CÚMULO DE GALAXIAS DE COMA

• Los alumnos aprenderán los conceptos básicos de la clasificación de galaxias utilizando datos astronómicos reales del telescopio espacial Hubble. La clasificación es una técnica científica importante en numerosos campos de la ciencia: al simplificar diferentes objetos agrupándolos en un número más reducido de categorías, es más fácil ver qué características comparten muchos de ellos y estudiar esas propiedades en objetos representativos, en lugar de hacerlo en cada objeto por separado.

• Los alumnos descubrirán el efecto morfología-densidad e idearán hipótesis sobre las causas de dicho efecto.

• Los alumnos podrán clasificar distintos tipos de galaxias a partir de imágenes astronómicas.

• Los alumnos explicarán la importancia de clasificar objetos.

• Los alumnos propondrán ideas que expliquen por qué las galaxias pueden tener diferentes formas.

• Los alumnos practicarán el planteamiento de preguntas y la planificación de investigaciones.

• Los alumnos hablarán de los siguientes conceptos: la existencia en el universo de entornos físicamente distintos donde hay galaxias; la interacción entre galaxias, y el hecho de que hay una relación entre el entorno y la morfología de una galaxia (se denomina efecto morfología-densidad).

• Los alumnos harán hipótesis sobre la causa del efecto morfología-densidad.

El profesor puede comentar las respuestas junto con los alumnos y animarlos a poner en común los valores que han obtenido sobre los distintos tipos de galaxias, tanto las de campo como las galaxias en cúmulos, así como sus respuestas a la pregunta final sobre el efecto morfología-densidad.

La comprensión de cada alumno se puede evaluar a través de debates, como se detalla a lo largo de la actividad, y recogiendo ejercicios para puntuarlos. Dado que con estas actividades se valora el grado de comprensión de los alumnos, no es necesario realizar más tareas de evaluación. A continuación, se detalla el sistema de puntuación.

Sistema de puntuación propuesto

• Tabla 1: 5 puntos. Los alumnos deben explicar con claridad el esquema de clasificación que creen.

• Tabla 2: 2 puntos por cada categoría. Respuestas: E/S0/SB0: 2, 6 y 9; S: 1, 8 y 12; SB: 3, 4 y 10; IR: 5, 7 y 11.

• Tablas 3, 4 y 5 (contar galaxias): no se puntúan. Se basan en la interpretación subjetiva del alumno.

• Tabla 6 y cálculos: 30 puntos. Se puntúa la medida en que se ha completado el ejercicio, no la veracidad de las respuestas. Los alumnos obtendrán diferentes números, pero los razonamientos matemáticos deben ser correctos. Los porcentajes resultantes suelen estar en los siguientes intervalos: en cúmulos, E 50 %, L 30 %, S 20 %; de campo, E 20 %, L 10 %, S 70 %. Los alumnos suelen obtener un porcentaje más alto de espirales de campo.

Pregunta de hipótesis: 30 puntos. En la hipótesis del alumno, se deben mencionar los efectos de las interacciones y el barrido de presión cinética al pasar de las galaxias espirales, con abundante gas, a las galaxias elípticas y lenticulares de los cúmulos actuales, con poco gas.

• Imagen de las 40 galaxias.
• Fichas de galaxias A-D.

Clasificación de galaxias

Los astrónomos clasifican las galaxias en función de su apariencia y las dividen en tres clases principales: elípticas, espirales e irregulares. Edwin Hubble fue quien inventó este sistema de clasificación. Él creía que la secuencia del «diapasón» representaba la progresión evolutiva de las galaxias. Más tarde se descubrió que no era cierto, pero los astrónomos siguen empleando estas categorías y denominaciones generales para describir las galaxias.

Los principales tipos de galaxias

Elíptica (E), lenticular (S0), lenticular barrada (SB0), espiral (S), espiral barrada (SB) e irregular (IR). En la sección de la descripción de esta actividad, se puede encontrar información más detallada.

Una categoría adicional de galaxias

Interactuante: está formada por dos o más galaxias situadas tan cerca una de la otra que cada una afecta a la forma de la otra.

Datos proporcionados en esta actividad

Los datos que se usan en esta actividad son datos del cúmulo de galaxias de Coma provenientes del telescopio espacial Hubble. Se captaron en el año 2006 a través de la cámara avanzada para sondeos (ACS) de dicho telescopio.

Entorno de las galaxias

Hay galaxias por todo el universo y se encuentran en diferentes entornos. Las galaxias pueden formar cúmulos o grupos y también pueden estar aisladas.

Grupos

A veces, se encuentran galaxias en conjuntos pequeños, denominados grupos. Los grupos están compuestos por unas pocas galaxias. El Grupo Local contiene a nuestra galaxia, la Vía Láctea, y a nuestras vecinas: las Nubes de Magallanes y la galaxia de Andrómeda, junto con unas pocas decenas de galaxias más pequeñas.

Galaxias de campo

Otras veces, las galaxias están aisladas dentro del campo y se encuentran lejos unas de otras. Se denominan galaxias de campo.

Cúmulos

Un cúmulo de galaxias es una estructura del universo de gran tamaño, formada por cientos de miles de galaxias que se mantienen unidas por atracción gravitatoria. Las numerosas galaxias que contiene cada cúmulo se encuentran cerca unas de otras, como en el cúmulo de Coma. Los cúmulos están entre las estructuras más grandes y densas del universo. Los cúmulos, los grupos y algunas galaxias aisladas pueden formar parte de estructuras aún mayores, llamadas supercúmulos. A la mayor escala del universo observable, los supercúmulos se agrupan en filamentos y muros que rodean inmensas regiones huecas. A menudo, esta estructura recibe el nombre de red cósmica.

Primero, los alumnos estudiarán las imágenes de las 40 galaxias para familiarizarse con los diversos aspectos y formas de las galaxias. Inventarán su propio sistema de clasificación de galaxias y, luego, aprenderán la manera en la que los astrónomos clasifican realmente las galaxias, dividiéndolas en cuatro grupos principales.

1.º

Diles a los alumnos lo siguiente: «En el diagrama de arriba aparecen 40 galaxias. Estas imágenes se han captado con el telescopio espacial Hubble y son una muestra de la gran variedad de formas que pueden tener las galaxias. Cuando el astrónomo Edwin Hubble empezó a estudiar los diferentes tipos de galaxias en la década de 1920, ideó una manera de organizarlas y categorizarlas. Creó un sistema de clasificación con el que agrupar las galaxias similares.

Ahora, vosotros tenéis que hacer lo mismo. En la siguiente tabla, apuntad los tipos de galaxia que veáis, junto con una descripción y tres ejemplos de cada uno.

Rellenad la tabla de la hoja de ejercicios».

2.º

Debate:

Diles a los alumnos que expliquen a sus compañeros los sistemas de clasificación que han creado. Posibles preguntas de debate:

• ¿Qué coincidencias significativas veis entre los distintos sistemas?

• ¿Y qué diferencias?

• ¿Argumentos a favor de clasificar las galaxias de alguna manera en particular?

• ¿En qué razones se han basado los alumnos para diseñar sus sistemas así?

• ¿Qué otros tipos de sistemas, totalmente distintos, podríais crear, por ejemplo, si tuvierais otros datos sobre esas mismas galaxias?

• ¿Por qué es importante (o no) clasificar los objetos que descubrimos?

• ¿Los sistemas de clasificación pueden cambiar a lo largo del tiempo?

Estas preguntas de debate también se pueden repasar en un momento posterior de la actividad. Seguramente, al menos parte de los alumnos inventarán sistemas de clasificación según la forma de las galaxias, pero si no es así, después de hablar de sus sistemas, intenta que se les ocurran otros sistemas que tengan en cuenta la forma.

Pide a los alumnos que observen la imagen y planteen preguntas a partir del análisis que han realizado hasta ese momento; a continuación, deberán escribir esas preguntas y debatir sobre ellas por grupos. El objetivo es que se planteen por qué las galaxias tienen diferentes formas. Luego, diles a los alumnos que comenten entre sí y anoten preguntas e ideas sobre cuál podría ser el motivo de que las galaxias tengan distintas formas. Por ejemplo:

• ¿Las galaxias aparecieron con diferentes formas o todas tenían la misma forma al principio y luego evolucionaron?

• ¿Qué les puede haber ocurrido a las diversas galaxias (especialmente, qué puede haber influido en su forma)? (Intenta que a los alumnos se les ocurra la idea de que las galaxias pueden interactuar entre sí).

• ¿La evolución de la forma de las galaxias podría deberse a procesos internos o externos? (Por ejemplo, algo que les suceda a todas las galaxias al cabo de un tiempo o algo provocado por una interacción con otra galaxia).

• ¿Las distintas formas podrían estar relacionadas con el tamaño de la galaxia al formarse?

• ¿Las formas que vemos son transitorias o perdurables?

Mientras los alumnos se plantean este tipo de ideas, intenta que hablen de cómo podrían investigar las respuestas a estas preguntas. Tal vez, algunos alumnos piensen que las interacciones con otras galaxias pueden ser importantes y que observar las regiones donde hay muchas galaxias (y, con ello, muchas interacciones) podría ser una manera de investigarlo.

Tanto si esto se les ocurre como si no, el debate anterior ayudará a que reflexionen sobre esta idea en una fase posterior de la actividad.

3.º

Diles a los alumnos lo siguiente: «Los astrónomos han ideado su propio sistema de clasificación de galaxias y se basa en la forma de cada galaxia (que solemos llamar morfología). A continuación, se encuentran las definiciones de los principales tipos de galaxias que emplean los astrónomos. Basándoos en estas definiciones, clasificad las 12 galaxias de la imagen de arriba según las categorías que se suelen utilizar. Rellenad la tabla de la hoja de ejercicios».

Nota: Las galaxias más pequeñas se suelen denominar galaxias enanas (las n.º 5 y 7 son galaxias enanas). Solo contienen unos pocos miles de millones de estrellas, una cifra pequeña en comparación con los 200 000 millones de estrellas que tiene la Vía Láctea. Las elípticas de mayor envergadura abarcan varios billones de estrellas.

Debate: ¿Qué diferencias y similitudes hay entre el sistema de clasificación que usan los astrónomos y los que han diseñado los alumnos?

4.º

Diles a los alumnos lo siguiente: «A partir de la siguiente imagen y las pautas, tratad de decidir cómo identificar y contar las galaxias»,

Pautas:

• I) Elípticas o lenticulares: puede ser difícil distinguirlas. Si sabéis que se trata de una E o una S0/SB0, vale con elegir la que más os convenza de las dos.

• II) Espirales o espirales barradas: puede ser difícil distinguirlas. Si sabéis que se trata de una S o una SB, vale con elegir la que más os convenza de las dos.

• III) Galaxia irregular.

• IV) No está claro: una vista lateral de una galaxia que podría ser S0, SB0, S, SB o IR. Hay demasiadas posibilidades, así que no las contéis.

• Estrella) Todos los objetos que tienen una forma similar a la mirilla de un arma son estrellas en primer plano que pertenecen a la galaxia de la Vía Láctea, de modo que no los contéis.

• ?) No contéis los objetos pequeños y poco definidos como estos, ya que son demasiado difíciles de clasificar.

5.º

Descargad las imágenes con el nombre «Fichas de galaxias» A-D para contar los tipos de galaxias que se observan en cada una. Contad cuántas galaxias hay de cada tipo morfológico y anotad el número en el lugar correspondiente de la tabla.

6.º

Diles a los alumnos lo siguiente: «Hay galaxias por todo el universo, desde nuestras vecinas —las Nubes de Magallanes y Andrómeda— hasta el límite del universo observable, a 13 000 millones de años luz. Las galaxias se encuentran en diferentes entornos. A veces hay muchas cerca unas de otras y forman cúmulos, como sucede con el cúmulo de Coma; otras veces se reúnen en conjuntos más pequeños, llamados grupos, como el Grupo Local, que contiene la Vía Láctea, y otras están aisladas de las demás. En la siguiente tabla se muestran las características de los diferentes tipos de entorno de las galaxias.

» En el paso anterior, en las imágenes de las fichas de galaxias A y C, aparecía el denso núcleo central del cúmulo de Coma, mientras que en las imágenes B y D había galaxias aisladas en el campo. (Nota: Los astrónomos emplean a veces el término campo para referirse a la zona situada fuera de los cúmulos de galaxias). Rellenad las tablas utilizando los números que apuntasteis en la tabla del paso 5 de la actividad».

Las tablas están en la hoja de ejercicios.

7.º

Pídeles a los alumnos que piensen lo siguiente y lo comenten por grupos: ¿Qué tendencias observáis a partir de los datos que habéis analizado? ¿Veis algo que os indique dónde suele aparecer cada tipo de galaxia? (Pregunta adicional: ¿Suele haber más espirales en el cúmulo denso o en el campo? ¿Y elípticas?). Los alumnos deberían darse cuenta de que las galaxias espirales son más frecuentes en el campo y las elípticas son más habituales en los cúmulos densos. Pregunta de continuación: ¿Os sorprende? El objetivo, aquí, es hacer que los alumnos pregunten «¿Por qué la cantidad de galaxias espirales (o elípticas) depende de dónde esté situada la galaxia?».

Diles a los alumnos que comenten y apunten ideas de por qué la ubicación de las galaxias parece influir en el tipo de galaxia. Pregúntales cómo podrían investigar sus ideas: ¿Qué predicciones supondrían esas ideas? ¿Qué otra información u observaciones necesitarían? ¿Cómo podrían cuantificar esta tendencia empleando los datos?

8.º

En los siguientes pasos, se explica cómo pueden investigar esta tendencia los alumnos, primero cuantificándola y luego leyendo más información sobre cómo se forman las galaxias y cómo evolucionan. Puedes decirles exactamente lo que deben hacer, tal y como se explica a continuación. O, mejor aún, puedes hacer que hablen por grupos de cómo podrían investigar su pregunta; primero deberán decidir cómo cuantificar la tendencia y, luego, determinar por sí mismos el procedimiento para realizar los cálculos siguientes.

Con una calculadora, averiguad el porcentaje que representa cada tipo de galaxia en cada una de las dos situaciones: dentro de cúmulos y en el campo (ignorad las IR e INT).

Usad los números que habéis registrado en la tabla anterior para calcular los porcentajes y rellenad los huecos a continuación:

En el cúmulo: % de elípticas (e/h) = __ %

% de lenticulares (f/h) = __ %

% de espirales (g/h) = __ %

En el campo: % de elípticas (i/m) = __ %

% de lenticulares (j/m) = __ %

% de espirales (k/m) = __ %

Pregunta: ¿Dónde habéis encontrado un porcentaje mayor de espirales, en el cúmulo o en el campo? Respuesta: __

Diles a los alumnos: «Los porcentajes que habéis hallado nos indican qué tipos de galaxias son habituales en el cúmulo de Coma y cuáles solemos encontrar en el campo.

Los astrónomos han realizado este mismo experimento con cientos de miles de galaxias del universo cercano y han descubierto que son bastante típicos los siguientes porcentajes:

• En los cúmulos densos, el 40 % de las galaxias son elípticas, el 50 % son lenticulares y el 10 % son espirales.

• En el campo, el 10 % de las galaxias son elípticas, el 10 % son lenticulares y el 80 % son espirales.

Cuando las galaxias se encuentran muy cerca unas de otras, suelen ser elípticas más que lenticulares. Cuando las galaxias están muy alejadas, tienden a ser espirales. Los astrónomos llaman a esto el efecto morfología-densidad. Este término significa, básicamente, que en las zonas más pobladas de galaxias, como los cúmulos, los tipos de galaxias que encontramos son diferentes de las que suele haber en las zonas menos densas, como el campo.

9.º

Los alumnos ya deberían haber preguntado (desde el paso 7): «¿Por qué hay más galaxias elípticas y lenticulares en los cúmulos y más espirales en el campo?». (Esta pregunta también se puede formular como «¿Por qué se observa el efecto morfología-densidad?»). También deben haber pensado que las interacciones pueden tener algo que ver e, incluso, que hay más interacciones cuando el entorno es más denso, como en el centro de un cúmulo.

A continuación, se incluye información que puede usarse para responder a esta pregunta. Puedes darles este texto a los alumnos para que lo lean y, luego, decirles que lo comenten y escriban una

explicación de este efecto. También puedes seguir con la lluvia de ideas e intentar que se les ocurran posibles explicaciones para, después, pedirles que lo investiguen en libros de texto o en Internet, por su cuenta o por grupos, y que pongan en común sus explicaciones.

Explicación:

Muchas galaxias contienen lo que los astrónomos denominan gas, que generalmente es hidrógeno gaseoso, a veces mezclado con los gases de otros elementos o con polvo. Las nubes de gas pueden contraerse por causa de la gravedad, lo que da lugar a la formación de estrellas. Los astrónomos han observado numerosas galaxias espirales (S y SB) y han visto que la mayoría de esas galaxias contienen una gran cantidad de gas y están formando muchas estrellas nuevas. Las galaxias elípticas y lenticulares (E, S0 y SB0) tienen poco gas y no forman muchas estrellas nuevas.

A menudo, las galaxias que se encuentran muy cerca unas de otras, como las de los cúmulos, se someten a un gran número de interacciones violentas entre sí. Cuando una galaxia espiral con abundante gas interactúa con otra galaxia, tiende a consumir rápidamente la mayor parte de su gas para crear nuevas estrellas y el gas que deja atrás es escaso. Con las interacciones entre galaxias, es habitual que las que tienen mucho gas pasen a tener poco. Con frecuencia, las galaxias lenticulares que observamos son los restos de antiguas espirales que han perdido su gas y muchas galaxias elípticas son los restos de varias galaxias espirales que han colisionado.

Los cúmulos de galaxias suelen estar repletos de gas extremadamente caliente, distribuido por todo el cúmulo entre las galaxias. Sin embargo, en el campo no encontramos este tipo de gas caliente. Cuando la radiación de este gas caliente llega a una galaxia espiral, le quita a la galaxia su gas, que es mucho más frío, en un proceso que se denomina barrido de presión cinética. Este proceso convierte rápidamente una galaxia espiral, repleta de gas, en una lenticular, con poco gas. Para las galaxias espirales, es difícil sobrevivir en ese entorno de gas tan caliente.

Como veis, las galaxias cambian y evolucionan con el tiempo y las que observamos ahora en el universo cercano tienen una larga trayectoria.

Actividad adicional

Una vez que los alumnos conocen las formas de las galaxias, pueden participar en un proyecto real de investigación científica, el programa de ciencia ciudadana Galaxy Zoo: http://www.space-awareness.org/es/games/galaxy-zoo/

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our wonderful Universe, Galaxies

National Curricula USA

Next Generation Science Standards, content Standard in 9-12 Science as Inquiry (Abilities necessary to do scientific inquiry, Unders and Content Standard in 9-12 Earth and Space Science (Origin and evolution of the universe)

National Curricula UK

GCSE, KS3 ,A level: Physics - Edexcel; OCR A; WJEC