Qué sabemos de la gigantesca nube de gas caliente que rodea nuestra galaxia

Fuente: Francis (th)E mule

No me gusta nada esta espectacular recreación artística que acompaña a la noticia del día, ”La Vía Láctea está rodeada de una gigantesca nube de gas caliente,” lainformacion.com, 25/09/2012. “El observatorio de rayos X Chandra descubre un gigantesco halo de gas caliente a su alrededor. Tiene cientos de miles de años luz y su masa es como la de todas las estrellas de la Vía Láctea. El observatorio Chandra midió ocho fuentes de rayos X situadas fuera de la galaxia y analizaron la forma en que los iones de oxígeno son absorbidos selectivamente en las proximidades de la galaxia. Si el tamaño y la masa estimadas de esta nube son correctas, el descubrimiento podría poner fin al conocido problema de los “bariones perdidos” de la galaxia.” Según las medidas cosmológicas del fondo cósmico de microondas el 73% del universo es energía oscura, el 23% es materia oscura y el 4% es materia (bariónica); por tanto, del total de la “materia” el 83% es materia oscura y el 17% es materia bariónica (recuerda 4/23*100=17). Sin embargo, en las estrellas y en el halo galáctico de la Vía Láctea solo se observa una pequeña parte de la materia (bariónica) que debería haber. El nuevo estudio apunta a una solución a este problema, la materia (bariónica) que falta estaría en la nube de gas ionizado de alta temperatura que rodea a nuestra galaxia. La noticia original es “The Milky Way’s Hot Gas Halo,” NASA, 24/09/2012, y “Galactic Halo: Milky Way is Surrounded by Huge Halo of Hot Gas,” Chandra, 24/09/2012.

Cualquiera que me lea va a pensar que tengo algo en contra de José Manuel Nieves, pero es que últimamente está sembrado. Su noticia “Una gigantesca nube de gas ardiente envuelve la Vía Láctea,” ABC.es, 25/09/2012 (lo de “ardiente” por “ionizado” tiene connotaciones que omitiré comentar), nos explica que los datos de los telescopios Chandra de la NASA (EEUU), XMM-Newton de la ESA (Europa), y Suzaku de la JAXA (Japón) han logrado determinar que “la temperatura del halo oscila entre los 100.000 y los 250.000 grados centígrados” [de dónde habrá sacado estos números, la noticia de la NASA pone entre 1 y 2,5 millones de grados], “varios cientos de veces más caliente que la superficie del Sol; [además] la masa del gas es realmente enorme, oscilando entre la de 10.000 y 60.000 millones de soles, quizá incluso más aún” [de hecho, el artículo original habla de más de 60.000 millones de soles]. La nube “se extiende como mínimo hasta varios cientos de miles de años luz” [el radio estimado es de unos 300 mil años luz], “pero podría llegar incluso a rodear todo nuestro grupo local de galaxias. Sea como sea, su masa es realmente enorme.” ¿Por qué no se ha detectado este halo extragaláctico con anterioridad? Porque “la densidad estimada del halo es tan baja que otros halos similares alrededor de otras galaxias han pasado, hasta ahora, inadvertidos.” Me parece que todo esto requiere una aclaración.

Lo primero, la noticia ya apareció antes del verano, cuando el artículo de Gupta et al. apareció en ArXiv y ha sido refrescada por la aceptación para publicación en MNRAS del artículo de Prateek Sharma, Michael McCourt, Ian J. Parrish, Eliot Quataert, “On the Structure of Hot Gas in Halos: Implications for the Lx-Tx Relation & Missing Baryons,” arXiv:1206.4314, Subm. 19 Jun 2012, que incorpora resultados de modelos numéricos. El artículo de Gupta et al. ya fue publicado en agosto en una revista internacional, A. Gupta, S. Mathur, Y. Krongold, F. Nicastro, M. Galeazzi, “A huge reservoir of ionized gas around the Milky Way: Accounting for the Missing Mass?,” The Astrophysical Journal Letters 756: L8, 2012 [arXiv:1205.5037, Subm. 22 May 2012]. Estos autores enviaron a MNRAS una versión más larga y detallada de dicho artículo Massimiliano Galeazzi, Anjali Gupta, Kevin Huffenberger, Eugenio Ursino, “Detection of X-ray Emission from the Warm-Hot Intergalactic Medium through the Angular Autocorrelation Function with Chandra,” arXiv:1205.5753, Subm. 25 May 2012.
Lo segundo, ¿cuál es el problema de la masa bariónica perdida? La teoría del big bang predice la cantidad de materia (bariónica) que se formó durante la nucleosíntesis primordial. Las medidas de la masa de las estrellas y del gas frío en las galaxias solo explica el ∼ 3% de dicha cantidad (ver siguiente párrafo). Por increíble que parezca, falta el 97% restante. La mayoría de los astrofísicos opinan que esta masa bariónica que falta se debe encontrar en el gas caliente altamente ionizado que se ha observado en el medio intergaláctico (llamado WHIM por Warm–Hot Intergalactic Medium). Estimar la cantidad de WHIM en el universo es difícil y muchos astrofísicos han recurrido a estimarla en el entorno de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Las estimaciones de la masa total de la Vía Láctea (basadas en su interacción con el resto de galaxias del Grupo Local) indican un valor alrededor de 2 billones de masas solares (200 × 10¹⁰ M⊙); este valor incluye el disco, el halo y el entorno circumgaláctico. La masa de sus estrellas del disco galáctico totaliza unos 0,05 billones de masas solares y el gas frío (en forma atómica o molecular) totaliza unos 0,01 billones de masas solares, totalizando unos 6 × 10¹⁰ M⊙, es decir, un 3% de su masa total. Si la materia (bariónica) es el 17% de la materia del universo, debería haber 34 × 10¹⁰ M⊙, por tanto ¿dónde está la materia que falta? Desde hace una década se cree que debe formar parte del gas caliente (o ionizado) que se encuentra más allá del halo galáctico, en el medio circumgaláctico. Las estimaciones de la cantidad de este gas ionizado se basaban en lo que ahora se llama gas “cálido” (warm), con temperatura inferior a un millón de grados, y arrojaban un valor inferior al necesario para explicar toda la materia bariónica.  ¿Dónde está el gas ionizado circumgaláctico que falta?

El nuevo artículo ha estudiado el efecto del gas ionizado de alta temperatura, entre uno y diez millones de grados, que no había sido estudiado con anterioridad. Han estudiado su efecto en las líneas de absorción del oxígeno (O-VII y O-VIII) con corrimiento al rojo z=0, detectadas por telescopios espaciales de rayos X en varios lugares del cielo. Estas observaciones indican la presencia de gas ionizado a entre 1,8 y 2,4 millones de grados, con una densidad muy baja que se extiende por una región enorme, de unos 239 ± 100 kilopársecs (unos 780 ± 326 miles de años luz) de radio; asumiendo el límite inferior, 139 kilopársecs, la masa total de unos 6,1 × 10¹⁰ M⊙, una masa similar a la masa del disco y gas frío de la Vía Láctea. Sumando todos los números tenemos una masa de unos 0,12 billones de soles para explicar los 0,34 billones de soles, pero los autores creen que el valor observado se puede extrapolar. Han introducido su resultado en modelos de simulación numérica del entorno circumgaláctico y han concluido que la nueva observación permite explicar de forma razonable toda la materia bariónica que falta (de hecho, los modelos numéricos predicen filamentos de gas gas ionizado circumgaláctico que conectan todas las galaxias del Grupo Local al que pertenece la Vía Láctea). Esta concordancia nos puede llevar a afirmar que se ha resuelto el problema de la materia bariónica. Sin embargo, en mi opinión, todavía es pronto para proclamarlo a los cuatros vientos. Medidas más detalladas en los próximos años serán claves para dar por resuelto este problema.
Por último, ¿cuál puede ser el origen del halo de gas ionizado con una temperatura de más de un millón de grados? Se han propuesto varios modelos para explicar la alta temperatura de este gas. Un halo de gas caliente puede ser consecuencia natural de la formación de la galaxia, ya que así lo predicen muchos modelos por ordenador de formación galáctica. Explosiones de supernovas que se encuentran fuera del plano galáctico pueden haber calentado el gas. Finalmente, también se ha propuesto que las supernovas en el propio disco galáctico pueden actuar como motores de fuentes de gas caliente que siembran el halo a partir del propio gas más frío del disco. Esta última explicación es la más razonable a la vista de los nuevos resultados y de simulaciones numéricas como la mostrada más abajo. Ver, por ejemplo, David B. Henley et al., “The Origin of the Hot Gas in the Galactic Halo: Confronting Models with XMM-Newton Observations,” ApJ 723: 935 (2010) [arXiv:1005.1085], y Alex S. Hill et al., “Vertical structure of a supernova-driven turbulent magnetized ISM,” ApJ 750: 104 (2012) [arXiv:1202.0552].

Por cierto, ¿por qué no me gusta nada la imagen que abre esta entrada? Por varias razones. Las simulaciones numéricas mediante superordenadores indican que el halo circumgaláctico tiene una estructura filamentosa (que en mi opinión el artista ha retratado fatal). La densidad del halo circumgaláctico es muy inferior a la densidad media de la Vía Láctea, lo que no queda bien reflejado en la imagen. Además, aunque en la noticia se habla de 100 kpc, en la imagen el artista utiliza un valor más próximo a 239 kpc. En cualquier caso, la recreación artística es espectacular.
PS: ¿Qué es la temperatura de un gas ionizado?  César @EDocet me ha criticado y con razón por no aclarar qué significa el concepto de temperatura en el contexto de un gas. La temperatura de un gas es una medida de la energía cinética media de sus moléculas (o iones si el gas está ionizado). Cuando las moléculas se mueven más rápido, la temperatura es más alta. Para el gas ionizado circumgaláctico, una temperatura de un millón de grados equivale a una energía por ión entre 0,4 y 1 keV (la masa de un electrón en energía con unos ~500 keV). ¿Te quemarías a un millón de grados si estuvieras en el espacio circumgaláctico como si estuvieras en el infierno? Obviamente, no. El espacio circumgaláctico está vacío, mucho más vacío que el mejor vacío que podemos lograr en la Tierra. La densidad es ridícula, más o menos, ~10^-4 cm^-3, es decir, hay un ión por cada 10 litros de volumen de espacio. Solo un ión en 10 litros. Más vacío casi imposible, aunque la densidad media del universo es de 1,9 × 10^-7 cm^-3. El concepto de temperatura para gases tan poco densos solo tiene sentido en regiones inmensas del universo.