La formación de galaxias es una de las áreas de investigación más activas de la astrofísica, y en cierto sentido, esto también se aplica a la evolución de las galaxias. Sin embargo, hay algunas ideas que ya están ampliamente aceptadas.
Actualmente, se piensa que la formación de galaxias procede directamente de las teorías de formación de estructuras, formadas como resultado de las débiles fluctuaciones cuánticas en el despertar del Big Bang. Las simulaciones de N-cuerpos también han podido predecir los tipos de estructuras, las morfologías y la distribución de galaxias que observamos hoy en nuestro Universo actual y, examinando las galaxias distantes, en el Universo primigenio.
En astrofísica, las preguntas sobre la formación y evolución de las galaxias son acerca de :
Después del Big Bang, el universo tuvo un periodo en el que fue muy homogéneo. Tal como se observa en la radiación de fondo de microondas, las fluctuaciones son menores que una parte en cien mil.
La teoría más aceptada es que las estructuras que observamos hoy en día se formaron como consecuencia del crecimiento de fluctuaciones primordiales debido a la inestabilidad gravitacional. Las fluctuaciones primogenias causaron que los gases fueran atraídos hacia áreas de material más denso, jerárquicamente se formaron los supercúmulos, las agrupaciones galácticas, las galaxias, los cúmulos estelares y las estrellas. Una consecuencia de este modelo es que la localización de las galaxias indican áreas de alta densidad del universo primigenio. Así, la distribución de las galaxias está íntimamente relacionada con la física del Universo primigenio
Datos recientes aportan evidencias de que las primeras galaxias se formaron mucho más temprano de los que los astrónomos preveían, tan solo 400 millones de años después del Big Bang(esta fecha esta basada en la distancia observada de GN z11 13400 millones de años luz). Esto deja poco tiempo para que las pequeñas inestabilidades primordiales crezcan lo suficiente para que las protogalaxias formen galaxias.
Buena parte de los esfuerzos de investigación están centrados en los componentes de nuestra propia Vía Láctea, ya que es la galaxia más fácil de observar. Las observaciones que necesitan explicación, o al menos ser compatibles, en una teoría de la evolución galáctica son:
El 11 de julio de 2007, utilizando el telescopio de 10 metros Keck II en Mauna Kea, Richard Ellis del Instituto Tecnológico de California en Pasadena y su equipo encontraron seis galaxias con formación estelar a unos 13 200 millones de años luz y, por tanto, creadas cuando el universo solo tenía 500 millones de años.
La primera teoría moderna de la formación de nuestra galaxia (conocida por los astrónomos como ELS, las iniciales de los autores del artículo, Olin Eggen, Donald Lynden-Bell y Allan Sandage) describe un colapso monolítico simple (relativamente) rápido, primero formándose el halo, seguido del disco. Otra teoría publicada en 1978 (conocida como SZ por sus autores, Leonard Searle y Robert Zinn) describe un proceso más gradual, primero con el colapso de pequeñas unidades que se combinan para formar componentes mayores. Una idea más reciente es que una porción significativa del halo estelar podría provenir de los restos estelares de galaxias enanas destruidas y cúmulos globulares que orbitaron alguna vez la Vía Láctea. El halo entonces sería un componente "nuevo" hecho de partes "recicladas".
En los últimos años, se ha puesto mucha atención en la comprensión de los eventos de fusión entre galaxias dentro de la evolución galáctica. Los rápidos progresos tecnológicos en computación han permitido simulaciones de galaxias mucho mejores y las mejoras en las tecnologías observacionales han proporcionado muchos más datos sobre galaxias distantes experimentando eventos de fusión. Después del descubrimiento en 1994 de que nuestra propia Vía Láctea tiene una galaxia satélite (la Galaxia Enana Elíptica de Sagitario o SagDEG) que está actualmente siendo disgregada y "comida" por la Vía Láctea, se piensa que este tipo de eventos pueden ser muy comunes en la evolución de las galaxias grandes. Las Nubes de Magallanes son galaxias satélite de la Vía Láctea que casi seguramente compartirán el mismo destino que el SagDEG. La idea de una galaxia absorbedora con un gran número de galaxias satélite podría explicar por qué la galaxia M31 (la galaxia de Andrómeda) parece tener un núcleo doble.
La SagDEG está orbitando nuestra galaxia formando prácticamente un ángulo recto con el disco. Actualmente está pasando a través del disco, las estrellas están disgregándose de ella con cada paso y uniéndose al halo de nuestra galaxia. Finalmente, solo quedará el corazón de la SagDEG. Aunque tendrá la misma masa que un gran cúmulo globular como Omega Centauri o G1, pero parecerá diferente, ya que presentará una baja densidad superficial debida a la presencia de una cantidad substancial de materia oscura, mientras que los cúmulos globulares parece, misteriosamente, que contienen muy poca materia oscura.
Más ejemplos de galaxias satélite enanas que están en proceso de absorción con la Vía Láctea son la Galaxia Enana del Can Mayor, descubierta en 2003 y considerada como responsable del anillo de Monoceros y la Corriente Estelar de Virgo, descubierta en 2005.
Las galaxias elípticas gigantes probablemente se formaron por fusiones a una escala mayor. En el Grupo Local, la Vía Láctea y M31 (la galaxia de Andrómeda) están gravitacionalmente ligadas y actualmente se aproximan la una a la otra a gran velocidad. Como es muy difícil determinar la velocidad perpendicular de M31 respecto a nosotros, no sabemos a ciencia cierta si colisionará con la Vía Láctea. Si las dos galaxias se encuentran, pasarán una a través de la otra y la gravedad deformará ambas galaxias severamente expulsando gas, polvo y estrellas al espacio intergaláctico. Viajarán por separado, disminuyendo la velocidad y entonces serán arrastradas la una hacia la otra y colisionarán otra vez. Finalmente, ambas galaxias se habrán combinado completamente y las corrientes de gas y polvo estarán volando a través del espacio cerca de la recientemente formada galaxia elíptica gigante. Además, a partir del gas expulsado en la combinación, se pueden formar nuevos cúmulos globulares e incluso nuevas galaxias enanas que se conviertan en parte del halo de la elíptica. Los cúmulos globulares de la Vía Láctea y de M31 también formarán parte del halo. Los cúmulos globulares están tan ligados gravitacionalmente que son enormemente inmunes a las interacciones galácticas a gran escala. Si alguien está alrededor para observar la combinación, será un suceso lento pero magnífico. Se podrá ver una M31 distorsionada que se extiende espectacularmente por todo el cielo. De hecho, M31 ya está distorsionada: los bordes están combados. Esto es probablemente debido a interacciones con sus propias galaxias compañeras, así como por posibles fusiones con galaxias enanas esferoidales en el pasado reciente - los restos de los cuales siguen visibles en las poblaciones de disco.
En nuestra época, las grandes concentraciones de galaxias (agrupaciones galácticas y supercúmulos) se siguen ensamblando. Este cuadro ascendente es conocido como formación jerárquica de estructuras (similar al cuadro SZ de la formación de galaxias pero en una escala mayor).
Aunque conocemos una gran cantidad de información de nuestra galaxia y de otras, las preguntas más fundamentales sobre la formación y la evolución continúan siendo contestadas solo de manera tentativa.
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