¿Giran todas las galaxias en el mismo sentido?

Mike, de la Agrupación Astronómica de Ibiza (aquí su Facebook, que recomiendo seguir por su labor divulgativa), me preguntó hace poco si las galaxias giran todas en el mismo sentido. Aunque parezca mentira, la respuesta a esta pregunta, tan inocente a primera vista, nos puede proporcionar información muy interesante sobre el origen del universo. Más concretamente, saber si la mayoría de las galaxias gira en una dirección concreta nos permitiría deducir si el universo está rotando o no.

Xro k m dise d k l huniberso sta rotando lokoh? k tas fumao jaja

Quédate conmigo hasta el final de la entrada y lo descubrirás, voz cursiva. Empecemos hablando del momento angular.

El momento angular es una magnitud que nos dice la “cantidad” de movimiento rotacional de un objeto o un sistema que… Bueno, que está girando sobre su propio eje o en el que hay algo dando vueltas alrededor de otra cosa. Esta cantidad depende de la velocidad de los objetos implicados y de cómo está distribuida su masa alrededor del eje de rotación (su inercia, que trataré en un momento). Cuanto más rápida y masiva sea una cosa y más lejos se encuentre del eje de rotación, más momento angular tendrá. O poseerá una mayor “cantidad de movimiento rotacional“, que es una expresión más fácil de entender.

E, igual que la energía ni se crea ni se destruye, el momento angular de un sistema se conserva con el tiempo.

A vuestro paso por las clases de física del instituto habréis escuchado/visto unas doscientas mil veces el ejemplo de la patinadora sobre hielo que da vueltas a una velocidad concreta con los brazos estirados y que, en el momento en que acerca los brazos hacia su cuerpo, sin necesidad de hacer ningún otro esfuerzo por su parte, empieza a girar más deprisa.

En este vídeo podréis apreciarlo mucho mejor, si hasta ahora sólo habíais visto este fenómeno en diagramas:

El principal causante de este efecto es la inercia, que viene del latín “inertis“, “falta de vida o de reacción“. Esta propiedad es el equivalente a la “resistencia” que ofrece un objeto al movimiento y depende de su forma y su masa.

Las figuras compactas y simétricas ofrecen menos resistencia al movimiento que las que tienen su masa más alejada del eje de rotación. Es por eso que cuando la patinadora acerca los brazos a su eje de rotación, reduce la resistencia de su cuerpo al movimiento y, como su momento angular debe permanecer constante, la reducción de la inercia provoca un aumento de su velocidad.

¿Y entonces cómo explicas que la patinadora frene, si el momento angular se conserva? ¿No debería estar el mundo invadido por aprendices de patinaje incapaces de parar de girar?

No, hombre, que el momento angular se conserve no impide que una fuerza externa no pueda contrarrestarlo aplicando un momento en el sentido contrario. La ley de la conservación del momento angular se sigue cumpliendo y por eso la patinadora del ejemplo puede frenar cuando quiera usando sus patines.

Y, ya que estamos hablando de fuerzas externas, abandonemos la superficie terrestre.

La conservación del momento angular también afecta a los cuerpos celestes. Es por eso que, suponiendo que en el espacio no existiera ningún tipo de rozamiento en absoluto, la Tierra podría dar vueltas alrededor del sol eternamente.

Pero en el espacio sí que hay algo de rozamiento porque no está completamente vacío. Muy poco, por supuesto, pero algo hay. Por otro lado, la Tierra emite una cantidad ínfima de energía en forma de ondas gravitacionales. O sea, que no daría vueltas alrededor del sol para el resto de la eternidad porque estos dos factores son la “fuerza externa” que se va oponiendo al movimiento de la Tierra, reduciendo su momento angular y, con el tiempo, a lo largo de cientos de miles de millones de años, reduciendo significativamente su velocidad.

¿Cómo que irían? ¿Qué quiere decir ese condicional?

Nada que, en la vida real, es muy probable que la Tierra no exista durante el tiempo suficiente como para notar las consecuencias de estos efectos tan insignificantes, ya sea porque el sol se habrá convertido en una gigante roja en unos 4.000 millones de años o por cualquier otro motivo, como la colisión de la Vía Láctea con Andrómeda u otras galaxias. De aquí a la eternidad pueden pasar muchas cosas.

Pero, bueno, la cuestión es que en el instante en el que una fuerza actúe sobre la Tierra, haciendo que gane o pierda velocidad, su momento angular deberá conservarse. Esto significa que, si su velocidad se ve afectada y pierde momento angular, el radio de su órbita variaráSi la velocidad de la Tierra aumentara, el radio de su órbita también crecería y nos alejaríamos del sol. Si su velocidad disminuyera, entonces el radio disminuiría y nos acercaríamos a él.

Y quien dice “la Tierra“, dice “cualquier objeto que esté en órbita alrededor de otro“, por supuesto.

Pero, ¿y qué pasaría si la Tierra explotara? ¿Podríamos hackear así la conservación del momento angular?

No sé a qué viene esta pregunta tan imprevista, voz cursiva, pero viene de perlas para encaminar la entrada hacia su destino.

La conservación del momento angular también se conserva durante una explosión: cuando un objeto explota, la suma de los momentos angulares de todos los trozos que salen despedidos serán iguales al momento angular inicial del cuerpo. Esto significa que, tras la explosión, por cada pedazo de la Tierra que empezara a moverse en una dirección, algo de masa saldría despedida en dirección contraria para compensar el movimiento y conservar el momento angular inicial del sistema.

Si el objeto en cuestión está quieto en el momento de la explosión, y por tanto no tiene momento angular, entonces el momento angular combinado de todos los pedazos que salen disparados también será cero… Lo que se traduce en que la metralla se esparcirá de manera más o menos uniforme en todas las direcciones.

Pero este escenario no es realista si hablamos de la explosión de la Tierra, ya que nuestro planeta no sólo está dando vueltas alrededor del sol, sino también girando sobre su propio eje, así que su momento angular no es nulo. Por tanto, los pedazos que resultarían de la explosión de la Tierra no se esparcirían en todas las direcciones por igual, sino que tendrían unas trayectorias preferidas. En el minuto 1:07 de este vídeo, por ejemplo, se puede ver un cohete estallando en el aire y cómo la mayoría de los pedazos resultantes salen disparados en la dirección del movimiento.

Y, cuando tienen lugar “explosiones” a escalas colosales, de las que salen despedidas masas tan grandes como para que la gravedad que producen las atraiga y formen galaxias, que la materia tenga una dirección preferida en la que moverse puede hacer que todos estos escombros resultantes tiendan a arremolinarse en un sentido concreto cuando la gravedad hace de las suyas.

Espera, espera, no tendrá todo esto algo que ver con el Big Bang, ¿no?

Efectivamente, voz cursiva, hoy estás on fire.

Ante nada, el Big Bang no fue una explosión, como comentaba en esta otra entrada.  Eso no quita que la expansión del espacio y la materia que contiene no tenga que respetar la conservación del momento angular: igual que la energía del universo y su carga eléctrica total permanecen constantes a lo largo del tiempo, también lo hace su momento angular.

Si el universo empezó sin ningún tipo de momento angular, entonces la materia no tendrá una dirección de rotación preferida y observaremos que el momento angular de todas las galaxias que giran en una dirección (teniendo en cuenta su masa y su velocidad) contrarresta el momento angular de las que giran en la dirección opuesta.

Pero, en cambio, si el universo se hubiera formado con cierto momento angular inicial, entonces la materia que contiene tendería a moverse en una dirección concreta, lo que favorecería la formación de galaxias que giraran en una dirección determinada. Por tanto, si observáramos que una mayor cantidad de galaxias tiende a girar en una dirección en vez de otra, significaría que el universo tiene momento angular y, más loco aún, que podría estar rotando.

La cuestión es que, después de que los astrónomos hayan estudiado miles de galaxias, la respuesta es…

подождите минутку! Me he leído tu libro sobre historia de la astronomía, El universo en una taza de café, y en él mencionas cómo apenas podemos percibir el movimiento de las estrellas que se encuentran a unos pocos miles de años luz de distancia. Entonces, ¿cómo se supone que vamos a poder observar la rotación de una galaxia que está a millones de años luz?

Uf, menos mal que me has interrumpido. Muy buena pregunta, voz cursiva.

Como bien dices, observar directamente el movimiento de las estrellas alrededor del centro de otras galaxias es una tarea imposible debido a su lejanía. Por suerte, como comento en el libro al hablar sobre la velocidad de las estrellas, el efecto Doppler está de nuestra parte.

Este mismo efecto, responsable de que escuchemos el sonido de una sirena con un tono más agudo si se acerca hacia nosotros y más grave si se aleja, también afecta a la luz: la luz emitida por un objeto que se acerca hacia nosotros nos parecerá más azulada porque las ondas se están comprimiendo en nuestra dirección, y las cosas que se alejan tienen una tonalidad más rojiza porque sus ondas se estiran desde nuestro punto de vista. Hablaba de este fenómeno con más detalle en esta otra entrada sobre el Big Bang.

Por otro lado, podemos descomponer la luz de las estrellas o las galaxias pasándola a través de un prisma para ver el arcoiris que forma (su espectro, dicho de manera más profesional). Si tenemos a nuestra disposición las herramientas necesarias, veremos que en unas posiciones concretas del arcoiris aparecen una serie de líneas negras verticales que representan las longitudes de onda (o los colores) que han sido absorbidos por los elementos a través de los cuales ha pasado el rayo de luz.

Cuando la fuente de luz que estudiamos está quieta, entonces estas líneas, que son específicas para cada elemento y están siempre en las mismas posiciones, aparecerán en la posición en la que esperarías encontrarlas.

Las líneas espectrales del hidrógeno. (Fuente)

Pero, cuando la fuente de luz está en movimiento, la cosa cambia.

Si un objeto se acerca hacia nosotros, todo el espectro de la luz que emite se comprimirá en nuestra dirección y estas líneas negras del espectro migrarán hacia en la zona ultravioleta del espectro electromagnético. Si el objeto se aleja, las ondas se estirarán y las líneas se moverán hacia el infrarrojo. Observando los cambios de posición de estas líneas en la luz de distintas partes de una galaxia, podemos ver qué zonas de la galaxia se están moviendo hacia nosotros y cuáles se están alejando.

(Fuente)

Y, por supuesto, saber qué parte de la galaxia se mueve hacia nosotros y cuál se aleja nos permite deducir su dirección de rotación.

Perfil de velocidades del gas de la galaxia M33, usando el efecto Doppler. (Fuente)

Esta misma técnica nos permite también calcular la velocidad a la que están rotando las estrellas y, estimando su masa, somos capaces de aproximar momento angular de miles de galaxias y, por tanto, aproximar el momento angular total del universo.

Eso sí, también existe una opción mucho menos aparatosa, aunque no del todo precisa, que simplemente consiste en mirar la forma de los brazos espirales de una galaxia y asumir que están curvados en dirección de su rotación. Al parecer, este método es efectivo en el 96% de los casos.

¡Bueno, suficiente información por ahora! ¿Cuál es el resultado de estos estudios?

Pues de momento hay pocos resultados. Y además son variados.

Un estudio de 2008 analizó 37.000 galaxias y concluyó que las que giran un una dirección compensan el momento angular de a las que giran en la otra. Según este estudio, el momento angular total del universo sería nulo y, como consecuencia, el universo no habría empezado con ningún tipo de rotación.

Cabe destacar que este estudio está basado en el segundo método “menos preciso” que he comentado, implementado en un proyecto que se llama Galaxy Zoo (www.galaxyzoo.org) y que consiste en ofrecer imágenes de galaxias al público para que vosotros mismos las ayudéis a catalogarlas según sus propiedades físicas.

Algunas galaxias especialmente llamativas que me han salido estos días en Galaxy Zoo.

Lo comento porque me ha parecido una actividad muy constructiva para los ratos muertos, sobre todo si os gusta la astronomía y queréis ver cómo son la inmensa mayoría de las fotos de galaxias “entre bastidores“.

Pero resulta que también hay otro estudio de 2011 en el que se analizaron 15.158 galaxias espirales y se descubrió que, en la dirección del polo norte galáctico, un 7% más de las galaxias observadas tienden a rotar en la dirección contraria a las agujas del reloj. Se trata de una proporción pequeña, pero suficientemente significativa como para sugerir el universo podría estar rotando.

Eso sí, hay que tener en cuenta que los datos fueron tomados en su mayoría desde el hemisferio norte y, por si acaso, se está trabajando en analizar también las galaxias visibles desde el hemisferio sur para comprobar si esta anomalía se ve compensada en la dirección opuesta del cielo.

Y… La verdad es que poco más se ha avanzado en este tema.

De momento no hay ningún consenso sobre si el universo está rotando o no, pero se trata de un escenario completamente compatible con la teoría de la relatividad de Einstein que, según este otro artículo científico, podría explicar la naturaleza de la “energía oscura” que aleja de nosotros las galaxias a un ritmo mayor cuanto más lejos se encuentran de nosotros. Simplificando bastante, si el universo rotara, esta energía oscura no sería más que la fuerza centrífuga generada por la rotación.

Por otro lado,  la radiación de fondo de microondas (de la que también hablaba en esta entrada sobre el Big Bang) no presenta señales de haber sido alterada por una rotación rápida, pero sí que podría seguir teniendo el aspecto que observamos si el universo rotara a un ritmo muy lento. En este otro artículo se calcula que, para observar la radiación de fondo como la vemos, el universo podría rotar hasta a un ritmo máximo de 0,0000000573º anuales allí donde se encuentran hoy en día la materia que emitió la radiación de fondo de microondas. O sea que, como mucho, viviríamos en un universo cuya “parte más externa” completaría una vuelta cada 6.300 millones de años, más o menos.

Pero, bueno, aunque el ritmo al que descubrimos nuevos aspectos sobre el universo ha aumentado muchísimo durante el último siglo, el progreso sigue siendo más lento de lo que a la mayoría nos gustaría. Así que, de momento, no nos quedará más remedio que esperar (o estudiar astrofísica y ayudar a desentrañar estos misterios).

Aunque podéis amenizar esa espera leyendo lo que os voy a comentar a continuación (guiño, guiño).

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂