Escribir en forma breve y consistente sobre nuestra galaxia es, sin duda, una difícil tarea. ¿Cómo hacer para describir los innumerables avances recientes - y las nuevas incógnitas de ellos derivados- y, al mismo tiempo, relatar cuál fue el proceso que llevó a la visualización vigente de nuestro sistema estelar? ¿Cómo ingeniárselas para decir algo, al menos, sobre la gran variedad de objetos celestes que constituyen nuestra galaxia?

Estas preguntas nos llevan a un callejón sin salida: habrá que ignorar muchos tópicos interesantes para referirnos sólo a los aspectos básicos de nuestro sistema; incluso, de éstos nos referiremos esencialmente a uno: sus dimensiones.

Los aspectos básicos de nuestra galaxia podemos resumirlos en tres: su status en el cosmos, su estructura y sus dimensiones.

El problema del status de nuestra galaxia quedó resuelto recién hacia 1925, cuando Edwin Hubble logró demostrar que había sistemas estelares equivalentes al nuestro, e independientes de él, a inmensas distancias; así puso fin a una polémica iniciada cuando, en 1755, lmmanuel Kant postuló que el universo estaba compuesto de sistemas estelares independientes: los "universos-islas". Con el trabajo de Hubble se pudo finalmente separar el estudio de nuestra galaxia del problema cosmológico en su forma más general; nuestro sistema estelar no era todo el universo, como muchos sostuvieron desde la Antigüedad, sino que se trataba sólo de una galaxia más en un universo compuesto de galaxias (los universos-islas en la terminología de Kant).


Una de las tantas

A pesar de esto, por cierto tiempo nuestra galaxia pareció tener el privilegio de ser la mayor de todas. Esto se debió a ciertos errores en la estimación de su tamaño y en la determinación de las distancias a las otras galaxias. Unos 20 años adicionales de esfuerzo permitieron probar que es tan sólo una galaxia de tamaño mediano.

En forma más o menos simultánea, esto es, hacia 1950, se pudieron obtener las primeras pruebas de que nuestra galaxia era, además, de tipo espiral, hecho que ha quedado plenamente confirmado por complejos estudios posteriores. Cabe mencionar que ya a mediados del siglo XIX los partidarios de la teoría de los universos-islas habían comenzado a especular sobre la posibilidad que nuestra galaxia fuese análoga a las muchas galaxias espirales ("nebulosas espirales" en la terminología de la época) que se había logrado descubrir.

Para referirnos a la estructura y dimensiones de nuestro sistema estelar, volvamos atrás en el tiempo. Entre la Antigüedad y el siglo XVll, el estudio de nuestra galaxia fue puramente especulativo, hasta que ciertos descubrimientos claves, a comienzos de dicho siglo, desembocaron en los primeros modelos de nuestra galaxia. Aunque puramente cualitativos, ellos lograban explicar el fenómeno de la Vía Láctea, el que contiene
una de las claves fundamentales sobre su estructura. Se lo debemos principalmente a Thomas Wright, en 1750, y al mismo Kant en 1755; ellos visualizaron nuestra galaxia como un sistema muy achatado, con el Sol en su centro. La figura 1 presenta esquemáticamente dicha interpretación y el modo en que ella explica el fenómeno de la Vía Láctea.


Gran lenteja

Este esquema fue confirmado y pulido poco después por William Herschel, quien, hacia 1783, mediante un método más cuantitativo basado en recuentos de estrellas, y ciertas suposiciones adicionales, confirmó el carácter achatado de nuestra galaxia, encontrando que se trataba de una especie de lenteja, de bordes irregulares, con un espesor de aproximadamente 1/5 de su diámetro, estando el Sol ubicado muy cerca de su centro. Aunque Herschel creyó en cierta etapa de su vida que había logrado divisar los límites del sistema (de hecho introdujo esta creencia como una suposición), hacia el final de su vida se dio cuenta de que dicha suposición no era correcta y que sus telescopios sólo habían logrado proporcionarle una imagen local de nuestro sistema estelar. Incluso, a pesar de haber sido partidario de la teoría de los "universo-islas", llegó a dudar sobre si estaba tratando con un sistema infinito que quizás era todo el universo.

Durante el siglo XIX, el desarrollo de técnicas de observación como la astrometría, la espectroscopia y la fotografía astronómica, permitió acumular abundantes datos sobre las estrellas más cercanas, información que tratada estadísticamente condujo eventualmente, bajo ciertas suposiciones, al cálculo de la distribución real de dichas estrellas en el espacio a partir de su distribución aparente en el cielo.

Estos métodos estadísticos fueron desarrollados a comienzos del siglo XX por Hugo von Seelinger y luego optimizados, en base a un mejor material de observación, por Jacobus Kapteyn; este esfuerzo culminó con el denominado "Universo de Kapteyn". Los resultados mostraban que el sistema estelar estudiado era elipsoidal, con un semi-eje mayor de unos 16 Kpc (1 Kpc= 1.000 parsecs: 1 parsec= 3.085 x 1018 cm), y un semi-eie menor de unos 3 Kpc, encontrándose el Sol cerca del centro.


Serias diferencias

Casi simultáneamente con su aparición, los primeros resultados de Kapteyn entraron en conflicto con los estudios de la distribución espacial de los cúmulos globulares que inició Harlow Shapley hacia 1915. En efecto, tras implementar un método de determinación de distancias usando estrellas variables tipo Cefeida, Shapley pudo estimar la distancia a los cúmulos globulares, y encontró que ellos delineaban un sistema esferoidal de unos 70 Kpc de diámetro, cuyo centro no coincidía con el centro del modelo de Kapteyn, sino que se encontraba a unos 20 Kpc de él. Tras ciertas dudas iniciales, Shapley postuló finalmente que los métodos estadísticos habían logrado escrutar solamente lo que el denominó el "sistema local", y que el sistema de cúmulos globulares definía en realidad el tamaño de nuestro sistema estelar. La figura 2 muestra esquemáticamente la relación entre ambos modelos.

Esta nueva visualización de nuestro sistema estelar desató una polémica de proporciones, no sólo por el hecho de que el modelo de Kapteyn parecía bien implementado (esto en contraste con las determinaciones de distancia de Shapley, que muchos consideraban poco confiables), sino porque además entró en conflicto con los partidarios de la teoría de los universos-islas. Estos últimos sostenían que nuestro sistema estelar era comparable a las muchas nebulosas espirales conocidas y, en base al tamaño y distancia estimados para éstas (a la fecha de aparición del modelo de Shapley), el modelo de Kapteyn resultaba perfectamente compatible, en contraste con el modelo de Shapley, que presentaba a nuestro sistema como un monstruo al lado de las espirales, e incluso sugería que éstas podían pertenecer al conglomerado galáctico y no ser independientes.


Al fin un acuerdo

Sin entrar en detalles, diremos que la polémica se originó en una diversidad de errores que se fueron aclarando paulatinamente. Como ya se adelantó, en 1925 Hubble probó que las espirales estaban muchísimo más lejanas que lo que los mismos partidarios de la teoría de los universos-islas habían podido estimar hacia 1915 y, en consecuencia, dados sus tamaños angulares, eran muchísimo mayores. Por otra parte, hacia 1930, principalmente gracias al trabajo de Robert Trumpler, se pudo constatar la existencia de un fenómeno de extinción (atenuación) de la radiación recibida de los objetos celestes, causado por la materia interestelar. Aunque este fenómeno estaba distorsionando ambos modelos galácticos, la distribución espacial relativa de las estrellas, los cúmulos globulares y este material atenuante, implicaba que su efecto era particularmente serio sobre los resultados de Kapteyn. Saltándonos gran parte de la historia, diremos que antes de 1940 se pudo explicar el origen de las discrepancias en los siguientes términos: nuestra galaxia consiste básicamente de dos subsistemas superpuestos cuyos centros coinciden: un disco y un halo esferoidal.

El Halo es una región de muy baja densidad de estrellas, cuyos principales miembros son los cúmulos globulares. Este "esqueleto" de cúmulos globulares fue el que logró delinear Shapley, de modo que su modelo era esencialmente correcto. El Disco, en contraste, en una región de alta densidad de objetos, cuyos principales miembros son las estrellas "ordinarias" y la materia interestelar; esta última, muy concentrada hacia el plano principal del Disco, que está definido por el plano de la Vía Láctea. Por encontrarse la mayoría de los cúmulos globulares fuera de la región de materia interestelar que causa la extinción (además del hecho de que estos objetos son intrínsecamente muy brillantes), ellos se pueden observar hasta grandes distancias; no ocurre lo mismo con las estrellas, ya que éstas, además de ser intrínsecamente poco brillantes en comparación con los cúmulos globulares, poseen una distribución espacial que sí está seriamente afectada por la región de materia interestelar. Esto se ilustra en la figura 3. Así, los métodos estadísticos basados en recuentos de estrellas usados por Kapteyn (además de poseer ciertas deficiencias intrínsecas), permitieron examinar sólo una pequeña región en torno al Sol, ni siquiera lo suficientemente grande como para detectar la diferencia entre visuales dirigidas hacia el centro y el anticentro, apareciendo el Sol en una posición central. La extinción simplemente impedía "ver" estrellas más allá de una cierta distancia. En cuanto al modelo de Shapley, la extinción lo hizo subestimar el brillo de algunos cúmulos globulares, y, por consiguiente, sobreestimar sus distancias: se aceptó entonces que, aunque la estructura propuesta era básicamente correcta, la galaxia no era tan grande como sus resultados indicaban.

Como adelantamos, poco después de "achicarse" nuestra galaxia, se corrigió la escala de distancia a las espirales: éstas se alejaron aún más y por lo tanto "crecieron", fijándose así en definitiva el status de nuestro sistema en el universo.


Todo un puzzle

En los años siguientes el cuadro descriptivo de nuestra galaxia se fue llenando progresivamente de detalles, y piezas cada vez menores del acertijo fueron cayendo en su lugar. otras facetas importantes de ella, como su estructura espiral, sus propiedades de rotación, y las características del medio interestelar, se fueron comprendiendo cada vez mejor hasta obtener, a fines de la década de 1950, un esquema bastante consistente. Este esquema se fue completando paulatinamente pero sin sufrir mayores cambios en su concepción básica, hasta que en 1976 comenzaron a vislumbrarse nuevas dificultades. Por esos años se entendía -y con bastante confianza- la estructura de nuestra galaxia como la superposición de dos sistemas fundamentales: el Disco y la Componente Esferoidal. La Componente Esferoidal es una superposición de subsistemas concéntricos, al parecer casi esféricos, entre los que se distinguen el Núcleo Galáctico, en su centro, con un tamaño de unos 3 pc. la Protuberancia Nuclear, con un radio de unos 3 Kpc, y el Halo, con un radio de unos 20 Kpc.

El Disco, en contraste, es muy achatado, con un radio principal de unos 20 Kpc, pero con un espesor tan sólo del orden de 1 Kpc. El denominado Plano Galáctico es justamente el plano de simetría del Disco. El Sol se encuentra muy cerca del Plano Galáctico, pero a unos 9 Kpc. del centro galáctico. La materia en el Disco no se distribuye homogéneamente, sino que, por el contrario, está organizada en regiones de mayor densidad, de forma espiral, denominadas Brazos Espirales. La figura 4 y 5 muestra una sección de la galaxia, perpendicular al Disco, ilustrando la relación entre los distintos subsistemas. En las figuras se ilustra también, muy esquemáticamente, una visualización del Disco visto desde uno de los polos galácticos.


La corona galáctica

En cuanto a la masa de la galaxia, se estimaba que en un volumen esférico que abarcara hasta unos 10 Kpc del centro galáctico había aproximadamente 14 x 10¹⁰ masas solares (1 masa solar es aproximadamente 1.99 x 10³³ gr). En el volumen comprendido desde los 10 Kpc hacia el exterior habría otras 14 x 10¹⁰ masas solares, lo que daba un total de 2 a 3 x 10¹¹ masas solares.

Es importante notar que, aunque el Disco y la Componente Esferoidal están superpuestos, y por lo tanto coexisten en ciertas regiones galácticas, muestran grandes diferencias originadas en historias evolutivas distintas; sus objetos típicos tienen, además de una diferente distribución espacial, distinta cinemática, edad y composición química.

Como se dijo antes, esta descripción de nuestra galaxia se consideraba en lo básico bastante bien establecida, y sólo se preveian posibles innovaciones en sus detalles; sin embargo, hacia 1976, ciertas consideraciones teóricas sobre la dinámica galáctica mostraron que, para que la galaxia fuese dinámicamente estable, debía ser mucho más masiva. Hecha esta sugerencia, otras evidencias observacionales independientes - hasta el momento conflictivas- comenzaron a tener bastante sentido. En efecto, al estudiar el movimiento del Sol con respecto al movimiento promedio de las galaxias más cercanas - con el propósito de estimar su velocidad de rotación en torno al centro galáctico- se llegaba a un valor discrepante (aproximadamente 300 Km/seg) con el arrojado por otros métodos basados en objetos galácticos (aproximadamente 230 a 250 Km/seg); discrepancia que se podía explicar aceptando que nuestra galaxia se movía, como un todo, a una gran velocidad (entre unos 50 y 80 Km/seg) respecto a las galaxias del grupo local. Esta alta velocidad podía, a su vez, explicarse aceptando que nuestra galaxia era unas diez veces más masiva que lo pensado hasta entonces; es decir, con unas 2 x 10¹² masas solares.

Las estimaciones más "optimistas" de la masa del Disco y de la Componente Esferoidal daban valores inferiores al requerido, lo que llevó a postular la existencia de un subsistema adicional, que se denominó Corona, con un radio de unos 100 Kpc, en el cual estaría "embebida" toda la galaxia "clásica", como lo ilustra la figura 4 y 5. Sin entrar en detalles que exigirían referirnos al proceso de formación galáctica, diremos que la Corona se puede entender como un subsistema, también concéntrico, de la componente esferoidal; específicamente, el de mayor tamaño y el más antiguo.


La población oscura

Aunque las evidencias dinámicas exigen la existencia de la Corona, la naturaleza de los objetos que la constituirían no se conoce. Estos hipotéticos objetos obviamente tienen una luminosidad por unidad de masa muy baja, ya que, en caso contrario, dado su gran aporte a la masa total de la galaxia, serían relativamente fáciles de identificar, lo que no se ha logrado a la fecha. En base a esta propiedad, se presume que se puede tratar de remanentes de estrellas evolucionadas (hoyos negros, estrellas de neutrones, enanas blancas de muy baja temperatura), enanas rojas de muy baja luminosidad, u objetos de masa subestelar; razón por la cual se denomina también "Población Oscura".

La existencia de una Corona, por cierto, no tenía por qué ser un privilegio de nuestra galaxia, de modo que los estudios de otras galaxias podían aportar evidencias al respecto; y así fue. Las observaciones con radiotelescopios sugirieron primero que en varias galaxias espirales debía existir bastante materia más allá de los límites aparentes de la estructura espiral. Luego, estudios ópticos de la periferia de estas galaxias mostraron que el material en estas regiones gira en torno al centro de ellas a una velocidad bastante alta, comparable a la de las regiones más al interior. De ser poca la masa de la periferia, se esperaba para dichas regiones un comportamiento de la rotación similar al del movimiento de los planetas en torno al Sol; es decir, que debía observarse una disminución de la velocidad de rotación al aumentar la distancia al centro; sin embargo, se obtuvieron curvas de rotación esencialmente planas, las que podían explicarse dinámicamente sólo aceptando que estas galaxias tenían una importante componente de masa oscura, extendiéndose más allá de sus límites visibles aparentes. Invirtiendo la comparación, estudios de la velocidad de rotación de los objetos de nuestra galaxia hasta grandes distancias de su núcleo debían, pues, dar una curva de rotación análoga para la periferia de nuestro sistema. Diversos estudios, ópticos y de radio, han permitido comprobar recientemente que la curva de rotación galáctica no sólo no disminuye para sus zonas externas, sino que incluso sufre un aumento entre los 10 y 20 Kpc del centro, alcanzando un valor máximo de 300 Km/seg a los 20 Kpc del centro galáctico (a la distancia del Sol al centro, su valor es de aproximadamente 230 Km/ seg), evidenciando así la presencia de gran cantidad de materia en la periferia galáctica.

Cabe destacar también que esta interpretación es perfectamente compatible con los movimientos observados para los cúmulos globulares situados entre 20 y 60 Kpc del centro galáctico, movimientos que quedan bien explicados asumiendo que la masa galáctica al interior de un radio de 60 Kpc es del orden de 8 x 10¹¹ masas solares. Entre los 60 Kpc y el radio de 100 Kpc sugerido como limite de la Corona, existen además otros 3 cúmulos globulares y 5 galaxias, entre las que se destacan las Nubes de Magallanes (la Nube Grande se encuentra en realidad a aproximadamente 56 Kpc de distancia). Aceptando que estos objetos pertenecen al conglomerado galáctico, se obtiene para nuestro sistema una masa de alrededor de 2 x 10¹² masas solares, en conformidad con lo sugerido por su movimiento con respecto al promedio del grupo local.


¿Otras sorpresas?

Así, pues, contrariamente a lo que se llegó a pensar por cierto tiempo, ni siquiera en lo básico el problema de la estructura de nuestra galaxia se encuentra completamente resuelto. No sólo faltan muchos detalles por comprender, sino que, como lo muestra este relato, aún no tenemos ni siquiera exacto conocimiento de su tamaño y masa. Está claro, en todo caso, que nuestro sistema es mucho mayor de lo que se creía; y podría depararnos aún otras sorpresas.



Edgardo Costa.
Astronomía. Facultad de Ciencias Químicas y Matemáticas, Universidad de Chile.