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GAVETA DE ASTROFÍSICA | COORDINADORA: ADRIANA DE LORENZO-CÁCERES RODRÍGUEZ | @GAVETA_ASTRO

La música de las galaxias

29/abr/18 6:37 AM
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Izquierda: la galaxia barrada NGC 1365, con el círculo de corrotación (proyectado por el ángulo de inclinación de la galaxia) en verde. Crédito de la imagen original: Martin Pugh astrophotography. Centro: los radios resonantes de una onda de densidad en el disco de una galaxia representados en un pentagrama donde las líneas están a distintas distancias del centro de la galaxia (situado debajo): el radio de corrotación (CR), las dos resonancias de Lindblad (OLR e ILR) y las dos resonancias llamadas ultraharmónicas (O4:1 e I4:1). Derecha: patrones formados por 5 ondas de densidad concéntricas en el disco de una galaxia. Los puntos rojos son las corrotaciones 1 a 5. Los puntos amarillos son los OLR y los puntos azules son los I4:1 que entran en los patrones. Crédito: Joan Font. /

John Beckman y Joan Font

Para producir un tono, un instrumento musical tiene que vibrar de una forma ordenada. La cuerda de un violín o de un piano oscila entre dos puntos fijos y la distancia entre ellos determina si el tono es más alto o más bajo: cuanto más larga es la cuerda, más bajo es el tono. Estos puntos se llaman los nodos de la vibración. Algo similar ocurre con todos los instrumentos, donde el elemento que vibra puede ser una caña, el cuerpo del instrumento, una columna de aire o un círculo de piel en un tambor. En estos casos hay un patrón de nodos en dos o tres dimensiones. En las últimas décadas se ha descubierto que el Sol también vibra y se ha podido medir sus oscilaciones que implican un sistema tridimensional de nodos en su interior. Las vibraciones musicales tienen frecuencias de entre unas decenas y unos miles de oscilaciones por segundo (decenas y miles de hercios),  nuestro rango auditivo, mientras que el Sol oscila con un periodo fundamental de 5 minutos, es decir, con una frecuencia de 3 milihercios.

El equivalente de un nodo en el caso de un sistema de ondas de densidad en una galaxia no es un punto sino un círculo. Es el círculo donde la onda de forma espiral que comprime la población de estrellas en el disco gira con la misma velocidad de las estrellas mismas. Es el punto de mínima (realmente cero) compresión y rarefacción dentro de la onda. Tiene el nombre de corrotación. Los teóricos que trabajan en modelos de galaxias han predicho cómo una barra en una galaxia puede estimular una onda de densidad. Sus cálculos dicen que el radio de corrotación de tal onda estimulada por una barra debe ser un poco mayor que la longitud radial de la propia barra. Esta predicción está ilustrada en la imagen. La idea es que la onda funciona en radios más grandes que la corrotación produciendo y manteniendo los brazos espirales (véase la primera parte de este artículo en una edición anterior de Gaveta de Astrofísica). Para verificar el escenario de las ondas de densidad una observación clave es, entonces, poder establecer la existencia del radio de corrotación y medirlo. Pero esto no es muy fácil de hacer. Sin entrar en la historia del asunto, diremos que en nuestro grupo hemos desarrollado un método para ver, en primer lugar, si hay una corrotación en el disco de una galaxia y, si la hay, medir su radio, es decir, la distancia del círculo de corrotación al centro de la galaxia.  Es cierto que había métodos anteriores, pero este nuevo método se puede aplicar con más eficacia, rapidez y precisión.

La sorpresa fue que al aplicar el método a un centenar de galaxias encontramos no solamente un radio de corrotación por galaxia sino varios, distribuidos en el disco de la galaxia. Una galaxia típica de la muestra tenía tres corrotaciones y la de mayor número tenía siete. Apodamos a esa galaxia de las siete corrotaciones como ¡CR7! Tener tantas corrotaciones implica que las galaxias presentan una estructura de oscilaciones resonantes bastante compleja. La teoría de las resonancias predice que para cada radio de corrotación deben existir cuatro radios en el disco que sirvan como nodos menores. Dos de ellos se nombran en honor al gran Bertil Lindblad, el originador de la teoría: son la resonancia externa u OLR (outer Lindblad resonance, en inglés) y la resonancia interna o ILR (inner Lindblad resonance, en inglés). Los otros dos reciben sus nombres porque hay cuatro oscilaciones en la onda a ese radio: la externa, la O4:1 y la interna, la I4:1. Esta estructura se dibuja de forma esquemática en la imagen, donde cada línea del pentagrama representa la distancia del círculo resonante al centro de la galaxia.

Al explorar las situaciones de las corrotaciones de las galaxias encontramos un patrón sutil. En ciertos discos hay pares de corrotaciones (llamémoslos CRa y CRb) donde la OLR que pertenece a CRa coincide con CRb, y la I4:1 de CRb coincide con CRa. Pero no solamente eso: en galaxias con varias corrotaciones este patrón se puede repetir más de una vez. En la imagen se ilustra esta situación en una galaxia con 5 corrotaciones, que están vinculadas en pares representados por las notas musicales acopladas en la figura.  Hemos encontrado patrones de este tipo en casi el 80% de las galaxias observadas y analizadas. La mayoría de las galaxias, entonces, están vibrando de una forma ordenada, lo que necesitan los instrumentos musicales para producir sus notas. Y están vibrando de forma conectada, como las familias de instrumentos en una orquesta. Es asombroso que objetos tan grandes y tan complicados como las galaxias se comporten de esta forma. Pero sus tonos están muy lejos del rango auditivo humano. Los periodos asociados con las ondas de densidad de las galaxias son del orden de centenares de millones de años, que corresponden a frecuencias del orden de una décima de una milésima de una millonésima de una millonésima de un hercio, que en unidades científicas se llama 100 attohercios.  Estos son “sonidos” muy muy profundos, las notas más profundas en el Universo. El concepto antiguo de la música de las esferas se reproduce hoy en escalas muchísimo más grandes que las escalas concebibles a nuestros antepasados.

John Beckman es Doctor en Física por la Universidad de Oxford. Su trayectoria profesional incluye contratos en la Universidad de California, el Jet Propulsion Laboratory de la NASA, la Universidad de Londres y la Agencia Espacial Europea. Fue el primer Coordinador de Investigación del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), donde ha trabajado desde entonces como Profesor de Investigación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas primero y como Profesor de Investigación Honorífico del IAC actualmente.

Joan Font es Licenciado y Doctor en Ciencias Físicas por la Universitat Autònoma de Barcelona. Ha disfrutado posiciones postdoctorales en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y en la Universidad de Atenas. Actualmente trabaja como astrónomo de soporte en los Observatorios Astrofísicos del Roque de los Muchachos (La Palma) y de Izaña (Tenerife).

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