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Extinción (astronomía)

NGC 4150 , una galaxia elíptica quiescente en la constelación de Coma Berenices [ 1 ] En astronomía , el cese de la formación estelar se refiere a la interrupción de dicha forma...

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Imagen de una galaxia elíptica de color amarillo-blanco.
NGC 4150 , una galaxia elíptica quiescente en la constelación de Coma Berenices [ 1 ]

En astronomía , el cese de la formación estelar se refiere a la interrupción de dicha formación dentro de una galaxia . Una galaxia donde la formación estelar se ha interrumpido se conoce como galaxia cesada o quiescente . El cese de la formación estelar es un fenómeno importante en el estudio de la evolución galáctica , ya que todas las galaxias se pueden dividir en dos tipos fundamentales: con formación estelar activa o cesadas . [ 2 ]

En comparación con una galaxia con formación estelar activa , una galaxia con formación estelar detenida tiende a ser más roja en el espectro visible y contiene poblaciones estelares más antiguas , una consecuencia directa de la interrupción de su formación estelar. [ 2 ] La mayoría de las galaxias elípticas y lenticulares conocidas hasta la fecha presentan estas características, que, junto con su débil formación estelar, las califican como quiescentes. [ 3 ] [ 4 ] Además, las galaxias con formación estelar detenida también existen en halos de materia oscura más masivos y pueden encontrarse en entornos más densos, como cúmulos o grupos . [ 5 ]

Hasta hace poco, la mayoría de las galaxias extinguidas se habían encontrado en el Universo local . Desde finales de la década de 2010, los sondeos de campo profundo en bandas del infrarrojo cercano , incluyendo algunos del Telescopio Espacial James Webb , han encontrado varias galaxias extinguidas en el Universo temprano. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] Se han propuesto varios mecanismos como impulsores de la extinción, pero su relevancia depende de la edad, la masa y las condiciones ambientales de cada galaxia extinguida. Estos mecanismos se pueden dividir en dos clases según su origen: internos (provenientes del interior de la galaxia que se extingue) y ambientales (provenientes de galaxias circundantes). Los mecanismos internos, sobre todo la retroalimentación del núcleo galáctico activo (AGN), son responsables de la mayor parte de la extinción observada en galaxias de alta masa, mientras que los mecanismos ambientales contribuyen a la extinción de galaxias de baja masa, especialmente si dichas galaxias son satélites alrededor de una galaxia central más masiva. [ 9 ] [ 10 ]

Umbral de extinción

El umbral de extinción es el umbral de formación estelar por encima del cual una galaxia se considera en formación estelar, y por debajo del cual se considera extinguida. [ 11 ] Esto se observa en grandes estudios del Universo, donde las galaxias generalmente muestran una bimodalidad , con poblaciones distintas de galaxias azules en formación estelar frente a galaxias rojas extinguidas. [ 12 ] [ 13 ] Para cuantificar esta bimodalidad, los astrónomos utilizansSFR{\textstyle {sSFR}}, la tasa específica de formación estelar de una galaxia, que puede definirse simplemente como:

sSFR=SFRMETRO∗{\displaystyle sSFR={SFR \over M_{*}}}

dóndeSFR{\textstyle SFR}es la tasa total de formación estelar, medida en masas solares por año, yMETRO∗{\textstyle M_{*}}es la masa estelar total , medida en masas solares. Esto permite a los astrónomos comparar la tasa de formación estelar en galaxias de diferentes masas con mayor precisión. Una definición rígida de extinción en el Universo local establece el umbral de extinción ensSFR<10−11{\displaystyle sSFR<10^{-11}}. [ 13 ] [ 14 ]

Los Acantilados Cósmicos, una región de formación estelar.
Los Acantilados Cósmicos, una región activa de formación estelar en NGC 3324. A lo largo del tiempo cósmico, las tasas de formación estelar en nuestro Universo moderno son en realidad mucho más bajas que en épocas anteriores.

Sin embargo, en el gran esquema de la historia cósmica, la imagen se vuelve más compleja. A lo largo del tiempo cósmico , la tasa de formación estelar y la masa estelar de las galaxias han evolucionado significativamente. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] Por ejemplo, se teoriza que el Universo tuvo tasas elevadas de formación estelar alrededor de dos a tres mil millones de años después del Big Bang , un período también conocido como "Mediodía Cósmico". Esto es diferente de nuestra época actual, que se denomina "Crepúsculo Cósmico", ya que las galaxias actuales están formando estrellas a tasas mucho más bajas. Para dar cabida a estas propiedades cambiantes de las galaxias a lo largo de diferentes épocas, el umbral de extinción también se ha definido en términos más flexibles. Una de estas definiciones parametriza el umbral como:

sSFR=0,2tH(z){\displaystyle sSFR={0.2 \over t_{H}(z)}}

dóndetH{\displaystyle t_{H}}es la edad del Universo y depende del correspondiente desplazamiento al rojo.z{\displaystyle z}en esa época. [ 16 ] Con esta definición, una galaxia masiva en el Universo temprano como GS-9209 , consSFR=10−10.3{\displaystyle sSFR=10^{-10.3}}, puede clasificarse como apagado, porque en su corrimiento al rojo, el umbral de apagado es realmentesSFR<10−9.8{\textstyle sSFR<10^{-9.8}}. [ 18 ]

temple interno

Retroalimentación del núcleo galáctico activo (AGN)

El chorro astrofísico de M87 . Los chorros astrofísicos son un tipo de retroalimentación del núcleo galáctico activo (AGN) que puede calentar gas previamente frío y evitar su extinción.

El principal impulsor del cese de la formación estelar en una galaxia es la retroalimentación de su núcleo galáctico activo (AGN). [ 19 ] Cuando el gas y el polvo giran en espiral hacia un agujero negro supermasivo dentro de un AGN, este proceso puede liberar mucha energía y calentar el gas de toda la galaxia, lo que reduce la cantidad de gas frío que la galaxia necesita para la formación estelar. [ 9 ]

En simulaciones cosmológicas como Illustris , el cese de la formación estelar solo puede ocurrir en galaxias masivas cuando hay algún tipo de calentamiento impulsado por el AGN. [ 19 ] [ 20 ] Hay al menos dos escenarios por los cuales un AGN puede calentar el gas en una galaxia. En un escenario, una gran cantidad de gas se acumula en el AGN a la vez, lo que conduce a una retroalimentación violenta, incluyendo chorros astrofísicos , que pueden calentar galaxias enteras a un ritmo rápido. [ 21 ] Esto se conoce como el "modo cuásar". [ 9 ] En otro escenario llamado el "modo preventivo", el calentamiento ocurre de una manera más lenta y menos violenta: el AGN proporciona energía que impide que el gas frío se acumule en el medio interestelar , lo que con el tiempo reducirá la formación estelar. [ 22 ] Las observaciones del Universo local han demostrado que ambas vías pueden conducir al calentamiento del gas frío y, eventualmente, al cese de la formación estelar. [ 21 ] [ 23 ] Las simulaciones también muestran que las galaxias de alto corrimiento al rojo se extinguieron principalmente a través de la retroalimentación de AGN. [ 24 ]

calentamiento de choque

Otro mecanismo de extinción es el calentamiento por choque, que comienza cuando el gas intergaláctico cae en el halo de materia oscura de una galaxia a una velocidad mucho mayor que la velocidad local del sonido . [ 25 ] [ 26 ] Esto crea un choque que no solo detiene el material que cae, sino que también genera un halo de gas caliente y virializado que se propaga hacia el radio virial (el radio del halo de materia oscura) y, en algunos casos, puede extenderse incluso más allá de dicho radio. Bajo el efecto de este medio caliente, el gas frío de la galaxia puede calentarse, impidiendo así la formación de estrellas.

Galaxia enana Eridanus II, fotografiada por el Telescopio Espacial Hubble.
Eridanus II , una galaxia enana extinguida únicamente por la retroalimentación de supernovas.

El calentamiento por choque no es posible en todos los rangos de masa del halo galáctico, sino que se restringe a halos con masas superiores a 10¹² masas solares . [ 27 ] Esto se debe a que, a masas menores, la presión del gas generada por el choque se ve reducida por el enfriamiento radiativo y no puede evitar el colapso gravitacional del choque . Además, incluso en los casos en que el choque se mantiene y genera con éxito un medio caliente, puede haber filamentos de gas dentro del halo que son demasiado fríos y densos para calentarse. Estos filamentos proporcionarán un suministro crítico de gas a la galaxia posterior al choque, que ahora está dominada por el medio caliente. En tales escenarios, una extinción completa de la galaxia requerirá factores suplementarios, incluida la retroalimentación del AGN. [ 28 ] [ 29 ]

Otros mecanismos

Existen procesos adicionales dentro de una galaxia que pueden contribuir a su extinción en casos limitados. Uno de estos procesos son las supernovas , que si bien pueden calentar gas frío, son demasiado débiles para extinguir por sí solas galaxias dentro de halos masivos de materia oscura. [ 30 ] Sin embargo, en el caso de la galaxia enana ultra débil Eridanus II , cuyo halo tiene solo 10⁷ masas solares, se ha demostrado que la retroalimentación de las supernovas por sí sola es capaz de expulsar el gas formador de estrellas, extinguiendo así el sistema. [ 31 ]

extinción ambiental

Fusiones

La fusión de dos galaxias formadoras de estrellas puede crear una galaxia con formación estelar extinguida. En este caso, la fusión altera drásticamente la morfología de las galaxias, redistribuyendo su material y provocando un estallido estelar. Este estallido consume rápidamente el reservorio de gas frío y deja tras de sí una única galaxia con tasas reducidas de formación estelar. Además, si las galaxias fusionadas albergan un núcleo galáctico activo (AGN), el estallido estelar también puede alimentarlo, calentando el gas frío restante y dando como resultado una galaxia elíptica con formación estelar completamente extinguida. [ 32 ] [ 33 ] Si bien las simulaciones han demostrado que las fusiones probablemente resulten en una galaxia quiescente, este método de extinción es responsable solo de una pequeña fracción de galaxias quiescentes a bajo corrimiento al rojo. [ 34 ]

Interacciones galaxia-galaxia

Imagen de NGC 4388, una galaxia espiral.
NGC 4388 , una galaxia espiral cuya reducida tasa de formación estelar se debe al desprendimiento por presión dinámica al pasar por el cúmulo de Virgo.

En el caso de galaxias enanas de baja masa , el cese de la formación estelar también es causado por interacciones que no requieren la fusión de galaxias. Uno de estos fenómenos es el desprendimiento por presión de ariete , que ocurre cuando una galaxia enana pasa a través del medio denso y caliente en el centro de un cúmulo de galaxias. Actuando como un fluido , este medio intracúmulo ejercerá una fuerza de arrastre que supera el potencial gravitatorio de la galaxia que pasa y eliminará su gas a través de colas alargadas . [ 35 ] [ 36 ] El desprendimiento por presión de ariete se ha observado en cúmulos como Virgo . Las simulaciones cosmológicas muestran que este proceso tiene una escala de tiempo rápida de 200 millones de años, [ 37 ] y puede eliminar todo el gas en galaxias enanas cuya masa estelar es menor a 10 7 masas solares. [ 38 ]

Otro mecanismo implica un corte del suministro de gas que proviene de la corona caliente alrededor de una galaxia enana. [ 39 ] En teoría, el gas en esta corona puede enfriarse, caer en el disco galáctico y alimentar la formación estelar. Sin embargo, a medida que la galaxia pasa por un entorno denso, la presión dinámica puede eliminar este gas caliente de la galaxia a un ritmo más lento que el desprendimiento. [ 40 ] Como resultado, el suministro de gas se cortará durante un período prolongado de unos pocos miles de millones de años. [ 37 ] Este fenómeno tiene varios nombres en la literatura, incluyendo extinción lenta , inanición y estrangulación . [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]

Las galaxias enanas también pueden perder gas por acoso . [ 44 ] Esto ocurre cuando una galaxia cae en el centro de un cúmulo y experimenta frecuentes encuentros cercanos a alta velocidad con las galaxias que lo componen. Perturbada por estos encuentros, la galaxia que cae puede cambiar de forma y redistribuir su material (de manera similar al caso de fusión), lo que da lugar a un estallido de formación estelar que finalmente agota su contenido gaseoso. [ 37 ] [ 45 ]

Críticas al uso del lenguaje

La aplicación de palabras como despojo , inanición , estrangulación y acoso a mecanismos galácticos ha sido criticada entre los astrónomos por sus connotaciones innecesarias de violencia doméstica y de género . [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] Además, términos como inanición y estrangulación se consideran inexactos, porque los procesos humanos que describen originalmente a menudo conducen a la muerte, mientras que las galaxias enanas que experimentan estos fenómenos no "mueren", sino que simplemente forman estrellas a un ritmo más reducido. [ 46 ]

Mini-enfriamiento

A veces, las galaxias pueden sufrir una extinción temporal, en un proceso llamado mini-extinción . Galaxias con masas entre107−109METRO⊙{\displaystyle 10^{7}-10^{9}M_{\odot }}Pueden sufrir un mini-apagado a través de los mismos procesos que las galaxias totalmente apagadas, tanto ambientales como internos. A diferencia de las galaxias apagadas, las galaxias con mini-apagado experimentan eventos de formación estelar después del mini-apagado. [ 49 ] Esto también puede describirse como una formación estelar explosiva.

A desplazamientos al rojo muy altos (z>7{\displaystyle z>7}Se estima que 1 de cada 35 galaxias no quiescentes puede sufrir mini-apagado. [ 50 ] También se ha observado una correlación entre el tamaño de las galaxias y su probabilidad de sufrir mini-apagado, ya que las galaxias menos masivas y menos luminosas tienen tasas más altas de mini-apagado. [ 51 ]

Terminología

Además de extinguida o quiescente , una galaxia que ha detenido su formación estelar también puede denominarse pasiva o de tipo temprano . Esta última descripción proviene del diagrama de diapasón de Hubble , donde las galaxias elípticas y lenticulares, que suelen estar extinguidas, se ubican en el lado izquierdo, de ahí su clasificación como tempranas (en contraposición a las galaxias espirales de tipo tardío , que se encuentran en el lado derecho). Existen ideas erróneas de que Edwin Hubble dispuso el diagrama y nombró los tipos de galaxias de esta manera porque pensaba que las elípticas de tipo temprano evolucionarían en espirales de tipo tardío; [ 52 ] sin embargo, advirtió en un artículo de 1927 que la posición en el diagrama no pretendía mostrar ninguna evolución, y que “las connotaciones temporales se hacen bajo riesgo”. [ 53 ]

Referencias

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