4 Después del encendido... la evolución

4 – EVOLUCIÓN Y MADUREZ DE LA GALAXIA

 

4.1. De la infancia a la madurez galáctica

Una vez encendidas las primeras generaciones de estrellas, la galaxia deja de ser un sistema en puro colapso y pasa a una fase de equilibrio dinámico y energético. El gas, el polvo, las estrellas y el halo de materia oscura comienzan a interactuar mutuamente, determinando la estructura y evolución a largo plazo. En esta etapa, el sistema se asemeja más a un organismo que regula su propio metabolismo, en el que la formación de estrellas, la pérdida de gas y el intercambio de momento angular se auto-regulan, estableciendo un equilibrio entre gravedad, rotación y energía interna.

4.2. Curvas de rotación: el indicio de la materia oscura

Uno de los rasgos más notables de las galaxias maduras es su curva de rotación, es decir, la velocidad orbital de las estrellas y el gas en función de la distancia al centro. Si toda la masa visible estuviera concentrada en el disco y el bulbo, la velocidad de rotación debería disminuir con la distancia, siguiendo una ley de tipo kepleriano:

v(r) = ( G·M(<r) / r )^1/2

Para una masa total M concentrada en el centro, eso daría:

v(r) ∝ r^-1/2

Sin embargo, las observaciones muestran que las curvas de rotación son planas, la velocidad se mantiene casi constante incluso muy lejos del disco visible. Esto implica que la masa contenida dentro del radio r sigue creciendo con r, aún cuando la luminosidad superficial ya cayó casi a cero.
La primera interpretación coherente que se hizo de este fenómeno fue la existencia de un halo de materia oscura que domina la masa total del sistema. Podemos representarlo conceptualmente así, en el bulbo central la velocidad crece aproximadamente lineal con r (este es el régimen en el interior de un sólido). En el disco alcanza un máximo y luego se mantiene casi constante. Más allá del disco la luminosidad cae, pero la velocidad no, esto es lo que se entiende como  evidencia del halo. En forma simple, si v(r) ≈ constante, entonces

M(<r) ≈ (v² / G) · r

Entonces la masa aumenta proporcionalmente al radio, lo que requiere una densidad promedio ρ(r) ∝ 1/r², coincidente con los perfiles tipo NFW descritos en el capítulo 2.

4.3. Equilibrio virial global

El estado de equilibrio dinámico de una galaxia puede aproximarse por el teorema del virial, ya introducido en el contexto de los halos oscuros:

2·E_cinética + E_potencial = 0

Donde E_cinética representa la energía de rotación y dispersión estelar y E_potencial es la energía gravitatoria (negativa). Este equilibrio implica que la galaxia, en conjunto, ha alcanzado una configuración estable, pues
no colapsa ni se dispersa globalmente, aunque localmente ocurran variaciones (formación estelar, supernovas, colisiones de nubes, etc.).

A partir del virial se puede estimar la masa total del sistema a partir de la velocidad típica de sus componentes,

M_total ≈ (R · v²) / G

donde R es el radio característico y v la velocidad promedio de rotación.
Este método, conocido como masa dinámica, confirma que la masa total es muy superior a la masa visible. De aquí se deduce la proporción entre masa visible (bariónica) y masa de materia oscura.

4.4. Retroalimentación a gran escala

Durante su madurez, la galaxia mantiene un ciclo de materia y energía que regula su evolución interna:

1.     Formación estelar, el gas frío del disco forma nuevas estrellas.

2.     Retroalimentación, las estrellas masivas liberan energía, calentando el gas y expulsando parte hacia el halo.

3.     Enfriamiento y retorno, el gas caliente del halo se enfría y vuelve a caer, alimentando otra vez el disco.

Este ciclo, conocido como “fountain galáctica” o fuente galáctica,                     mantiene la tasa de formación estelar dentro de un rango estable.
Si la retroalimentación es débil, el gas se consume rápidamente y la galaxia se “apaga”; si es excesiva, el gas es expulsado y la galaxia queda estéril.

El equilibrio entre estos efectos determina el ritmo de vida de cada tipo galáctico. Así, en las galaxias espirales el régimen de autorregulación es moderado, en las galaxias elípticas, el colapso es rápido y seguido de agotamiento del gas, en las galaxias enanas, estas son más sensibles a la retroalimentación y a la pérdida de masa.

4.5. Interacciones y evolución morfológica

Las galaxias no evolucionan aisladas. El universo está lleno de grupos y cúmulos donde la interacción gravitatoria es intensa.
Los encuentros y fusiones entre galaxias son uno de los principales motores de evolución morfológica. Algunas consecuencias típicas de esto son:

·        Perturbaciones de marea que generan brazos espirales, colas y puentes de materia.

·        Fusiones menores que engrosan el disco y aumentan el bulbo central.

·        Fusiones mayores que destruyen la estructura en disco y originan galaxias elípticas.

Durante estos eventos, se disparan brotes de formación estelar (starbursts), ya que el gas comprimido por las mareas alcanza densidades muy altas. Estas interacciones explican la diversidad morfológica observada en el universo actual y su evolución con el tiempo cósmico.

4.6. Enriquecimiento químico y reciclaje

Cada generación estelar modifica la composición del gas interestelar. Las estrellas masivas mueren como supernovas, inyectando elementos pesados en el medio. El gas enriquecido se mezcla con el remanente frío del disco y da origen a nuevas estrellas con metalicidad creciente. Podemos expresar el cambio en la fracción de metales Z(t) mediante una ecuación de balance simple:

dZ/dt ≈ y · (1 − R) · ψ(t) / M_gas

donde
y = rendimiento medio de metales por generación estelar,
R = fracción de masa reciclada por supernovas,
ψ(t) = tasa de formación estelar,
M_gas = masa total de gas disponible.

El resultado global es una evolución química secular, que se repite en cada ciclo  en la que el gas se empobrece, las estrellas se enriquecen, y la metalicidad promedio aumenta con el tiempo.

4.7. El papel estabilizador de la materia oscura

El halo de materia oscura no sólo aporta masa, también es el esqueleto dinámico que estabiliza la galaxia. Al extenderse mucho más allá del disco visible, actúa como un “ancla” gravitatoria que impide que las perturbaciones locales destruyan la estructura global. Simulaciones numéricas muestran que, sin el soporte del halo, las galaxias espirales serían mucho más inestables frente a la formación de barras o al desprendimiento de brazos. El halo oscuro absorbe parte del momento angular transferido por el disco y suaviza las oscilaciones globales.

Por eso, en el modelo ΛCDM, el halo de materia oscura es considerado indispensable para la estabilidad de las galaxias a largo plazo.

4.8. Resumen del Capítulo 4

1.     Tras el encendido estelar, la galaxia alcanza un estado de equilibrio virial.

2.     Las curvas de rotación planas evidencian la presencia de un halo de materia oscura.

3.     La retroalimentación energética regula el ciclo del gas y la formación de nuevas estrellas.

4.     Las interacciones gravitatorias con otras galaxias moldean su morfología.

5.     El enriquecimiento químico y el halo oscuro determinan su estabilidad y evolución a largo plazo.

En este punto, la galaxia ya puede considerarse un sistema maduro luminoso, estructurado y estable. A partir de aquí comienza la fase de interacciones, fusiones y evolución secular que definirá su destino final.