Cuántas Galaxias Hay?

Las galaxias, esas vastas colecciones de estrellas que pueblan nuestro universo, están por todas partes. Pero, ¿cuántas galaxias hay en el universo? Contarlas parece una tarea imposible. Los números simples son un problema: una vez que el recuento llega a los miles de millones, se necesita un tiempo para hacer la suma. Otro problema es la limitación de nuestros instrumentos. Para obtener la mejor vista, un telescopio debe tener una gran abertura (el diámetro del espejo o lente principal) y estar ubicado por encima de la atmósfera para evitar la distorsión del aire de la Tierra.

Quizás el ejemplo más resonante de este hecho es el Campo Profundo Extremo del Hubble (XDF), una imagen hecha combinando 10 años de fotografías del Telescopio Espacial Hubble. El telescopio observó una pequeña porción de cielo en visitas repetidas durante un total de 50 días, según la NASA. Si sostuvieras el pulgar a lo largo del brazo para cubrir la luna, el área XDF sería del tamaño de la cabeza de un alfiler. Al recoger luz tenue durante muchas horas de observación, el XDF reveló miles de galaxias, tanto cercanas como muy distantes, lo que la convirtió en la imagen más profunda del universo jamás tomada en ese momento. Así que si ese pequeño punto contiene miles, imaginen cuántas galaxias más se podrían encontrar en otros puntos.

Si bien las estimaciones entre los diferentes expertos varían, un rango aceptable es de entre 100 mil millones y 200 mil millones de galaxias, dijo Mario Livio, astrofísico del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland. Cuando se lance el Telescopio Espacial James Webb en 2020, se espera que el observatorio revele aún más información sobre las primeras galaxias del universo.

Yendo a lo profundo

Según el mejor conocimiento de Livio, el Hubble es el mejor instrumento disponible para el conteo y estimación de galaxias. El telescopio, lanzado en 1990, inicialmente tenía una distorsión en su espejo principal que se corrigió durante una visita del transbordador en 1993. El Hubble también fue sometido a varias actualizaciones y visitas de servicio hasta la misión final del transbordador allí en mayo de 2009.

En 1995, los astrónomos apuntaron el telescopio a lo que parecía ser una región vacía de la Osa Mayor, y recogieron 10 días de observaciones. El resultado fue un estimado de 3.000 galaxias débiles en un solo marco, con una magnitud de 30 grados. (Para la comparación, la Estrella polar o Polaris es alrededor de 2ª magnitud. Esta imagen compuesta se llamaba el Campo Profundo del Hubble y era la más lejana que alguien había visto en el universo en ese momento.

A medida que el telescopio Hubble recibía mejoras en sus instrumentos, los astrónomos repitieron el experimento dos veces. En 2003 y 2004, los científicos crearon el Campo Ultra Profundo del Hubble, que en un millón de segundos de exposición reveló unas 10.000 galaxias en un pequeño punto de la constelación de Fornax.

En 2012, de nuevo utilizando instrumentos mejorados, los científicos utilizaron el telescopio para observar una parte del Campo Ultra Profundo. Incluso en este campo de visión más estrecho, los astrónomos fueron capaces de detectar unas 5.500 galaxias. Los investigadores lo llamaron el Campo Profundo Extremo.

En total, el Hubble revela aproximadamente 100 mil millones de galaxias en el universo, pero es probable que este número aumente a unos 200 mil millones a medida que mejore la tecnología de los telescopios en el espacio, dijo Livio Space.com.

Contando estrellas

Sea cual sea el instrumento que se utilice, el método para estimar el número de galaxias es el mismo. Se toma la porción de cielo fotografiada por el telescopio (en este caso, el Hubble). A continuación, utilizando la proporción de la astilla de cielo a todo el universo, puede determinar el número de galaxias en el universo.

«Esto supone que no hay una gran varianza cósmica, que el universo es homogéneo», dijo Livio. «Tenemos buenas razones para sospechar que ese es el caso. Ese es el principio cosmológico.»

El principio se remonta a la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Einstein dijo que la gravedad es una distorsión del espacio y el tiempo. Con esa comprensión en la mano, varios científicos (incluido Einstein) trataron de entender cómo la gravedad afectaba a todo el universo.

«La suposición más simple de hacer es que si ve el contenido del universo con una visión suficientemente pobre, parecería aproximadamente el mismo en todas partes y en todas las direcciones», declaró la NASA. «Es decir, la materia en el universo es homogénea e isotrópica cuando se promedia a escalas muy grandes. Esto se llama principio cosmológico.»

Un ejemplo del principio cosmológico en funcionamiento es el fondo cósmico de microondas, radiación que es un remanente de las primeras etapas del universo después del Big Bang. Utilizando instrumentos como la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson de la NASA, los astrónomos han descubierto que el CMB es prácticamente idéntico dondequiera que se mire.

¿Cambiaría el número de galaxias con el tiempo?

Las mediciones de la expansión del universo, a través de galaxias que se alejan de nosotros, muestran que tiene aproximadamente 13,82 mil millones de años. Sin embargo, a medida que el universo envejece y se hace más grande, las galaxias se alejarán cada vez más de la Tierra. Esto hará que sean más difíciles de ver en los telescopios.

El universo se está expandiendo más rápido que la velocidad de la luz (lo que no viola el límite de velocidad de Einstein porque la expansión es del universo en sí, en lugar de de objetos que viajan a través del universo). Además, el universo se está acelerando en su expansión.

Aquí es donde entra en juego el concepto de «universo observable», el universo que podemos ver. En 1 a 2 billones de años, dijo Livio, esto significa que habrá galaxias que estarán más allá de lo que podemos ver desde la Tierra.

«Solo podemos ver luz de galaxias cuya luz tuvo suficiente tiempo para alcanzarnos», dijo Livio. «No significa que eso sea todo lo que hay en el universo. De ahí la definición del universo observable.»

Las galaxias también cambian con el tiempo. La Vía Láctea está en curso de colisión con la cercana Galaxia Andrómeda, y ambas se fusionarán en unos 4 mil millones de años. Más tarde, otras galaxias de nuestro Grupo Local, las galaxias más cercanas a nosotros, eventualmente se combinarán. Los residentes de esa galaxia futura tendrían un universo mucho más oscuro para observar, dijo Livio.

«Las civilizaciones comenzaron entonces, no tendrían evidencia de que hubiera un universo con 100 mil millones de galaxias», dijo. «No verían la expansión. Probablemente no serían capaces de decir que hubo un Big Bang.»

¿Qué pasa con otros universos?

A medida que el universo primitivo se inflaba, hay algunas teorías que dicen que diferentes «bolsillos» se rompieron y formaron diferentes universos. Estos diferentes lugares podrían expandirse a diferentes velocidades, incluir otros tipos de materia y tener leyes físicas diferentes a las de nuestro propio universo.

Livio señaló que podría haber galaxias en estos otros universos, si es que existen, pero no tenemos forma de saberlo con certeza en este momento. Así que el número de galaxias podría incluso ser mayor de 200 mil millones, si se consideran otros universos.

En nuestro propio cosmos, dijo Livio, los astrónomos estarán en mejores condiciones de refinar el número con el lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb (para el cual su instituto administrará las operaciones y la ciencia de la misión). El Hubble es capaz de mirar hacia atrás a las galaxias que se formaron unos 450 millones de años después del Big Bang. Después del lanzamiento de James Webb en 2020, los astrónomos anticipan que pueden mirar hasta 200 millones de años después del Big Bang.

«Los números no van a cambiar mucho», agregó Livio, señalando que las primeras galaxias probablemente se formaron no mucho antes de eso. «Así que un número como 200 mil millones es probablemente para nuestro universo observable.»

Las contribuciones de Webb

Si bien es interesante contar el número de galaxias en nuestro universo, los astrónomos están más interesados en cómo las galaxias revelan cómo se formó el universo. Según la NASA, las galaxias son una representación de cómo se organizó la materia en el universo, al menos a gran escala. (Los científicos también están interesados en los tipos de partículas y la mecánica cuántica, en el lado pequeño del espectro. Debido a que Webb puede mirar hacia atrás a los primeros días del universo, su información ayudará a los científicos a comprender mejor las estructuras de las galaxias que nos rodean hoy en día.

» Al estudiar algunas de las galaxias más antiguas y compararlas con las galaxias actuales, podemos comprender su crecimiento y evolución. Webb también permitirá a los científicos recopilar datos sobre los tipos de estrellas que existían en estas galaxias muy tempranas», dijo la NASA sobre la misión de Webb. «Las observaciones de seguimiento utilizando espectroscopia de cientos o miles de galaxias ayudarán a los investigadores a comprender cómo se formaron y acumularon elementos más pesados que el hidrógeno a medida que la formación de galaxias avanzaba a lo largo de los siglos. Estos estudios también revelarán detalles sobre la fusión de galaxias y arrojarán luz sobre el proceso de formación de galaxias en sí.»

Según la NASA, estas son algunas de las preguntas clave que Webb responderá sobre las galaxias:

  • ¿Cómo se forman las galaxias?
  • ¿Qué les da sus formas?
  • ¿Cómo se distribuyen los elementos químicos a través de las galaxias?
  • ¿Cómo influyen los agujeros negros centrales en las galaxias en sus galaxias anfitrionas?
  • ¿Qué sucede cuando las galaxias pequeñas y grandes chocan o se unen?

Los científicos también están interesados en el papel que desempeña la materia oscura en el ensamblaje de galaxias. Si bien parte del universo es visible en formas como galaxias o estrellas, la materia oscura es lo que constituye la mayor parte del universo, aproximadamente el 80 por ciento. Mientras que la materia oscura es invisible en longitudes de onda de la luz o a través de emisiones de energía, los estudios de galaxias que datan de la década de 1950 indicaron que había mucha más masa presente en ellas de la que era visible a simple vista.

«Los modelos de computadora que los científicos han hecho para comprender la formación de galaxias indican que las galaxias se crean cuando la materia oscura se fusiona y se agrupa», dijo la NASA. «Puede ser considerado como el andamiaje del universo. La materia visible que vemos se acumula dentro de este andamiaje en forma de estrellas y galaxias. La forma en que la materia oscura se ‘aglutina’ es que los objetos pequeños se forman primero, y se dibujan juntos para formar objetos más grandes.»

Los poderosos espejos de Webb permitirán a los científicos observar de cerca la formación de galaxias, incluido el papel de la materia oscura. Si bien esta investigación no responde directamente a cuántas galaxias hay en el universo, sí ayuda a los científicos a comprender mejor los procesos detrás de las galaxias que vemos, lo que a su vez informa mejor a los modelos sobre las poblaciones galácticas.

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