miniaturadeimagen| La galaxia Remolino (M51) tiene una estructura espiral pronunciada. Los brazos espirales son regiones de formación de estelar dentro del disco galáctico, que se extienden desde el centro de las galaxias espirales y desde el final de la «barra» en las espirales barradas.
Normalmente, estas presentan dos o más brazos, que representan la zona de mayor brillo de la galaxia, en forma de espiral, y su configuración colectiva se conoce como patrón espiral o estructura espiral de la galaxia. Están compuestos de gas y estrellas brillantes, y separados entre ellos por espacios menos brillantes y aparentemente vacío.
Su apariencia es bastante diversa. Las galaxias espirales de gran diseño exhiben un patrón simétrico y distintivo, compuesto por dos brazos espirales que se extienden a lo largo de la galaxia. Por el contrario, la estructura espiral de las galaxias floculentas comprende numerosos fragmentos pequeños de brazos que no están conectados entre sí. La apariencia de los brazos espirales varía a lo largo del espectro electromagnético.
Además de un mayor brillo, se caracterizan por una mayor concentración de gas y polvo interestelar, estrellas brillantes y cúmulos estelares, explosiones estelares activas, un color más azul y una mayor intensidad del campo magnético en las galaxias. La contribución de los brazos espirales a la luminosidad total de la galaxia puede alcanzar entre el 40 a 50% en algunas de ellas. Las características de los brazos espirales están correlacionadas con otras propiedades de las galaxias, por ejemplo, el ángulo de torsión de estos está relacionado con parámetros como la masa del agujero negro supermasivo en el centro y la contribución del bulbo a la luminosidad total.
Se han propuesto dos teorías principales para explicar su origen: el modelo estocástico de formación estelar autopropagadora y la teoría de ondas de densidad. Estas teorías describen diferentes variantes de la estructura espiral y no se excluyen entre sí. Además de estas, existen otras teorías que pueden explicar la aparición de la estructura espiral en algunos casos.
La estructura espiral fue identificada por primera vez en 1850 por William Parsons en la galaxia Remolino. La naturaleza de la estructura espiral permaneció sin resolver durante un período considerable de tiempo.
Características generales miniaturadeimagen| NGC 1300 ejemplo de galaxia espiral barrada Los brazos espirales son una característica definitoria de la composición estructural de las galaxias espirales, situadas dentro de discos y que exhiben un brillo elevado en relación con su entorno circundante. Estas estructuras toman la forma de espirales, que en las galaxias no barradas generalmente se originan en una región cercana al centro de la galaxia, mientras que en las galaxias barradas se originan en los extremos de la barra. Los brazos espirales no se extienden por todo el radio del disco y terminan a la distancia a la que aún se puede distinguir este. Una galaxia normalmente consta de dos o más brazos espirales. La configuración colectiva de estos brazos dentro de una galaxia se conoce como patrón espiral o estructura espiral.
Alrededor de dos tercios de todas las galaxias masivas son galaxias espirales. Se han observado brazos espirales en galaxias con desplazamientos al rojo de hasta , y en ocasiones incluso a distancias mayores, lo que corresponde a una época en que la edad del Universo era menos de la mitad de la actual. Esto sugiere que la estructura en espiral es un fenómeno de larga duración.
Los brazos espirales presentan una variación considerable en su apariencia, en general, se caracterizan por una mayor concentración de gas y polvo, brotes estelares activos y una mayor prevalencia de cúmulos estelares, regiones H II y estrellas brillantes que en el resto del disco. Aunque se identifican principalmente debido a su población estelar joven, también existe una mayor concentración de estrellas viejas dentro de ellos. miniaturadeimagen| Imágenes de la galaxia M51 del SDSS en tres bandas fotométricas: de izquierda a derecha las bandas u (ultravioleta), r (visible) y z (infrarroja). La apariencia y manifestación de los brazos espirales en una galaxia puede variar en función de la parte del espectro electromagnético en la que se observe. En las partes azul y ultravioleta del espectro, están bien definidos debido a la presencia de supergigantes azules. En el rojo y el infrarrojo cercano, las estrellas más viejas contribuyen más, lo que hace que los brazos espirales aparezcan más uniformes, pero menos contrastados. La radiación del polvo interestelar hace que los brazos espirales brillen en el infrarrojo lejano, mientras que la radiación del hidrógeno neutro y las moléculas los hace brillantes en la banda de radio. El mayor contraste y cantidad de detalles precisos en los brazos espirales pueden apreciarse cuando se observan en las líneas espectrales de emisión producidas por las nebulosas de emisión, así como en las líneas de hidrocarburos poliaromáticos producidas por las nubes de gas frío.
La aparición de brazos espirales es uno de los criterios para la clasificación morfológica de las galaxias. Por ejemplo, en el esquema de clasificación de Hubble, las galaxias espirales se dividen en los tipos Sa, Sb, Sc. Las galaxias espirales barradas se dividen en los tipos SBa, SBb y SBc. Los brazos espirales de las galaxias tempranas de tipo Sa y SBa están estrechamente retorcidos y son uniformes, mientras que los de las galaxias tardías de tipo Sc y SBc son irregulares y están débilmente retorcidos. Los tipos Sb y SBb presentan características intermedias.
Morfología La estructura espiral de las galaxias exhibe una considerable diversidad en apariencia. Las galaxias espirales de gran diseño exhiben un patrón simétrico y claro compuesto por dos brazos espirales que se extienden a lo largo de la galaxia. Representan el 10% del número total de galaxias espirales. Por el contrario, la estructura espiral de las galaxias floculentas consiste en numerosos pequeños fragmentos de brazos que no están conectados entre sí. Entre las galaxias espirales, la fracción de dichas galaxias es igual al 30%.
El resto de las galaxias son de un tipo intermedio, llamadas «multibrazo», que exhiben las propiedades tanto de las galaxias floculentas como de las de gran diseño. Por ejemplo, pueden parecer galaxias de gran diseño y aún así poseer más de dos brazos. Alternativamente, pueden exhibir una estructura de dos brazos más ordenada en el interior, que se vuelve irregular en la periferia. Sin embargo, en casi todos los casos, ambos tipos de estructura están presentes en la estructura espiral. Incluso las galaxias de gran diseño tienen detalles que no encajan en el patrón espiral. Además, hay galaxias que exhiben diferentes tipos de estructura espiral cuando se observan en diferentes rangos espectrales. La distinción entre los dos tipos principales de brazos espirales parece estar relacionada con diferencias físicas fundamentales entre ellos.Además, los brazos espirales se subdividen en dos categorías: masivos y filamentosos. En primera instancia, los brazos espirales son anchos, difusos y no contrastan significativamente con el espacio entre ellos. En cambio, en el segundo caso, los brazos espirales son estrechos y claramente definidos.
Forma y ángulo de paso miniaturadeimagen| Ángulo de inclinación del brazo espiral La forma del brazo suele estar parametrizada por el ángulo de paso . El ángulo de paso es el ángulo entre la tangente al brazo espiral en un punto dado y la perpendicular al radio trazada hasta ese punto. En la mayoría de las galaxias espirales, el ángulo de inclinación promedio se encuentra dentro del rango de 5° a 30°. Los brazos espirales con un ángulo de paso pequeño se denominan enrollados herméticamente, mientras que aquellos con un ángulo de paso mayor se denominan abiertos.
La forma de los brazos espirales a menudo se describe de manera simplificada como una espiral logarítmica. Sin embargo, los brazos espirales también pueden describirse como una espiral arquimediana o hiperbólica. En el caso de la espiral logarítmica, el ángulo de paso es constante. Disminuye a medida que aumenta la distancia desde el centro en la espiral de Arquímedes y aumenta en la espiral hiperbólica. Las mediciones de los ángulos de torsión en las galaxias indican que sólo una minoría de las galaxias espirales tienen ángulos de inclinación de los brazos que son casi constantes. Más de dos tercios de las galaxias tienen ángulos de inclinación que varían en más del 20%. Se ha descubierto que el ángulo de torsión promedio se correlaciona con varios parámetros diferentes de la galaxia. Por ejemplo, los brazos espirales de las galaxias con bulbos más brillantes tienden a estar más apretados.
miniaturadeimagen|Los brazos espirales de la galaxia NGC 4622 «¿se inclinan?» en diferentes direcciones, lo que indicaría la presencia de brazos espirales delanteros y traseros. Los brazos espirales también pueden clasificarse como delanteros o traseros. En el caso de los brazos espirales rezagados, sus puntas exteriores apuntan en la dirección opuesta a la dirección de rotación de la galaxia. En el caso de los brazos principales, sus puntas exteriores apuntan en la misma dirección en la que gira la galaxia. En la práctica, resulta complicado determinar si los brazos de una galaxia determinada están adelantados o retrasados. Para observar la estructura espiral, la galaxia no debe estar inclinada excesivamente hacia el plano de la imagen. Sin embargo, es necesaria una ligera inclinación para determinar la dirección de rotación. Además, es necesario identificar el lado de la galaxia más cercano al observador. Una revisión de los datos observacionales indica que la mayoría de las galaxias presentan brazos espirales rezagados, siendo los brazos delanteros relativamente poco comunes. Por ejemplo, entre las doscientas galaxias estudiadas de este modo, sólo dos podrían tener brazos principales. En algunos casos, las galaxias presentan brazos espirales tanto delanteros como traseros, como lo ejemplifica NGC 4622. Las simulaciones numéricas han demostrado que pueden surgir brazos espirales delanteros en circunstancias específicas. Un ejemplo de ello es cuando el halo de materia oscura gira en oposición al disco de la galaxia.
El ancho de los brazos espirales en la mayoría de las galaxias aumenta con la distancia desde el centro. Las galaxias de gran diseño exhiben el mayor ancho de brazos espirales.
Luminosidad y color miniaturadeimagen| NGC 4921 – una galaxia anémica La relación entre la luminosidad de la estructura espiral y la luminosidad de toda la galaxia es máxima en las galaxias espirales de gran diseño. Para estas galaxias, esta proporción es del 21% en promedio, y algunas alcanzan hasta el 40-50%. Para las galaxias floculentas y multibrazo, la proporción es del 13% y del 14%, respectivamente. Además, la proporción de brazos espirales en la luminosidad total aumenta en los tipos morfológicos posteriores. Para las galaxias de tipo Sa, esta proporción promedia el 13%, mientras que para las galaxias de tipo Sc promedia el 30%.
El color de los brazos espirales se vuelve cada vez más azul en las galaxias de tipos morfológicos tardíos. El índice de color gr para las galaxias de tipo Sc es de aproximadamente 0,3–0,4 m, mientras que para las galaxias de tipo Sa es de 0,5–0,6 m.