Los brazos espirales de la Vía Láctea deberían haber desaparecido hace tiempo

El Sol, la Tierra y todo el sistema solar se encuentran inmersos en uno de los varios brazos que forman la espiral de la Vía Láctea. Estos brazos son regiones de mayor densidad, donde se concentran grandes nubes de gas y polvo, que dan lugar a los cientos y miles de nebulosas que observamos desde la Tierra, pero que también contienen jóvenes y masivas estrellas, nebulosas de emisión y cúmulos abiertos formados recientemente. Esto parece indicarnos que los brazos espirales de una galaxia como la nuestra son una región de formación estelar, una zona de la galaxia donde nuevas estrellas no dejan de nacer a partir de estas gigantescas nubes que la pueblan. De hecho el potente brillo de los astros mencionados son la razón principal por la que los brazos espirales de otras galaxias pueden distinguirse a pesar de las enormes distancias que nos separan.

Sin embargo, esta imagen de los brazos espirales, como compuestos de grandes nubes que van rotando alrededor del centro galáctico supone un problema, pues estructuras como estas no deberían sobrevivir largos periodos de tiempo. El por qué resulta bastante simple: hemos estudiado en detalle cómo rotan las diferentes partes del disco galáctico y sabemos que no todo gira a la misma velocidad. Las partes interiores, más cercanas al núcleo, rotan más rápidamente que las partes exteriores. Esto lo sabemos desde hace ya más de 50 años y de hecho fueron estas observaciones una de las primeras pruebas contundentes de la existencia de la materia oscura. Pero eso es un tema para otro artículo.

Dada esta diferente velocidad de rotación, resulta evidente que el disco galáctico no gira como un todo, sino que las posiciones de los diferentes objetos irán cambiando con el paso del tiempo. Esta rotación diferencial haría imposible que ninguna estructura de escala galáctica relacionada con estos brazos espirales sobreviviera en el tiempo. De hecho, lo que debería ocurrir es que estos brazos espirales irían enroscándose alrededor de si mismos de forma que al cabo de varias revoluciones, al cabo de varios cientos de millones de años, hubieran desaparecido. Y sin embargo estos brazos espirales parecen haber sobrevivido en nuestra galaxia y en muchas otras de las que observamos repartidas por el universo durante los diez mil millones de años que han transcurrido desde que se formaron. Sean lo que sean estos brazos espirales, está claro que no podrán ser simplemente grandes nubes de gas y polvo rotando alrededor del núcleo galáctico.

La explicación más plausible de esta aparente paradoja nos dice que los brazos serían en verdad ondas de densidad en forma espiral. Es decir, ondas que, como si de las ondas que se forman en un estanque al lanzar una piedra, van recorriendo la galaxia y creando regiones donde se acumula el gas y polvo interestelar a su paso. El paso de estas ondas y la consecuente compresión y acumulación de las nubes provocaría la creación de nuevas estrellas y de otras estructuras. Por tanto podríamos observar estas ondas por el rastro que dejan tras su paso.

Esta explicación no entra en conflicto con la rotación diferenciada que hemos mencionado antes, porque la propagación de las ondas de presión no va atada a una nube de gas concreto, de la misma forma que las ondas del estanque no provocan un movimiento neto de materia, simplemente transmiten una perturbación. Esto concuerda con nuestro conocimiento de que el Sol y el resto del sistema solar han ido transitando por diferentes brazos espirales de la galaxia a lo largo de su existencia. Incluso se ha propuesto que estas incursiones podrían haber alterado el clima terrestre, aunque las evidencias no resultan concluyentes. Esto puede entenderse fácilmente recordando nuestra última experiencia bañándonos en el mar. Las olas que se dirigen a la orilla no dejan de pasarnos, sin llegar a cambiar nuestra posición. Puede que momentáneamente si nos hagan tambalearnos, y por supuesto nos hacen subir y bajar con la cresta de la ola pero, a menos que sean muy fuertes, no llegan a sacarnos del agua. Esto mismo ocurriría con las ondas que circulan alrededor del núcleo galáctico formando estas estructuras espirales.

Las observaciones parecen mostrar que las estrellas y el resto de material que orbita alrededor del centro galáctico se mueve más rápido que esas ondas, de forma que las va adelantando con el tiempo. Cuando alcanza una de estas ondas sufre un cierto bamboleo hasta que vuelve a salir por el otro lado. Esto puedes visualizarlo imaginando un atasco en la carretera. La aglomeración de coches, debida por ejemplo a que hay un camión muy pesado viajando a baja velocidad, se moverá lentamente. El resto de coches irán alcanzando la aglomeración, perderán algo de tiempo en ella, y acabarán saliendo de ella por delante, siguiendo su camino como antes.

La perturbación inicial, que puede ser el paso de una galaxia satélite o una serie de explosiones de supernova, consigue de esta forma perdurar en el tiempo, durante miles de millones de años y definir el aspecto de la galaxia a gran escala.

Referencias:

Elena D'Onghia et al, 2013, SELF-PERPETUATING SPIRAL ARMS IN DISK GALAXIES, The Astrophysical Journal

Bertin, G. and C.C. Lin. 1996. Spiral Structure in Galaxies: A Density Wave Theory. Cambridge: MIT Press.

Eric Chaisson, Stephen McMillan, 2017, Astronomy Today, Prentice Hall