Uno de los retos más importantes de la Astrofísica actual es descifrar cómo se han formado y han evolucionado las galaxias desde los albores del Universo hasta el momento actual, así como entender la naturaleza de la misteriosa materia oscura. 

Para determinar cómo han ido cambiando las características de las galaxias a lo largo de su evolución, es necesario ‘viajar en el tiempo’ y una de las formas más poderosas de hacer esto es a través de lo que se denomina arqueología galáctica. Esta se basa en el hecho de que las estrellas de baja masa (un poco más pequeñas que nuestro Sol) viven más de 10 mil millones de años, de manera que todavía podemos observar en la actualidad las primeras que se formaron en el Universo. Estas estrellas guardan información de las condiciones iniciales de la galaxia en la que se formaron y son, por tanto, mensajeras de tiempos primitivos, como los fósiles en una excavación arqueológica. Estrellas de diferentes masas, tanto más jóvenes cuanto más masivas, nos informan de sucesivas épocas y, a través de su luminosidad, posición, movimiento, composición química y edad, podemos reconstruir la historia de una galaxia. Esta metodología es únicamente aplicable a las galaxias más cercanas, y con la mayor precisión posible, a nuestra propia Galaxia, la Vía Láctea, y a las demás galaxias del llamado Grupo Local. Esto permite a los investigadores estudiar su evolución con un detalle imposible en galaxias más lejanas.

La Vía Láctea es el ejemplo emblemático, y más cercano de galaxia espiral, uno de los tipos principales de galaxias grandes, que contienen gran parte de las estrellas del Universo. Por otro lado, la mayoría de galaxias del Grupo Local pertenecen a las denominadas enanas. Estas galaxias extremadamente pequeñas son muy interesantes: son las más comunes en el Universo, y bancos de pruebas fundamentales de las teorías de materia oscura. Además, su evolución está muy entrelazada con la de las galaxias mayores: por ejemplo, parte de la Vía Láctea se ha formado a partir de la destrucción de estos sistemas. Por otra parte, la Vía Láctea, y hasta las Nubes de Magallanes, tienen influencia en las propiedades de las enanas que han sobrevivido y se encuentran a su alrededor. Por todo esto, igual que el Sol es una estrella especial debido al increíble detalle con el que se puede estudiar, la Vía Láctea y las galaxias del Grupo Local se consideran la Piedra Rosetta para el estudio de las galaxias.

Este proyecto gira alrededor de dos aspectos clave: el estudio de la historia del ensamblado del disco y el halo de la Vía Láctea, y la determinación del contenido de materia oscura y su distribución en galaxias enanas del Grupo Local. El momento actual es crucial para ambos temas. La disponibilidad de fotometría y distancias precisas, obtenidas por el satélite Gaia, para millones de estrellas de la Vía Láctea hace posible, por primera vez, la determinación de historias de formación estelar para una porción representativa de nuestra Galaxia. Las distribuciones de edades que se obtendrán, prácticamente libres de sesgos, son el ingrediente fundamental que todavía hace falta para interpretar, en el contexto de los modelos de formación y evolución de galaxias, una increíble abundancia de observaciones. Combinando estas edades con la información cinemática y química obtenida a partir de grandes cartografiados espectroscópicos (muy particularmente del cartografiado de WEAVE, en cuyo desarrollo estamos participando), se obtendrá una comprensión sin precedentes de la evolución de la Vía Láctea. En paralelo, las bases para la nueva generación de determinaciones del contenido de materia oscura en galaxias enanas serán sentadas.

Los resultados presentados en Fritz, Battaglia+2018 y en Gallart+2019 son ejemplos de trabajos recientes que han ayudado a los investigadores a sentar las bases del proyecto actual.

En el primero se determinaron, utilizando datos de Gaia, los movimientos alrededor de nuestra galaxia de 39 galaxias enanas satélites (ver animación). Antes de la publicación de esos datos, no se había podido medir el desplazamiento de 29 de estas galaxias. Se encontró que muchas de ellas se están moviendo en un plano conocido como “la gran estructura polar”, que tiene una concentración de galaxias mayor de la esperada según la comprensión actual del ensamblaje de la materia oscura. Se encontró también que algunas de las galaxias enanas de la muestra presentan órbitas que las llevan hasta las regiones internas de la Vía Láctea, donde su atracción gravitacional podría alargarlas como una corriente y explicar sus características. En este proyecto, utilizando datos de Gaia más recientes, se han podido medir los movimientos de casi el doble de galaxias enanas, ¡llegando hasta las afueras del Grupo Local (Battaglia+2022)!

Enlace animación interactiva:

http://gbattaglia.epizy.com/?i=2

En el segundo (ver Figura 1), se desvela la secuencia de eventos que dio lugar a la galaxia con una precisión temporal sin precedentes: hace 13.000 millones de años se empezaron a formar estrellas en dos sistemas estelares diferenciados que luego se fusionaron: una galaxia enana llamada Gaia-Encélado y otro, el progenitor principal de nuestra Galaxia, unas cuatro veces más masivo y más evolucionado químicamente. El sistema más masivo sufrió hace 10 mil millones de años un violento impacto con Gaia-Encélado. Como consecuencia, algunas de sus estrellas y las pertenecientes a Gaia-Encélado adquirieron movimientos caóticos, pasando a formar parte del halo de la Vía Láctea.

Figura 1: Recreación artística del nacimiento de la Vía Láctea. Crédito: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC). Artículo original: “Uncovering the birth of the Milky Way through accurate stellar ages with Gaia”. C. Gallart et al. 2019, Nature Astronomy, DOI: 10.1038/s41550-019-0829-5

Enlace al vídeo en Youtube: https://youtu.be/x4yut8LxGvY

Al mismo tiempo, ocurrieron violentos brotes de formación estelar que contribuyeron a la formación del denominado disco grueso de la Vía Láctea. Posteriormente, el gas se asentó dando lugar al conocido como disco fino. Alrededor de hace 6000 millones de años, otra galaxia satélite de la Vía Láctea, denominada Sagitario, empezó a fusionarse con esta, ocasionando nuevos brotes de formación estelar (ver Figura 2).

Figura 2: Impresión artística de la interacción entre la galaxia enana de Sagitario y la Vía Láctea. A la derecha se representa la historia evolutiva de nuestra Galaxia donde se aprecian tres brotes de formación estelar. Crédito: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC).

Artículo original: "The recurrent impact of the Sagittarius dwarf on the Milky Way star formation history", Ruiz-Lara et al. 2020, Nature Astronomy, DOI: 10.1038/s41550-020-1097-0

Enlace al vídeo en Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=IEjqeJ1wxKs

Se ha reunido un equipo de expertos en algunos de los temas más candentes relacionados con la evolución de la Vía Láctea y las pequeñas galaxias que se encuentran en su entorno. Los investigadores aprovecharán los datos de las principales instalaciones astronómicas, como la misión Gaia, los telescopios del Observatorio del Roque de los Muchachos en la isla de La Palma (y muy especialmente el instrumento WEAVE en el telescopio William Herschel) y del Observatorio Europeo Austral (ESO), así como el telescopio espacial Hubble, todo ello financiado por la Agencia Estatal de Investigación (AEI); siendo estas son algunas de las principales inversiones de la astronomía europea y española.