«

»

Abr 01 2015

¿Por qué giran las estrellas?

[This post participates in Carnival of Space #400, at Urban Astronomer]

Crédito: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt(SSC)/en.wikipedia.org

¿Por qué giran las estrellas? Una pregunta que frecuentemente se formula mucha gente. ¿Y sabemos el motivo? Sí y no… y pronto comprenderéis el porqué. Aquí vamos a intentar explicar el origen del movimiento de rotación de los astros.
Es fácil ver que los objetos cósmicos giran: estrellas, planetas, galaxias…. Para encontrar su origen debemos remontarnos hasta el comienzo del propio Universo: el Big Bang. Tras el Big Bang el Universo se expandió, se enfrió, se uniformizó, y finalmente, se creó la materia. Sin embargo tras esta aparente uniformidad, al observar la conocida como radiación de fondo cósmico (CBR) observamos sutiles irregularidades, medidas por satélites como COBE, WMAP o Planck. Las diferencias son ínfimas. Sin embargo estas diferencias marcaron definitivamente la evolución del Universo.

Región del Gran Atractor. Crédito: HST
Tras dichas diferencias están regiones de mayor densidad por un lado, y por otro, regiones de menor densidad que se expandían más rápidamente. Las regiones de mayor densidad y debido a la fuerza de la gravedad comenzaron a colapsar dando lugar a enormes estructuras cósmicas, como por ejemplo el Gran Atractor.
Estas enormes estructuras a su vez poseían regiones de mayor densidad. Estas regiones de menor tamaño colapsaron en nuevos objetos, que actualmente identificaríamos como cúmulos de galaxias. Estos nuevos objetos heredaron su parte correspondiente del momento angular del objeto mayor. Aquí conviene recordar que el momento angular es a las rotaciones lo que el momento lineal (ímpetu o cantidad de movimiento) a las traslaciones, y se conserva en un sistema en virtud de ley de conservación del momento angular. En concreto el momento angular (L) es función de la velocidad de rotación (v) y de la distancia al eje de rotación (r):
m r v
Por tanto, como se debe conservar, los nuevos objetos que surgen del colapso de regiones más densas dentro de la estructura mayor deben “coger” la parte que les corresponde del momento angular total.
Nuevamente estos nuevos y más pequeños objetos sufrieron nuevos procesos de formación de objetos menores en su interior, dando lugar a las galaxias. Y éstas a su vez, dieron lugar a los sistemas estelares. Así, el momento angular inicial se va repartiendo entre los nuevos y más pequeños objetos (galaxias, estrellas…)
Galaxia espiral barrada NGC1300. Crédito: HST
Los nuevos objetos a pesar de tener menos masa que las estructuras progenitoras eran más densos, por lo que usando la fórmula del momento angular vemos fácilmente que la velocidad de rotación aumenta (el momento angular y la masa durante el colapso es constante, el radio disminuye). Esto es fácilmente observable en las estrellas. Algunas cuando llegan al final de sus vidas colapsan sobre si mismas ante la enorme gravedad, ocurriendo una explosión supernova. Parte de las capas exteriores son expulsadas, con su correspondiente momento angular, pero queda un núcleo ultradenso que puede seguir colapsando. Este rápido colapso hace que la velocidad de rotación aumente hasta velocidades enormes. Es más, este proceso puede terminar en la formación de un agujero negro. Incluso en este caso, el momento angular persiste una vez formado.
Ahora bien, como os habréis dado cuenta hemos hablado de que las primeras estructuras cósmicas formadas a partir de las irregularidades de la radiación de fondo cósmico tenían un momento angular. ¿Y de donde procede dicho momento angular? Esta es una pregunta que aún no se ha podido responder (por eso dijimos al principio ‘sí y no’). No se sabe de dónde viene este momento angular inicial y hay diversas teorías (con mayor o menor aceptación) que intentan explicarlo. Algunas de ellas proponen que inicialmente el Universo al formarse poseía por algún motivo un momento angular concreto o que incluso que podría estar en rotación. Pero hoy por hoy, no tenemos respuesta.
Cúmulo de galaxias Abell 2744. Crédito: HST
En cualquier caso, de haber tenido el Universo un momento angular inicial, este se habría ido repartiendo entre las diferentes subestructuras que se han ido formando a medida que se expandía.
En el caso concreto del Sistema Solar, los planetas y el Sol rotan en la misma dirección pues se formaron a partir de la misma nube primordial de gas y polvo, y por lo tanto conservan su parte correspondiente del momento angular de dicha nube. Hay excepciones como Urano, aunque en este caso la diferencia podría deberse o bien a un impacto con un gran cuerpo o bien a las influencias de sus enormes vecinos (Júpiter, Saturno y Neptuno). A su vez los planetas orbitan alrededor del Sol en la misma dirección que posee la rotación de la estrella. Esto mismo se puede observar en aquellos satélites que se formaron a la vez que los planetas que orbitan: giran en el mismo sentido que el planeta.
Otra pregunta interesante que nos podemos plantear es el sentido de giro de las galaxias. ¿Por qué giran en un sentido o en otro? Pensando la situación es difícil ver como la gravedad puede determinar la rotación en un sentido o en otro. El campo gravitatorio es invariante bajo paridad (cambio simultáneo en el signo de toda coordenada espacial) y no posee quilaridad. Por tanto bajo su acción no hay desviaciones respecto a las líneas de campo y nos hace pensar que todo debe converger linealmente hacia el centro, colapsando, en lugar de tener partes que comienzan a girar.
Sin embargo la distribución de las fuerzas de marea (la segunda deriva del campo gravitatorio) no es uniforme y por ello los movimientos generados causan que no todas las partes del conglomerado se dirijan hacia el centro. Esto se puede ver con un símil. Hacemos deslizar una caja encima de una superficie con un lado áspero y otro muy deslizante. Al avanzar la caja sobre la superficie, las diferencias de rugosidad causarán que ésta se desvíe de la trayectoria original.

Lecturas recomendadas:
– Is the Universe Spinning?
Was the universe born spinning?
Why do galaxies rotate?
– Disk Formation and the Angular Momentum Problem (pdf)
Tidal Fields and Structure Formation (pdf)

What causes objects such as stars and black holes to spin?
Chirality (physics)
Parity (physics)
Angular momentum
– Explicación física de por qué los gatos caen siempre de pie
– Leyes de conservación
Planck y la radiación de fondo cósmico

[This post participates in Carnival of Space #400, at Urban Astronomer]

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.

*