Un equipo de investigación del Instituto de Astronomía Teórica y Experimental (IATE), con la colaboración del Grupo de Astrofísica Numérica de Trieste (Italia) desarrollaron simulaciones computacionales que permiten estudiar cómo evoluciona el polvo que se encuentra en las galaxias.

 

Por Facundo Rodriguez
facundo.rodriguez@unc.edu.ar

 

Las galaxias están formadas por grandes cantidades de estrellas, gas y polvo. Cada una de estas componentes tiene un papel importante en su evolución. Sin embargo, el polvo ha recibido mucha menos atención, principalmente por aquellos estudios que intentan explicar cómo se forman y qué cambios sufren las galaxias a lo largo del tiempo. Esto ha empezado a cambiar recientemente a partir del aumento en el poder de cómputo, que permite realizar simulaciones cada vez más complejas e incorporar allí el polvo.

El polvo que se encuentra en las galaxias está formado por partículas sólidas muy pequeñas: las de mayor tamaño tienen un diámetro diez veces menor que el de un cabello humano. Sin embargo, las relativamente grandes cantidades presentes en las galaxias pueden afectar las observaciones ya que, por ejemplo, absorben la luz ultravioleta y modifican las señales que obtenemos de dichas galaxias. 

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Entre otras cualidades, estas partículas pueden incorporar metales, y diferentes procesos pueden modificar su tamaño. Estos son algunos de los rasgos que convierten al polvo en un componente complejo y de interés, principalmente por su influencia en la evolución de las galaxias.

Modelado realista del polvo

“Muchas veces se asume que el polvo, en otras galaxias, es similar al de la Vía Láctea. Sin embargo, sabemos que esto no es cierto porque hay galaxias con diferentes propiedades, y es de esperar que, por ejemplo, en el universo temprano, su contenido de polvo sea diferente”, explica Gian Luigi Granato, investigador correspondiente del IATE y del Instituto Nacional de Astrofísica de Italia (INAF), quien ha realizado una gran cantidad de trabajos sobre la formación y evolución de las galaxias. Y agrega: “Hay pocos trabajos que analizan los efectos del polvo utilizando simulaciones; algunos se han realizado en cúmulos de galaxias, pero éste es el primer estudio en el que se analizan galaxias individuales en un contexto cosmológico”.

Este equipo incorporó el polvo y sus propiedades en un modelo que simula la evolución de una galaxia similar a la nuestra. Esta incorporación tiene en cuenta los procesos que hacen que el polvo sufra modificaciones. Por ejemplo, cuando los granos de polvo se chocan a altas velocidades se destruyen y generan partículas de menor tamaño; si se encuentran a velocidades bajas, se unen y forman granos más grandes. También pueden sufrir erosión por parte de iones o adherirse a otros átomos presentes en el medio. Todos estos procesos afectarán principalmente el tamaño de las partículas de polvo. Y otro aspecto también relevante que estudió este equipo es la composición química del polvo y sus modificaciones al incorporar metales.

Antonela Taverna, becaria posdoctoral del IATE que participó de esta investigación afirma que “hasta ahora las simulaciones que se venían haciendo para este tipo de estudios eran muy simples; este trabajo le añade un orden mayor de complejidad y refleja mejor los procesos físicos que intervienen en el polvo ”.

Gracias a esta investigación, realizada en conjunto entre el IATE y el Observatorio de Trieste, se pudieron utilizar simulaciones de vanguardia para explorar las propiedades del polvo. Esto fue facilitado por la red LACEGAL (Latin American Chinese European Galaxy Formation Network) que posibilitó el intercambio de investigadores entre ambas instituciones.

Resultados

Con la implementación del polvo en las simulaciones, este equipo pudo analizar su variación en diferentes momentos, a medida que la galaxia evoluciona. Entre los principales resultados, encontraron que los tamaños de las partículas y las metalicidades van variando.

 

“Al incorporar el modelo del polvo en las simulaciones vimos que las propiedades de las galaxias se ven modificadas, y esto no es trivial, porque estamos mostrando que el polvo no sólo afecta a la luz que recibimos de estos objetos, sino también a sus propiedades. A un nivel básico, por ejemplo, medimos que el contenido de gas y estrellas de la galaxia cambia” comenta Cinthia Ragone, coautora del trabajo e investigadora del IATE, especializada en simulaciones numéricas. Y agrega, “cuanto mejor podamos reproducir las propiedades del polvo astrofísico, por ejemplo,  sus tamaños y su composición química, mejor vamos a describir las propiedades de las galaxias.”

El modelado del polvo llevado a cabo en este trabajo, publicado en en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, también se comparó con datos observacionales. Se encontró un gran acuerdo en cuanto a las características y distribución del polvo. Esto es aún más destacable cuando se tiene en cuenta que muchos de los parámetros utilizados en la simulación provienen de determinaciones en laboratorio y que, siendo uno de los primeros estudios de este tipo, no era posible predecir que los resultados se ajustaran tan bien a las observaciones.

Efecto mariposa en las simulaciones

Para poder llevar a cabo esta investigación, debieron realizarse más de 100 simulaciones y, al llevar a cabo esta tarea, notaron que variaciones casi insignificantes al efectuar los cálculos numéricos generaban modificaciones perceptibles en los resultados obtenidos de la simulación. Como estas variaciones no pueden ser totalmente evitadas, este equipo realizó las mismas simulaciones varias veces y trabajó con los promedios de ellas, para poder descartar que algunos de los efectos observados fueran consecuencia de algo ajeno a los procesos que estaban estudiando. 

 

Publicación científica

Dust evolution in zoom-in cosmological simulations of galaxy formation Autores | Gian Luigi Granato, Cinthia Ragone-Figueroa, Antonela Taverna, Laura Silva, Milena Valentini, Stefano Borgani, Pierluigi Monaco, Giuseppe Murante & Luca Tornatore