El enigmático origen de los cúmulos globulares

Las estrellas no suelen aparecer aisladas en el universo. Al contrario, suelen concentrarse en esas enormes nubes a las que llamamos galaxias, e incluso dentro de las galaxias a menudo forman “bandadas”, grupos más o menos grandes a los que llamamos cúmulos. Hay una buena razón para eso, y es que las estrellas suelen nacer en grupo. Muchos de esos grupos se mantienen unidos durante algunos millones de años, pero a medida que se mueven por el interior de la galaxia se van deshilachando, debido a la gravedad de otras estrellas cercanas o a encuentros con alguna nube de gas. Llamamos a estas pandillas efímeras de estrellas cúmulos abiertos. Pero en el extrarradio de las galaxias, lejos de aquellas regiones frenéticas en que las nebulosas pelean por un palmo más de espacio, encontramos unos grupos de estrellas bastante notables: los cúmulos globulares, de los que vamos a hablar hoy.

Los cúmulos globulares son conglomerados de estrellas que encontramos en casi todas las galaxias, salvo en las más pequeñas. Como su nombre indica, son aproximadamente esféricos, y suelen contener centenares de miles o millones de estrellas. Son bastante pequeños para la cantidad de estrellas que contienen, así que su “densidad de población” es relativamente alta, y puede llegar a ser muy alta en el núcleo. Para que nos hagamos una idea, entre el Sol y la estrella más cercana hay 4,2 años luz; si estuviéramos en el núcleo de un cúmulo globular denso, en ese mismo volumen se hacinarían hasta 900 estrellas.

Estos concurridísimos vecindarios estelares son, además, muy antiguos. Sus estrellas parecen de estricta segunda generación, hechas con el gas que expulsaron las primeras estrellas del universo, y la mayoría de los cúmulos parecen tan viejos como las propias galaxias en las que se encuentran. Su hábitat natural, pues, se ha de encontrar fuera del cuerpo de la galaxia, porque si tuvieran que moverse por el medio interestelar, lleno de gas y de otras estrellas, se habrían deshecho como les ocurre a los cúmulos abiertos y no habrían llegado hasta nuestros días. Los cúmulos globulares son habitantes del halo, una especie de cáscara esférica que rodea a las galaxias y que es un remanente de los primeros días de éstas.

Orígenes inciertos

Así pues, tenemos unas pelotas de estrellas considerablemente densas, muy antiguas y que dan vueltas a las galaxias en órbitas muy amplias, a veces bastante alejadas del cuerpo de la galaxia. ¿De dónde han salido estas peculiares formaciones? No lo sabemos con seguridad. Una idea que se manejó durante un tiempo fue que se tratara de “galaxias fallidas”, nubes de gas demasiado pequeñas que terminaron siendo “adoptadas” por galaxias más grandes.

Esa idea tenía un punto interesante: la cosmología moderna nos cuenta que las galaxias se formaron a partir de enjambres de nubes de gas en los que había nubes más grandes y otras más pequeñas. Las más grandes tendían a fagocitar a las pequeñas, y así, de forma natural, se formaron sistemas con grandes galaxias en el centro rodeadas de un séquito de otras más pequeñas, las galaxias satélite. Eso es exactamente lo que vemos hoy. En este esquema, los cúmulos globulares serían galaxias satélite especialmente pequeñas, y con algunas propiedades un poco peculiares que habría que explicar de alguna manera. Por ejemplo, por qué son tan compactos y otras galaxias satélite no.

Pero esta idea tiene un defecto en su misma línea de flotación: las nubes de gas que dieron lugar a las galaxias se acumularon en el interior de nubes de materia oscura. La materia oscura es cinco veces más abundante que el gas, y por lo tanto su gravedad es cinco veces más intensa, así que el gas va adonde la materia oscura le dice que vaya. En realidad la dinámica que acabamos de contar, de nubes grandes engullendo a otras pequeñas, es una dinámica de las nubes de materia oscura. El gas que ahora vemos en las galaxias sólo siguió lo que la materia oscura hacía. Y aquí viene el problema serio: en los cúmulos globulares no hay ni rastro de materia oscura.

La ausencia de materia oscura en los cúmulos globulares es, ya de por sí, notable. Dado que en ellos tenemos del orden de un millón de estrellas concentradas en un espacio pequeño uno podría pensar, inocentemente, que quizá cierta cantidad de materia oscura habría pastoreado al gas hasta ese espacio y, una vez ahí, se habrían formado las estrellas. Si eso fue lo que ocurrió, después de eso pasó alguna otra cosa que le robó toda la materia oscura al cúmulo. Y eso no ocurrió con uno o con dos, sino con la abrumadora mayoría de cúmulos globulares. Claramente, aquí está operando algún mecanismo diferente al de la formación de galaxias satélite, que en su mayoría sí conservan cantidades importantes de materia oscura.

Cúmulos a partir de colisiones

Por eso resulta interesante un artículo publicado hace unos días en el Astrophysical Journal, en el que los autores proponen una nueva idea sobre cómo se formaron los cúmulos globulares: que fueron el resultado de choques entre esas nubes que estaban dando lugar a las galaxias.

La idea es muy ingeniosa: conocemos el caso, en la actualidad, de grupos de galaxias que chocan unos con otros. Un grupo de galaxias está formado por tres elementos: las galaxias mismas, el gas difuso que hay entre ellas y la materia oscura, que constituye la mayor parte de la masa. Cuando los dos grupos chocan las galaxias no se enteran de nada: están muy lejos unas de otras y la probabilidad de que dos galaxias colisionen es muy pequeña. La materia oscura tampoco se entera demasiado: le cuesta mucho intercambiar energía con otras formas de materia, así que, básicamente, pasa de largo. Como la materia oscura es la que genera la mayor parte de la gravedad, las galaxias siguen a la materia oscura. ¿Qué le ocurre al gas difuso? Algo muy diferente: los átomos del gas sí pueden intercambiar energía con otros átomos, así que se frenan cuando las dos nubes colisionan. La materia oscura y las galaxias pasan de largo, pero el gas se queda atascado en la zona de colisión. Esto lo hemos visto en varias colisiones de grupos de galaxias, la más famosa de las cuales es el Cúmulo de la Bala.

La idea de este artículo para explicar la formación de los cúmulos globulares es que estos choques debieron ser mucho más comunes en las etapas iniciales de desarrollo de las galaxias, cuando había muchas nubes de gas y materia oscura moviéndose en todas direcciones porque las galaxias aún no las habían fagocitado. Esas nubes seguramente contenían ya estrellas, y esas estrellas habían enriquecido el gas con elementos químicos nuevos, como el carbono. Si en ese punto se produjera un choque entre dos de esas nubes ¿qué ocurriría? Pues, como en el caso de las galaxias, que la materia oscura y las estrellas pasarían de largo, pero el gas interior de las nubes se frenaría, como ocurre en el Cúmulo de la Bala. Si el gas se frenara mucho podría ocurrir que la materia oscura y las estrellas continuaran su camino y dejaran ahí, huérfana, a una nube de gas caliente y comprimida por la energía de la colisión.

La propuesta de estos autores es que los cúmulos globulares se formaron a partir de esas nubes huérfanas. Ésa es la razón de que no tengan materia oscura, y ésa es la razón de que estén situados en la periferia de las galaxias, que es por donde se movían aquellas nubes y podían chocar de tanto en tanto. Todo el músculo del artículo está en demostrar que en una galaxia típica esos choques eran razonablemente probables, que el número de choques era similar al número de cúmulos globulares que vemos hoy en día, y que tras el choque el gas quedaba en un estado capaz de formar estrellas. Además de esto consiguen algunos resultados muy sugerentes, como calcular la composición que debe tener el gas para que se formen estrellas después de los choques, o calcular la masa mínima que debe tener una galaxia para que en sus cercanías se puedan producir estos choques. Ambas son cosas que podremos comparar con las propiedades de los cúmulos globulares reales y las galaxias que los acogen.

Puede que éste sea el mecanismo correcto para entender la formación de los cúmulos globulares o puede que no, eso sólo lo dirá el tiempo y el escrutinio de la comunidad científica. Pero no deja de ser fascinante que unos objetos que conocemos desde hace siglos, y que a primera vista parecen sencillos, requieran de tanta y tan hermosa física para venir al mundo.

QUE NO TE LA CUELEN

• En este artículo describimos una idea que acaba de ser presentada en público. Parece prometedora, pero como todas las ideas nuevas no podemos tomarla como conocimiento asentado. En los próximos meses o años será examinada, criticada y defendida, y sólo después de ese proceso podremos decir algo en firme sobre ella.
• La palabra cúmulo se usa en astrofísica con el significado general de “grupo”. Así pues hay cúmulos de estrellas, como los cúmulos globulares y los cúmulos abiertos, pero también hay cúmulos de galaxias. En este artículo hemos preferido utilizar la palabra sólo con grupos de estrellas, para evitar confusiones.
• Aunque lo que nosotros vemos de las galaxias es su gas y sus estrellas, la mayor parte de su masa está depositada en la materia oscura, y ha sido la materia oscura la que ha guiado la evolución de las galaxias, sobre todo en sus instantes iniciales.

REFERENCIAS

• Piero Madau et al. Globular Cluster Formation from Colliding Substructure. The Astrophysical Journal vol. 890, no. 1 (2020)
• Tjeerd Sicco van Albada y Norman Baker. On the Two Oosterhoff Groups of Globular Clusters. The Astrophysical Journal vol. 185, pp. 477-498 (1973)
• Volker Springel et al. The Aquarius Project: the subhaloes of galactic haloes. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society vol. 391, is. 4, pp. 1685–1711 (2008)