100.000 millones de estrellas

Hace unas semanas, mi amigo Matías A., que ocupa su prejubilación con, entre otras cosas, desarrollar su afición a la astrofotografía, compartió en el grupo de whatsapp esta foto que había realizado desde su observatorio en el norte de Burgos. Y nos daba los siguientes datos: "La Galaxia Remolino, M51, con 100.000 millones de estrellas, es decir de sistemas “solares”, a 30 millones años luz de la Tierra. Para los fotógrafos: 3 horas de exposición, integrando 36 fotos de 5 minutos cada una, y la cámara refrigerada a -20 grados para reducir el ruido".

M51 - Fotografía obtenida en el Observatorio Tesla Mountain

La foto es espectacular, sin duda. Yo ya sabía que una galaxia está formada por miles de millones de estrellas, pero, quizá por primera vez, me pregunté: ¿Y cómo narices calculan los astrónomos el número de estrellas que componen una galaxia? Es posible que el número tan "redondo" me hiciera sospechar... 100.000 millones... ni 98.700 ni 102.400 millones... era un primer indicio de que el número que se da es aproximado. Pero... ¿Cuánto de aproximado? Y ahí empecé a informarme...

Lo primero que te confirma que es un cálculo bastante aproximado es que, cuando buscas información sobre cuántas estrellas tiene nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, hay bastante consenso es que se encuentra en un rango entre 100.000 y 400.000 millones (¡que ya es rango amplio!). Que es el resultado de distintas extrapolaciones entre lo que podemos observar de manera directa, y lo que podemos "intuir" a través de las nubes de gas y polvo que dificultan saber lo que hay en otras partes de la galaxia, especialmente en su centro. 

Para estimar el número de estrellas de otras galaxias que no son la nuestra hay varios métodos. Vamos a ver un par de ellos. Pero, como siempre he sido partidario de las cosas sencillas (método KISS: Keep It Simple, Stupid!), me ha encantado el procedimiento que he encontrado por la red de un tal Arto Luukkainen, que explica su método de cálculo así:

--> 1 galaxia media ocupa un espacio de 100.000 años-luz de largo por 100.000 años-luz de ancho por 1.000 años luz de alto (está suponiendo que es un paralelepípedo regular)= 10E13 (10 billones europeos) de años-luz cúbicos (quizá hubiera sido más real asignarle una forma cilíndrica de 50.000 años-luz de radio, que es lo que tiene la Vía Láctea; en ese caso el resultado del volumen habría sido: π*rE2 * h = 3,14 * 2,5*10E9 * 10E3= 7,85*10E12, "solo" 7,85 billones).

Dimensiones de la Vía Láctea

--> 1 sistema solar ocupa un espacio de unos 4 años-luz de largo por 4 años-luz de ancho por 4 años-luz de alto (aquí asigna a cada sistema solar un cubo)= 64 años-luz cúbicos. Suponiendo que hay zonas de la galaxia con menor densidad de sistemas solares, y para facilitar el cálculo, redondeemos la cifra a 100 años-luz cúbicos. (La distancia entre el Sol y la estrella más cercana, Próxima Centauri, es de 4,2 años-luz)

--> Entonces, el número de estrellas (sistemas solares) de una galaxia media serían: 10E13 / 100 = 10E11 = 100.000.000.000 de estrellas. Vaya por Dios... 100.000 millones, el número "mágico" (me da que el tal Arto, sabiendo el resultado que quería obtener, ha "ajustado" un poco las bases de cálculo para que saliera el resultado deseado...). 

Vamos a los métodos más "científicos": todos se basan en calcular la masa de la galaxia y, a partir de ahí, asumiendo una masa media por estrella (esto también es opinable, dada la gran variedad de tipos de estrella que hay), obtener el número aproximado de estrellas. Pero no tan rápido, vaquero... que para calcular la masa hay que saber, primero, la distancia a la que se encuentra la galaxia... 

(Paréntesis histórico: Hasta comienzos del siglo XX se mantuvo un gran debate entre prestigiosos astrónomos sobre si los numerosos "objetos nebulosos" que se observaban en el cielo estaban dentro de la Vía Láctea o eran objetos extra-galácticos. No fue hasta 1925 cuando el astrónomo americano Edwin Hubble (1889-1953), en un trabajo presentado en la reunión de la American Astronomical Society, concluyó que la distancia a Andrómeda era de 1 millón de años-luz y que, por tanto, estaba mucho más allá de los confines de la Vía Láctea)

Ahora, los astrónomos ya saben calcular la distancia a que se encuentra una galaxia: bien mediante la observación de las estrellas llamadas cefeidas, que son como "faros" que mantienen una relación constante entre su brillo intrínseco y su velocidad de rotación, o bien, midiendo el desplazamiento al rojo ("efecto Doppler") de la luz que nos llega de las galaxias más lejanas, que está causado por la velocidad de expansión del universo.

Por fin llegamos. Si sabemos la distancia a la que se encuentra una galaxia, podemos calcular su masa de, al menos, dos formas:

1) También se basa en el "efecto Doppler", pero esta vez se refiere al movimiento de rotación de la galaxia, y cómo una parte de la galaxia se aleja de nosotros como observadores, y otra se acerca. Si medimos la velocidad de una zona de una galaxia y medimos también la distancia de esa zona al centro de la galaxia, podremos determinar la masa de la galaxia que se encuentra en la parte interior de la zona que estemos observando. En el caso de que observemos la zona más externa de la galaxia, podremos determinar la masa total de la misma.

2) La segunda es más compleja y se basa en lo que se conoce como "anillos de Einstein". Consiste en el efecto de distorsión gravitacional que causa la galaxia cuya masa se quiere calcular sobre la luz de otro objeto más lejano (normalmente otra galaxia) que para llegar a nosotros tiene atravesar el campo gravitacional de la primera.

Llegados a este punto, la pregunta es obvia: Dando por hecho que, según hemos visto, el cálculo del número de estrellas de una galaxia es una estimación sujeta a mucha variabilidad... ¿Cuál es, entonces, el ranking de galaxias por número de estrellas?

Tamaño relativo de Andrómeda y la Luna en el cielo nocturno
(composición fotográfica resaltando el brillo de Andrómeda)

Nuestra vecina Andrómeda (M31) y otra galaxia muy estudiada, M87, tendrían  1 billón de estrellas (10E12), o sea entre 3 y 10 veces más que la Vía Láctea (que tiene 0,1-0,4 billones). 

En el extremo inferior del ranking se encuentra la galaxia esferoidal enana Segue 2, en la constelación de Aries. Está a 110.000 años-luz del Sol, tiene un tamaño de unos 100 años-luz de radio y se calcula que tiene unas 1.000 estrellas. Una birria de galaxia. 

El top del ranking se lo lleva (por ahora) la galaxia lenticular IC1101. Fue descubierta (como objeto nebuloso) en 1790 por William Herschel. Las siglas IC corresponden al "Index Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars" publicado en 1895 con unos 5.400 objetos. Es 50 veces más grande que la Vía Láctea. Está a una distancia de unos 1.100 millones de años-luz de nosotros, en la constelación de Virgo. Alberga un agujero negro supermasivo en su centro. Se ha calculado que puede contener 100 billones de estrellas (10E14). 100.000.000.000.000... vaya, otro número redondo (para los americanos son 100 trillion, que también suena bien). 

En resumen: las distancias a que se encuentran los objetos astronómicos, aun los más alejados, se pueden calcular con cierta precisión. Pero las masas de las galaxias y el número de estrellas que contienen son aproximaciones sujetas a bastante oscilación en función de las variables que se consideren. Y si metemos la materia oscura en la ecuación... apaga y vámonos.

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Posdata: Parece ser que Carl Sagan (1934-1996), el astrónomo moderno que más hizo por la divulgación de esta ciencia, nunca dijo la famosa frase que se le atribuye de los "billions and billions of stars...". Eso sí, la recogió parcialmente en el título de su libro póstumo: "Billions and Billions: Thoughts on Life and Death at the Brink of the Millennium". 

El primer campo profundo del telescopio Webb es el cúmulo de galaxias SMACS 0723.
Está repleto de miles de galaxias, incluidos los objetos más débiles jamás observados en el infrarrojo.