VISION NOCTURNA DEL PLANO DE LA GALAXIA En una noche clara se puede ver una banda luminosa (‘lechosa’, de ahí el nombre de Vía Láctea) atravesando el cielo. Galileo fue el primero en reconocer que está constituida por gran cantidad de estrellas de la que el Sol forma parte. Las manchas oscuras que la surcan revelan la existencia de materia interestelar interpuesta que produce extinción. Nuestra visión del plano de la Galaxia desde el Sol se produce desde el interior del disco, que aparece visto de canto. Las estrellas se concentran aparentemente en un disco. Si el Sol forma parte de un disco de unos cien mil millones de estrellas, ¿cuál es la posición que ocupa el Sol en el disco de la Galaxia? Los primeros cuenteos o estadísticas de la distribución de las estrellas en torno al Sol hicieron pensar equivocadamente que el Sol estaba en el centro de la Galaxia, dado que las estrellas del disco se distribuían aparentemente en su entorno de forma uniforme. La extinción interestelar de la luz de las estrellas más lejanas distorsiona las verdaderas dimensiones del disco de la Galaxia

LAS DIMENSIONES DE LA GALAXIA DETERMINACION DE LAS DIMENSIONES DE LA GALAXIA Para calcular las dimensiones de la Galaxia había que utilizar estrellas que no estuvieran en el disco, y por tanto no sufrieran de extinción: los candidatos ideales eran los cúmulos globulares, que forman parte del halo (componente esferoidal extendida) y no del disco! Para definir la distribución 3-D de los cúmulos globulares, había que calcular primero cuál era la distancia de éstos al Sol. Para ello se usaron las estrellas variables RR-Lyrae, que se encuentran típicamente en los cúmulos globulares galácticos. ¿Cómo se definió la escala de distancias en la Galaxia?: Las estrellas RR-Lyrae son estrellas variables, es decir su luminosidad intrínseca (L) varía de forma periódica. El Periodo (P) sólo varía en función de L!. Por tanto si se miden los periodos P de las estrellas RR-Lyrae podemos deducir L (o equivalentemente la magnitud absoluta (M )). Observacionalmente conocemos la magnitud aparente (m) de las estrellas y por tanto puedo calcular a partir de M y m, a qué distancia se encuentran las estrellas y por lo tanto los cúmulos! .

LAS DIMENSIONES DE LA GALAXIA DITSRIBUCIÓN DE LOS CUMULOS GLOBULARES El estudio de la distribución de los cúmulos globulares de la Galaxia, permitió demostrar que éstos no se encuentran distribuidos uniformemente en torno al Sol!: Estos forman un sistema esferoidal centrado en un punto del cielo que está en la dirección de la constelación de Sagitario. Esa dirección es la del centro de la Galaxia: los cúmulos globulares se distribuyen uniformente en torno al centro de la Galaxia !. Nosotros (el Sol) nos encontramos a unos 8 kpc del centro de la Galaxia. DITSRIBUCIÓN DE LOS CUMULOS GLOBULARES EN LA GALAXIA

LOS COMPONENTES DE LA GALAXIA I. DISCO: Diámetro: 50 kpc. Anchura:0.6kpc. El sol se encuentra en su interior a 8kpc de distancia del centro. Está formado por estrellas ricas en metales de Población I, gas y polvo. Su luz (azulada) está dominada por la radiación de estrellas masivas OB. Las órbitas de las estrellas del disco son cuasi-circulares. II. BULBO: Sistema esferoidal centrado en el núcleo de 2kpc de diámetro. Esta formado por estrellas jóvenes (Población I) y viejas (Población II). III. HALO: Sistema esferoidal de diámetro mayor de 50 kpc. Está formado por estrellas viejas pobres en metales de Población II, de dos tipos: 1/agrupadas en cúmulos globulares. 2/aisladas, llamadas estrellas de alta velocidad

LA GALAXIA VISTA A DIFERENTES LONGITUDES DE ONDA Mapa de la Galaxia vista por el satélite COBE en el infrarrojo cercano (1-3 micras) A esta longitud de onda la extinción es despreciable y podemos trazar la distribución de las estrellas del disco y del bulbo (así como algunos cúmulos globulares del halo) Mapa de la Galaxia en el infrarrojo lejano (240 micras) A esta longitud de onda vemos la emisión térmica del polvo interestelar, concentrado sobre todo en el disco de la Galaxia.

LA GALAXIA VISTA A DIFERENTES LONGITUDES DE ONDA LA DISTRIBUCION DEL GAS MOLECULAR EN LA GALAXIA Superposición de la distribución de gas molecular, trazada por la emisión de la molécula CO (en contornos de color) sobre una imagen óptica de nuestra Galaxia. El gas molecular se encuentra concentrado en el disco, junto alas estrellas jóvenes de la población I. A diferencia del halo, donde la formación estelar se detuvo hace mucho tiempo, en el disco se siguen formando estrellas a partir del material molecular restante, como lo demuestra la presencia de estrellas OB.

LA VIA LACTEA COMO GALAXIA ESPIRAL La estructura espiral de La Ga-laxia, deducida a partir de la observación de la línea de emisión del Hidrógeno atómico a 21cm (nubes HI). Nuestra Galaxia es una galaxia espiral ! La línea de 21cm de HI permitió deducir: 1/La curva de rotación del disco de la Galaxia: el disco de la Galaxia está girando . La ley de giro ó ley de rotación del disco que se deduce es diferencial, es decir que la velocidad lineal de giro observada (v_rot) es aproximadamente constante para un amplio rango de radios (r=distancia de un punto del disco al centro), es decir v_rot=cte en función de r. 2/La estructura espiral dela Galaxia: La distribución de las nubes de hidrógeno neutro no es uniforme en el disco: el gas HI se encuentra concentrado en arcos espirales. La Vía Láctea es una espiral de cuatro brazos con algunos segmentos intermedios. El sol se encuentra en una zona intermedia ó brazo secundario (‘Local Arm’).

LA CINEMATICA DEL DISCO: LA LEY DE ROTACION La ley de rotación del disco de la Galaxia indica que la mayor parte de la masa está en forma de materia oscura, es decir, materia no visible. Mas allá del radio del Sol, la velocidad de rotación no decae sino que se mantiene constante. (contrariamente a lo observado en las órbitas keplerianas que siguen los planetas del sistema Solar). La masa contenida en un esferoide de radio R, M(R),se puede aproximar a M(R)=R x v_rot2 / G. Si v_rot=cte en la Galaxia, ello implica que M(R) debe crecer linealmente con el radio R, contrariamente a la luminosidad del disco que decae de forma exponencial. La ley de rotación diferencial del disco de la Galaxia implica que la velocidad angular de rotación Omega=v_rot / R decrecerá como 1 / R, es decir que a mayor radio R, la materia gira angularmente más despacio (recorre igual distancia pues v_rot=cte, pero al ser mayor el radio, el ángulo recorrido es menor). Como consecuencia, cualquier estructura material de dimensión radial no nula acabará disolviéndose (enrollándose sobre sí misma). El periodo de giro, T=2*pi/Omega, aumentará con el radio, con lo que el tiempo dinámico característico del disco, regido por T, aumentará en la misma medida.

LA ESTRUCTURA ESPIRAL Debido a que la ley de rotación del disco de la Galaxia es diferencial (vrot es aproximadamente constante en un amplio rango de radios), la estructura espiral que se observa en hidrógeno neutro (HI) así como en la distribución del gas molecular, no se puede explicar como una estructura material, entendida como formada siempre por las mismas nubes de gas. Si así fuera, la ley de rotación haría desaparecer en poco tiempo (del orden de un par de rotaciones del disco) la estructura espiral. Los brazos acabarían enrollándose sobre sí mismos y la espiral desaparecería. Este es el llamado problema de la disolución (‘ Winding’ ) de la estructura espiral. Nuestra Galaxia no es la única que muestra estructura espiral (de hecho la mayor parte de las Galaxias del Universo son espirales!). Por tanto, debe existir un mecanismo diferente al anterior, que justifique la estabilidad de la estructura espiral en el Universo. La estructura espiral en las galaxias suele ir asociada a la presencia de barras o estructuras alargadas simétricas, así como con la presencia de anillos ó condensaciones de materia cuasi-circulares que se encuentran en diferentes posiciones del disco.

LA ESTRUCTURA ESPIRAL Disolución de la estructura espiral creada por brazos materiales

LA ESTRUCTURA ESPIRAL: LAS ONDAS DE DENSIDAD La solución al problema de la estabilidad de la estructura espiral vino dada por la Teoría de las Ondas de Densidad que fue ideada en los años 60. Esta teoría desarrolla un modelo de ondas de densidad espirales. La estructura espiral sería una onda que se propagaría como una perturbación en el disco de estrellas a una velocidad angular fija (llamada velocidad del Patrón de Ondas). Por lo tanto aunque la materia gire con la ley de rotación diferencial observada, la onda se desplaza en el disco sin deformación. El análogo inmediato viene dado por las olas del mar que viajan a una velocidad diferente a la del agua que sustenta la perturbación. Un mecanismo similar explica la forma-ción de atascos de tráfico: la velocidad de avance del nudo del atasco es diferente a las de los coches que lo sufren. La estructura espiral resulta básicamente de un efecto colectivo de alineamiento de las órbitas cerradas de las estrellas en el referencial que gira con la onda. El alineamiento eficaz de las órbitas cerradas explica la preeminencia en el Universo de estructuras espirales de dos brazos, así como la formación de ondas barradas, también muy frecuentes.

LA ESTRUCTURA ESPIRAL: LAS ONDAS DE DENSIDAD La Galaxia espiral M100 Las ondas de densidad están sustentadas por la población vieja del disco y como perturbación suponen una pequeña desviación del potencial gravitatorio axisimétrico que caracteriza a éste (del orden de un 10-30% sólo). La espectacularidad de la estructura espiral que se manifiesta en las fotos ópticas de las galaxias de este tipo radica en el efecto violento que las ondas, creadas por la población vieja, tienen en el gas que las atraviesa y en la formación de estrellas masivas al paso de las ondas en el disco. Las ondas comprimen el gas y producen formación de estrellas masivas a gran escala. Se entiende así que el gas molecular y el gas atómico se concentren en los brazos espirales. Como la vida de las estrellas OB es breve (mucho menor que el periodo típico de rotación del disco!), las estrellas OB aparecen concentradas también en los brazos espirales. Del mismo modo las regiones HII extragalácticas creadas por dichas asociaciones trazan la estructura espiral de los discos. Las estrellas menos masivas y por tanto más durables tienen tiempo de salir de los pozos de potencial espirales y se pueden encontrar en las zonas inter-brazo Andrómeda: M31

EL CENTRO DE LA GALAXIA ¿Qué hay en el centro de la Galaxia? Las observaciones que permiten estudiar la emisión procedente del centro de la Galaxia son emisiones radio o infrarrojas (Far-IR o Near-IR), libres de problemas de extinción por el polvo. El estudio de alta resolución de la emisión radio (cm) del centro de la Galaxia distingue una fuente muy intensa situada en el centro dinámico de La Galaxia conocida como Sagitario A* . El mapa que se muestra corresponde a emisión sin-crotrón del plasma ionizado, acelerado a velocidades relativistas en presencia de campos magnéticos. La presencia de campos magnéticos explica la existencia de filamentos muy confinados de gas que salen de Sagitario A*. Vista con mayor resolución espacial la emisión sincrotrón en el centro de la Galaxia forma una estructura mini-espiral de tres brazos que está asociada a un anillo de gas molecular de unos 2pc de radio. ¿Qué es Sagitario A*? No es ni una supernova ni un pulsar. Diferentes evidencias apuntan a que se trata de un agujero negro supermasivo de 3 millones de masas solares. La existencia de estos objetos en los centros de otras muchas galaxias no es infrecuente. Imagen radio de la emisión sincrotrón en el centro de La Galaxia Zoom sobre el centro de la imagen anterior (aumento=x10)

EL CENTRO DE LA GALAXIA Observaciones en el infrarrojo cercano han permitido estudiar las estrellas del cúmulo central dela Galaxia. El resultado fundamental de estas observaciones realizadas entre 1994 y 1996 radicó en poder detectar el desplazamiento en la imagen de las estrellas más cercanas al centro de la Galaxia entre los dos periodos de observación. La detección del movimiento propio (transversal) en la imagen, implicaba, dado el corto espacio de tiempo transcurrido entre las dos observaciones, que las estrellas tenían grandes velocidades de rotación cerca del centro de la Galaxia (estimada en miles de km/s). Si se calcula la masa que debe estar encerrada en el interior de las órbitas de estas estrellas veloces a partir de las velocidades observadas se concluye que hay unos 3 millones de masas solares en una región de tan solo 1 Unidad Astronómica (AU). Esta concentración de masa en el centro de la Galaxia se corresponde con la existencia de un agujero negro supermasivo. La emisión sincrotrón del disco de acreción y la con-centración de gas en su entorno inmediato confirman esta hipótesis. El cúmulo central de estrellas en el centro de la Galaxia.

LA GALAXIA Y SU ENTORNO Nuestra Galaxia se encuentra dentro de un Universo de miles de millones de otras galaxias de formas variadas, tamaños y masas. El descubrimiento de las verdaderas dimensiones del Universo que va más allá de nuestro Sistema Solar y también tras-ciende las dimensiones de nuestra Galaxia es uno de los mayores avances de la Ciencia en el siglo XX. Como se verá, las galaxias no están aisla-das sino que aparecen en grupos, cúmulos y super-cúmulos. La foto esquematiza la posición de la Vía Láctea dentro del Grupo Local de ga-laxias entre las que se incluye Andrómeda (M31) Mapa tridimensional del entorno inmediato de nuestra Galaxia: El Grupo Local