obtener el espectro de la emisión galáctica y así discriminar entre los posibles mecanismos que producen la radiación galáctica a longitudes de onda larga.

La instrumentación del proyecto GEM consiste de un radio-telescopio con una antena parabólica de 10 metros de diámetro controlada por computadores para lograr el más eficiente cubrimiento de la esfera celeste. La señal galáctica recibida por la antena es detectada y amplificada por receptores de radio de muy bajo ruido.

LAS ONDAS DE ORIGEN GALACTICO

El proceso fundamental de emisión de radio de la Galaxia se debe a los electrones libres que se mueven a muy alta velocidad en el campo magnético de la Galaxia. Cuando una partícula cargada se mueve con movimiento acelerado en un campo magnético, ésta emite ondas electromagnéticas (radiación de sincrotrón). Controlada en el laboratorio esta emisión puede tener importantes aplicaciones prácticas para la industria y la medicina, por ejemplo en el tratamiento de tumores y en pruebas de resistencia de materiales.

La radiación sincrotrón tiene la propiedad de ser emitida en forma direccional, es decir puede ser enfocada a una región específica. De ahí su potencial para aplicaciones prácticas. Otro conocido mecanismo de emisión galáctica a longitudes de onda larga es la radiación térmica característica de todo cuerpo caliente. Las nubes de hidrógeno en la Galaxia se calientan por la luz emitida por estrellas vecinas y por el estallido de algunas estrellas en su etapa final de vida (supernova). El espectro, o distribución de intensidades de la radiación para cada frecuencia, depende del mecanismo que origina la radiación. Los datos obtenidos por el proyecto GEM van a suministrar una determinación muy precisa del espectro de la radiación galáctica.


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Mapa de la emisión galáctica a 408 MHz obtenido por el proyecto GEM en Colombia. La imagen corresponde a la banda del cielo visible desde Villa de Leyva. Los colores indican la intensidad de la señal de radio.



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El mismo mapa (GEM 408 MHz) pero en coordenadas galácticas


¿EN QUE UNIVERSO VIVIMOS?

El proyecto GEM en Colombia también tiene una importante incidencia en las teorías cosmológicas. La necesidad de un modelo muy preciso de la emisión de radio de la Galaxia se hizo evidente y de carácter urgente después del descubrimiento de anisotropias en la radiación cósmica de fondo por el COBE.

Según las observaciones de la radiación cósmica de fondo, cobra validez el modelo de un universo que tuvo origen en una gran explosión, o Big Bang, hace 15 mil millones de años. Sin embargo, a pesar de que éste modelo hasta el día de hoy es el más coherente y consistente, aún existen dudas por resolver.

Una de ellas es el problema de la materia oscura. Según lo indican los cálculos teóricos, para que en el universo que observamos pudieran haberse formado las galaxias y los grandes cúmulos de galaxias en tan poco tiempo, era necesario que existiera más materia que la inferida a partir de la luz que llega a nuestros telescopios. Esta materia "adicional" que no vemos pero que proporcionaría la atracción gravitatoria suficiente para formar las meta-estructuras del universo y explicar las curvas de rotación de las galaxias es la materia oscura del universo.

Teóricamente es posible hacer pruebas de modelos cosmológicos con materia oscura a partir de los datos de la radiación cósmica de fondo. Sin embargo, en la realidad se presenta un problema práctico que ha bloqueado las observaciones. Se trata de la emisión galáctica que aparece de forma automática e inevitable en las observaciones del universo remoto. Debido a que solo podemos hacer observaciones desde nuestro planeta, la radiación emitida por la Galaxia se interpone entre el fondo que queremos medir y el observador. Con un modelo muy preciso de la emisión galáctica, tal como el que pretendemos hacer con el radio-telescopio GEM, será posible quitarles a los datos generados por experimentos de radiación cósmica de fondo aquella parte que es originada por nuestra Galaxia y así observar el cosmos en su forma original libre de la contaminación galáctica.

EXPLOSIONES GAMA

Con el desarrollo de detectores de radiación gama y la posibilidad de detectar materia oscura mediante el efecto de lente gravitacional se han abierto dos ventanas nuevas al universo. Mediante observaciones de radiación gama desde plataformas espaciales se descubrieron fuentes astronómicas que emiten una cantidad extraordinaria de energía en forma de radiación gama (las "explosiones gama"). Paralelamente a estos recientes descubrimientos, se ha podido detectar la presencia de objetos masivos en el halo de la Galaxia o MACHOS (del inglés Massive Compact Halo Objects), siguiendo las variaciones en el brillo de estrellas de fondo. Estas dos nuevas ventanas al cosmos están mostrando aspectos desconocidos de la Galaxia y en el caso de las explosiones gama se ha generado un gran debate sobre la naturaleza de estas misteriosas erupciones de energía.

La base de datos de explosiones gama crece a razón de una explosión gama por día. Los detectores del observatorio espacial Compton Gama Ray Observatory de la NASA (GRO) siguen detectando explosiones de energía que en un solo evento emiten mucha más energía que los miles de millones de estrellas en una galaxia. Las explosiones gama se manifiestan como intensos pulsos de radiación con duración desde pocos milisegundos hasta 30 segundos y sus direcciones de procedencia parecen indicar que éstos eventos se distribuyen uniformemente en el espacio.

El 22 de abril de 1995 en el mismo auditorio donde Shapley y Curtis llevaron a cabo el célebre debate, otros dos eminentes astrónomos se encontraron para confrontar las diferentes hipótesis acerca de la naturaleza de las misteriosas erupciones de rayos gama de muy alta energía. Bohdan Paczynski de la Universidad de Princeton y Donald Lamb de la Universidad de Chicago expusieron la evidencia experimental disponible acerca del lugar y la naturaleza de estos eventos. Tal como sucedió en el debate de 1920, Lamb y Paczynski llegaron a dos conclusiones totalmente diferentes: para Lamb las explosiones gama son evidencia de un fenómeno local, mientras que para Paczynski éstas tienen origen extragaláctico.

El astrofísico Tsvi Piran de la Universidad Hebrea de Jerusalén, explica las explosiones gama como el producto de un choque entre dos estrellas de neutrones en un sistema binario. La mayoría de las estrellas en el universo forman parte de sistemas binarios, es decir se encuentran en pares confinadas por la acción de la gravedad girando una en torno a la otra. Un sistema binario pierde energía lentamente debido a las ondas gravitacionales que emite y como resultado la distancia entre las dos estrellas se reduce hasta el punto de generar un colosal choque entre ellas. Las enormes cantidades de energía liberadas en estos furiosos eventos cósmicos serían las explosiones gama registradas por los detectores del GRO.

Un estudio de la distribución espacial, el brillo y el espectro de los pulsos gama da peso a la hipótesis según la cual el origen de estos eventos corresponde a distancias cosmológicas. Sin embargo, aún existen muchas dudas referentes a la fenomenología de estos eventos, tanto que Donald Lamb ha expuesto un panorama verosímil en el que las explosiones gama tienen origen en nuestra propia Galaxia. Según Lamb, las estrellas de neutrones en nuestra vecindad se convierten en potentes fuentes emisoras de rayos gama cuando una porción de materia colisiona con la estrella. Tal como sucedió en el debate de 1920 entre Shapley y Curtis, es posible que los dos bandos tengan parte de razón. La respuesta definitiva tendrá que esperar a las nuevas observaciones que hoy se planean.

 
MACHOS

Otra fuente de gran potencial para el conocimiento de la Galaxia es el reciente descubrimiento de MACHOS. Ya se mencionó sobre la necesidad de materia oscura, pero ¿cómo detectarla?. Pueden existir, por ejemplo, objetos estelares como el planeta Júpiter que no tienen la masa suficiente para que se de fusión nuclear y se conviertan en estrellas. Estos objetos al no emitir luz propia no pueden ser observados directamente pero cuando uno de ellos se interpone entre un observador en la Tierra y una estrella lejana, el brillo de la estrella en cuestión se amplifica por el efecto de lente gravitacional producido por la presencia de un objeto masivo en la trayectoria de la luz.

En los primeros meses de 1993 tres grupos de astrónomos ya habían observado la amplificación del brillo de estrellas que se esperaba de la presencia de MACHOS. Desde estas primeras observaciones se han detectado varias otras ocurrencias, confirmando así la presencia de "materia oscura". Un aspecto interesante del estudio de MACHOS es que el número de eventos parece incrementar hacia la dirección del centro de la Galaxia, indicando que ésta es del tipo espiral-barra.

El avance de la humanidad ha estado estrechamente ligado al reconocimiento y entendimiento de nuestra posición en el espacio-tiempo. Profundizar en el conocimiento del cosmos ha sido siempre una fuente de enriquecimiento para las civilizaciones y la humanidad. No obstante el incremento acelerado del conocimiento acerca del cosmos desde el trabajo de Herschel, el número de incógnitas sobre el universo es ahora muchísimo mayor que las dudas de ese entonces. La tarea que nos queda es dura, pero es fascinante comprobar que el universo es comprensible.



 
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