Cada año nacen unas pocas estrellas nuevas en la Vía Láctea, mientras que muchas más aparecen en todo el universo. Sin embargo, los astrónomos han observado que, dada la cantidad de gas interestelar disponible, las galaxias deberían producir millones de estrellas más.
Ahora, investigadores del MIT, la Universidad de Columbia y la Universidad Estatal de Michigan han elaborado una teoría que describe cómo los cúmulos de galaxias pueden regular la formación estelar. Esta semana presentan su marco teórico en la revista Nature.
Cuando el gas intracúmulo se enfría rápidamente, se condensa y luego colapsa para formar nuevas estrellas. Desde hace mucho, los científicos creen que algo debe impedir que el gas se enfríe lo suficiente para generar más estrellas, pero qué es exactamente sigue siendo un misterio.
Según los investigadores, en algunos cúmulos de galaxias el gas intracúmulo quizá esté simplemente demasiado caliente: alcanza cientos de millones de grados Celsius. Aunque una región se enfríe en cierta medida, la intensidad del calor circundante impediría que siguiera enfriándose: un efecto conocido como conducción.
«Sería como poner un cubito de hielo en una olla de agua hirviendo: la temperatura media sigue siendo prácticamente la de ebullición», afirma Michael McDonald, investigador Hubble del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. «A temperaturas extremadamente altas, la conducción uniformiza la distribución de temperaturas, así que no se forman esas nubes frías que deberían dar origen a estrellas».
En los llamados cúmulos de galaxias de «núcleo frío», el gas cercano al centro quizá esté lo bastante frío para formar algunas estrellas. Sin embargo, parte de ese gas enfriado puede precipitarse hacia un agujero negro central, que luego expulsa material caliente que vuelve a calentar el entorno e impide la formación de muchas estrellas: un efecto que el equipo denomina «retroalimentación impulsada por precipitación».
«Se formarán algunas estrellas, pero antes de que la situación se descontrole, el agujero negro volverá a calentarlo todo; es como un termostato para el cúmulo», dice McDonald. «La combinación de conducción y retroalimentación impulsada por precipitación ofrece una explicación sencilla y clara de cómo se regula la formación estelar en los cúmulos de galaxias».
Al cruzar un umbral galáctico
En todo el universo existen dos clases principales de cúmulos de galaxias: los cúmulos de núcleo frío, que se enfrían rápidamente y forman estrellas, y los cúmulos sin núcleo frío, que no han tenido tiempo suficiente para enfriarse.
El cúmulo de Coma, que no es un cúmulo de núcleo frío, está lleno de gas a unos abrasadores 100 millones de grados Celsius. Para formar estrellas, este gas tendría que enfriarse durante varios miles de millones de años. En cambio, el cercano cúmulo de Perseus es un cúmulo de núcleo frío cuyo gas intracúmulo está a una temperatura relativamente moderada, de varios millones de grados Celsius. En ocasiones surgen nuevas estrellas al enfriarse este gas en el cúmulo de Perseus, aunque no tantas como predecirían los científicos.
«La cantidad de combustible para la formación estelar supera diez veces la cantidad de estrellas, así que estos cúmulos deberían ser muy ricos en estrellas», afirma McDonald. «Hace falta algún mecanismo que impida que el gas se enfríe; de lo contrario, el universo tendría diez veces más estrellas».
McDonald y sus colegas elaboraron un marco teórico basado en dos mecanismos que impiden el enfriamiento.
El grupo calculó el comportamiento del gas intracúmulo a partir del radio, la masa, la densidad y la temperatura de un cúmulo de galaxias. Los investigadores descubrieron que existe un umbral crítico de temperatura por debajo del cual el enfriamiento del gas se acelera considerablemente, lo que hace que se enfríe con rapidez suficiente para formar estrellas.
Según la teoría del grupo, dos mecanismos distintos regulan la formación estelar, dependiendo de si un cúmulo de galaxias está por encima o por debajo del umbral de temperatura. En los cúmulos que superan ampliamente el umbral, la conducción frena la formación estelar: el gas caliente circundante vence cualquier bolsa de gas frío que pudiera formarse y mantiene todo el cúmulo a temperaturas elevadas.
«Estos cúmulos más calientes quedan atrapados en ese estado caliente y nunca se enfriarán ni formarán estrellas», afirma McDonald. «Una vez que se entra en este régimen de temperaturas muy altas, el enfriamiento es sumamente ineficiente y los cúmulos quedan atrapados allí para siempre».
Cuando el gas está a temperaturas más cercanas al umbral inferior, es mucho más fácil que se enfríe y forme estrellas. Sin embargo, en estos cúmulos empieza a actuar la retroalimentación impulsada por precipitación para regular la formación estelar: aunque el gas que se enfría puede condensarse rápidamente en nubes de gotas capaces de formar estrellas, estas gotas también pueden precipitarse hacia un agujero negro central. En ese caso, el agujero negro puede emitir chorros de material caliente de vuelta al cúmulo, calentando de nuevo el gas circundante para impedir que se formen más estrellas.
«En el cúmulo de Perseus vemos estos chorros actuar sobre el gas caliente, con todas estas burbujas, ondulaciones y ondas de choque», dice McDonald. «Ahora entendemos bien qué desencadenó esos chorros: el gas que se precipitó y cayó en el agujero negro».
En la trayectoria
McDonald y sus colegas compararon su marco teórico con observaciones de cúmulos de galaxias distantes y descubrieron que la teoría coincidía con las diferencias observadas entre los cúmulos. El equipo recopiló datos del Observatorio de rayos X Chandra y del Telescopio del Polo Sur, un observatorio en la Antártida que busca cúmulos de galaxias masivos muy lejanos.
Los investigadores compararon su marco teórico con los tiempos de enfriamiento del gas de todos los cúmulos de galaxias conocidos y descubrieron que estos se dividían en dos poblaciones: cúmulos que se enfrían muy lentamente y cúmulos que se enfrían rápidamente, a un ritmo más cercano al que el grupo predijo como umbral crítico.
McDonald afirma que, mediante el marco teórico, los investigadores podrían predecir la evolución de los cúmulos de galaxias y de las estrellas que producen.
«Hemos trazado una trayectoria que siguen los cúmulos», afirma McDonald. «Lo bueno de este marco teórico, tan sencillo, es que se permanece en uno de dos modos durante mucho tiempo, hasta que algo muy catastrófico lo saca a uno de ahí, como una colisión frontal con otro cúmulo».
Los investigadores esperan profundizar en la teoría para averiguar si los mecanismos que regulan la formación estelar en los cúmulos también se aplican a las galaxias individuales. Según él, las pruebas preliminares apuntan a que sí.
«Si podemos utilizar toda esta información para entender por qué se forman o no estrellas a nuestro alrededor, habremos dado un gran paso adelante», afirma McDonald.
«[Estos resultados] parecen muy prometedores», afirma Paul Nulsen, astrónomo del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian que no participó en esta investigación. «Se necesitará más trabajo para demostrar de manera concluyente que la precipitación es la principal fuente del gas que alimenta la retroalimentación. También es necesario comprender otros procesos del ciclo de retroalimentación. Por ejemplo, aún no hay consenso sobre cómo el gas que cae en un agujero negro masivo produce chorros energéticos ni sobre cómo estos inhiben el enfriamiento del gas restante. Esta no es la última palabra, pero sí una perspectiva importante sobre un problema que ha resultado mucho más difícil de lo que nadie había previsto».
Esta investigación recibió financiación parcial de la Fundación Nacional de Ciencias y la NASA.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autora: Jennifer Chu es colaboradora invitada de MIT News.
Imagen: El cometa ISON aparece en esta exposición de cinco minutos tomada en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA. REUTERS/Aaron Kingery.
