¿Cómo sabemos cuánto «pesa» nuestra galaxia?

Si miráis al cielo una noche despejada y en la época del año correcta, podréis distinguir una densa franja de estrellas que destaca entre el resto del firmamento. Esa banda estrellada es la galaxia en la que vivimos, la Vía Láctea, una agrupación de entre 100 000 y 400 000 millones de estrellas arremolinadas en un disco espiral de unos 100 000 años-luz de diámetro. Ahora bien, no somos capaces de percibir la verdadera geometría de la Vía Láctea a simple vista porque nuestro sistema solar está metido dentro de este disco de estrellas, de modo que vemos ese disco espiral «de canto» en el cielo.

Pero, aunque la verdadera forma y el tamaño de esa franja estrellada se pueden deducir midiendo la posición y la velocidad de las estrellas que nos rodean, ¿qué hay de su masa? ¿Cómo sabemos cuánto «pesa» toda la materia que contiene nuestra galaxia?

Problema gravitatorio

Dejando a un lado la opción absurda de colocar la galaxia sobre una gigantesca báscula cósmica, podría dar la impresión de que la manera más sencilla de estimar la masa de la Vía Láctea es contar el número de estrellas que hay en una región determinada del espacio, medir su masa media y extrapolar esa cifra al resto de su volumen. Pero, en realidad, esta cifra nos daría una cifra muy equivocada porque sólo el 5% de la masa de una galaxia está compuesta por materia ordinaria, el tipo de sustancia del que están compuestas las cosas que podemos ver, como las estrellas o los planetas. El 95% restante es materia oscura, un tipo de materia que no emite ni refleja luz. Por tanto, si nos ponemos a contar estrellas para estimar la masa de la Vía Láctea nos vamos a quedar muy cortos, porque estaremos ignorando el 95% de la masa de la galaxia que somos incapaces de ver.

Por suerte, al tener masas, la presencia de la materia oscura se manifiesta a través de los efectos de su gravedad. Y, como las leyes de Newton permiten estimar la masa de un cuerpo celeste a partir de la velocidad y el radio de la órbita de alguno de los cuerpos que dan vueltas a su alrededor, los astrónomos son capaces de calcular la masa de las galaxias basándose en el movimiento de sus satélites… Aunque, en este caso, esos satélites no son cuerpos rocosos como la Luna, sino otras galaxias más pequeñas.

Teniendo esto en cuenta, la masa de nuestra galaxia se ha podido calcular gracias a Leo I, una pequeña galaxia esferoidal que orbita alrededor de la Vía Láctea más allá de su halo de materia oscura, por lo que toda esta masa invisible aparece reflejada en la estimación. En este caso, tras medir los cambios de posición de Leo I entre 2006 y 2011, un estudio de 2012 concluyó que la órbita de esta pequeña galaxia requiere que la masa de la Vía Láctea sea unos 3 billones de veces superior a la del Sol, aunque el margen de error de esta cifra superaba el 50%. Ese mismo año, otro estudio afinó las cuentas un poco más y calculó que existe un 90% de probabilidades de que la Vía Láctea tenga una masa de entre 1 y 2,4 billones de masas solares.

Pero existe otro método que nos proporciona una cifra más exacta.

Rebobinando el tiempo

La expansión constante del universo tiende a alejar las galaxias unas de otras, pero las que están lo bastante cerca entre ellas se atraen con la fuerza suficiente como para permanecer en órbita mutua. Teniendo esto en cuenta y simplificando muchísimo, el llamado «timing argument» asume que la posición de dos puntos que hoy en día están en órbita no ha cambiado mucho en los últimos 13.800 millones de años y utiliza este dato para estimar cómo de intensas han tenido que ser sus interacciones gravitatorias para explicar su separación actual y, por tanto, la magnitud de su masa.

En este caso, un estudio de 2020 aplicó este método a 32 estrellas del halo exterior de la Vía Láctea que se encuentran a más de 60 kilopársecs del núcleo galáctico. El motivo por el que se eligieron astros tan lejanos es que se trata de objetos que han completado pocas vueltas alrededor de la galaxia desde que se formaron, así que sus órbitas tienen una menor probabilidad de haber sido perturbadas durante todo este tiempo. Y, en base al análisis del movimiento de estas 32 estrellas, se llegó a la conclusión de que la masa mínima de nuestra galaxia es de 0,91 billones de masas solares, pero que el valor más probable ronda los 1,4 billones de masas solares, una cifra que encaja con el resto de las estimaciones y sus márgenes de error.

Como habréis notado, estimar la masa de esa franja estrellada que vemos en el firmamento es una tarea mucho más enrevesada de lo que puede parecer porque tanto nuestros ojos como nuestros telescopios detectan sólo una fracción minúscula de toda la materia que contiene. Pero precisamente por eso las leyes de la física son tan valiosas: nos permiten detectar fenómenos que están fuera del alcance de nuestros sentidos y descubrir nuevos aspectos del universo que nunca podríamos haber imaginado.

QUE NO TE LA CUELEN:

• La Vía Láctea no es visible en el cielo nocturno todo el año porque, desde mediados de noviembre hasta finales de enero, queda detrás del Sol desde nuestra perspectiva.

REFERENCIAS (MLA):

• Sangmo Tony Sohn et al. “The Space Motion of Leo I: Hubble Space Telescope Proper Motion and Implied Orbit”, The Astrophysical Journal, volumen 768, número 2.
• Michael Boylan-Kolchin et al. “The Space Motion of Leo I: The Mass of the Milky Way’s Dark Matter Halo”, The Astrophysical Journal, volumen 768, número 2.
• Dennis Zaritsky et al. “A Lower Limit on the Mass of Our Galaxy from the H3 Survey”, The Astrophysical Journal, volumen 888, número 2.