• Teoría de las Ondas de densidad

Como hemos dicho anteriormente los brazos espirales están formados por nubes interestelares, estrellas jóvenes O y B, cúmulos abiertos y nebulosas de emisión. La conclusión obvia es que los brazos de espiral son las partes del disco galáctico donde la formación estelar tiene lugar. Un problema importante es entender como la estructura espiral persiste durante largos periodos de tiempo, ya que sí la duración fuese corta las galaxias espirales serían raras en el Universo, hecho que es contrario a las observaciones, los 2/3 de las galaxias observadas son espirales. Sabemos que el disco tiene rotación diferencial, las partes internas del disco galáctico rotan más rápidamente que las partes externas, esto hace imposible que cualquier estructura a gran escala ligada a la materia del disco sobreviva mucho tiempo.

Sabemos que el Sol a unos 8 kpc del centro tarda unos 225 millones de años en recorrer su órbita galáctica alrededor del centro. Como tiene unos 4500 millones de años, el sistema solar ha dado unas 20 vueltas alrededor del centro desde que se formó. Sin embargo, en el mismo tiempo, las estrellas más próximas al centro han dado muchas más vueltas y las estrellas del borde del disco han dado menos vueltas. El resultado es que una estructura espiral constituida por el mismo grupo de estrellas y gas necesariamente se disiparía y desaparecería en unos pocos cientos de millones de años. Así los brazos de espiral no pueden ser simplemente regiones densas de formación estelar orbitando junto con el resto del disco galáctico. Esto es, los brazos espirales no pueden participar de la rotación diferencial.

Lin y Shu en 1963 han desarrollado una teoría que trata de explicar como se pueden mantener los brazos espirales, es la llamada teoría de ondas de densidad. En este modelo los brazos de espiral se consideran áreas de mayor densidad en el disco galáctico a través de las cuales las estrellas, el gas y el polvo se mueven. Los brazos de espiral son pues ondas de densidad que recorren una trayectoria rotando rígidamente en un disco con rotación diferencial. La base física del modelo de ondas de densidad se ilustra por la respuesta del gas, polvo y estrellas a un campo gravitacional rígido en forma espiral, superpuesto a un disco en rotación diferencial. La Figura 7-1-9 muestra el disco rotando en la dirección de las agujas del reloj, las líneas representan órbitas circulares que existirían sí no hubiese el campo gravitacional en espiral. El mínimo de la perturbación gravitacional en espiral es la línea fuerte, que gira rígidamente con velocidad angular W _p en la misma dirección que el polvo, gas y estrellas que se mueven con su velocidad local de rotación,W . El resultado es una rotación rígida superpuesta a un disco con rotación diferencial.

Según esta teoría la Galaxia se trata como un fluido de estrellas, polvo y gas en el que se supone la existencia de una perturbación del potencial gravitacional en forma espiral, que se superpone a la rotación galáctica. Esta onda se desplaza con velocidad angular constante, en nuestra Galaxia la velocidad es W _p = 11 - 14 km s^-1 kpc^-1, luego tarda en dar una revolución 2p / W _p = (2p /11) 3.086 x 10¹⁶ = 5 x 10⁸ años, la onda de densidad se mueve unas 2.5 veces más lenta que las estrellas y el gas (el Sol tarda unos 225 x 10⁶ años).

Continuando con la Figura 7-1-9 sí consideramos en b una órbita no perturbada, ya que equidista de dos brazos la fuerza gravitacional neta es cero y su órbita no se perturba permanece circular. Continuando en su movimiento tiende a moverse más cerca del brazo externo en el punto c, donde dominará su fuerza gravitacional y la materia tiende a moverse en órbitas ligeramente mayores donde, según las leyes de Kepler, su velocidad lineal es menor. Argumentos similares indican que las estrellas o el gas que dejan el brazo espiral cerca del punto a tardan más en alcanzar el punto b en su movimiento alrededor del centro. Como resultado las estrellas, el polvo y el gas se acumulan a lo largo del potencial gravitacional en espiral. Este proceso tiende a automantenerse, ya que la materia añadida mantiene el potencial existente conforme otra lo deja. Las estrellas y el gas se mueven, por tanto, en órbitas perturbadas representando, el potencial gravitacional en espiral, la perturbación. La frecuencia con que la materia del disco produce un potencial gravitacional en espiral mínimo, está determinada por la velocidad local de rotación angular de la materia respecto al disco: W - W _p.

El papel que desempeña la teoría de las ondas de densidad en el mantenimiento de la estructura espiral se puede ilustrar con el siguiente ejemplo: Supongamos una carretera por la que circula en una hora punta un camión a 20 km/h. Debido a esta circunstancia los vehículos que circulan en el mismo sentido, por ejemplo a una velocidad media de 80 km/h, son obligados a reducirla cuando llegan a sus proximidades, produciéndose así lo que se conoce como un tapón de tráfico, donde la densidad de vehículos es máxima. Pasado un tiempo pueden adelantar al camión y consiguen alcanzar otra vez su velocidad media. En el curso del tiempo irán renovándose los vehículos que forman el tapón. Sí se fotografía la carretera en instantes diferentes desde un helicóptero, se observa que el tapón se desplaza a la misma velocidad que el camión, que es distinta de la velocidad media de los coches. En nuestra Galaxia, los vehículos son las estrellas, el polvo y el gas y el tapón de tráfico es la onda de densidad, que se mueve a una velocidad diferente y tiene forma de espiral, frena a los objetos estelares a su llegada, permanecen allí un tiempo y después salen del brazo espiral.

Este modelo de ondas de densidad predice la formación de estrellas a lo largo de los bordes internos de los brazos espirales. Los brazos de espiral son simplemente trayectorias que se mueven a través del disco, que no transportan grandes cantidades de materia de un lugar a otro. Las ondas de densidad se mueven a través de las estrellas y gas comprimiendo el disco, igual que las ondas sonoras se mueven a través del aire o en un océano las olas pasan a través del agua, comprimiendo diferentes partes del disco en diferentes instantes. Dentro de unos 15 kpc del centro la onda espiral rota más lentamente que las estrellas y el gas, así la materia que entra en la onda es temporalmente frenada y comprimida conforme pasa y después continua su camino. Conforme el gas entra en el brazo por la parte interna se comprime y forma estrellas. Las estrellas y sobre todo el gas sufren un frenado, al entrar por el borde interno del brazo, que aumenta la presión. La materia se acumula en la zona de frenado y la compresión origina el proceso de formación estelar, una parte del gas se transforma en estrellas y las más masivas formadas ionizan el gas formando regiones H II. Como las estrellas O y B y las regiones H II tienen una vida corta, su posición debe dibujar los brazos espirales y esto es efectivamente lo que se observa. La formación de estrellas es tanto mayor cuanto más fuerte es la compresión y por lo tanto la Galaxia gira más deprisa. Así es mayor hacia el interior de la Galaxia que hacia el exterior y se anula cuando la velocidad de la onda es igual a la velocidad de rotación galáctica. Lo que explica que no se encuentren regiones H II más allá de 15 kpc a pesar de la presencia de mucho gas.

¿Como se establece la perturbación inicial en el disco? No hay una única respuesta, se cree que puede ser debida: (1) a inestabilidades en el gas (fuerzas no gravitacionales) cerca del bulbo galáctico, (2) efectos de marea de galaxias próximas, como las Nubes de Magallanes y (3) colisiones galácticas, ya que muchas galaxias espirales parecen haber experimentado interacciones gravitacionales con sistemas próximos.