31 Estructuras a gran escala

Las galaxias se extienden por el universo como estructuras de espuma. Los cúmulos se sitúan en las intersecciones de filamentos y láminas, que envuelven regiones desiertas llamadas vacíos. Esta red cósmica es el resultado de miles de millones de años de gravedad, durante los cuales las galaxias se han atraído unas a otras desde el momento en que nacieron.

En la década de los años ochenta del siglo XX, los instrumentos de los astrónomos habían mejorado tanto que podían medir los desplazamientos al rojo de muchas galaxias a la vez registrando sus características luminosas como múltiples espectros. Un grupo de astrónomos del Centro de Astrofísica de Harvard (CfA) decidió recoger sistemáticamente los desplazamientos al rojo de cientos de galaxias, para intentar reconstruir sus posiciones en el espacio en tres dimensiones. El estudio resultante, conocido como CfA Redshift Survey, reveló una nueva visión del cosmos.

Los astrónomos trazaron un mapa del vecindario de la Vía Láctea, desde su Grupo Local hasta los cúmulos más cercanos y el supercúmulo en cuyo borde se encuentra la Tierra. Conforme el catálogo crecía, exploraba regiones más lejanas. En 1985, los astrónomos habían recogido más de un millar de desplazamientos al rojo y habían recorrido una distancia de 700 millones de años luz. En 1995, el catálogo había registrado más de 18.000 desplazamientos al rojo correspondientes a galaxias relativamente brillantes en un área amplia del cielo septentrional.

Espuma cósmica El primer mapa resultaba sorprendente. Demostró que incluso a gran escala, el universo no era aleatorio. Las galaxias no estaban repartidas aleatoriamente, sino que parecían aferrarse a filamentos invisibles, desplegados en arcos sobre la superficie de burbujas alrededor de regiones desiertas llamadas vacíos. Esta estructura que recuerda a la espuma se conoce como «red cósmica». Los cúmulos de galaxias se formaban donde se superponían los filamentos. La mayor estructura que encontró el estudio se llamó la Gran Muralla y consistía en una banda de galaxias concentradas en una vasta región con unas dimensiones de 600 por 250 por 30 millones de años luz. Incrustados en esta franja, hay muchos cúmulos galácticos, incluido el famoso cúmulo de Coma, uno de los más grandes que hay cerca de nosotros.

Desde los primeros estudios, la tecnología ha facilitado todavía más el registro de desplazamientos al rojo, y actualmente se han podido localizar millones de galaxias en la mayor parte del cielo. El mayor catálogo realizado es el Sloan Digital Sky Survey, que lleva a cabo intensos barridos, año tras año, mediante un telescopio de 2,5 m de diámetro en el Apache Point Observatory en Nuevo México. Iniciado en el año 2000, el proyecto pretende localizar 100 millones de objetos, en más del 25 por 100 del cielo, y registrar desplazamientos al rojo de un millón de ellos. Para ello, recoge 640 espectros a la vez con unas placas de metal perforadas que llevan adosadas fibras ópticas. Hay que hacer una placa especial para cada zona del cielo, y cada noche pueden usarse hasta nueve placas.

Segregación galáctica El estudio Sloan nos ofrece una clara visión de las estructuras de galaxias en el universo. En todas las escalas medidas, las galaxias siguen patrones similares a una red. Como el estudio recoge tanto los espectros como las imágenes, los astrónomos pueden distinguir diferentes tipos de galaxias. Las galaxias elípticas tienden a ser relativamente rojas y sus espectros son similares a la luz de las estrellas antiguas. Las galaxias en espiral son más azules y sus espectros revelan la existencia de estrellas más jóvenes que se están formando en sus discos ricos en gas.

El estudio Sloan revela también que los diferentes tipos de galaxias tienen maneras diferentes de congregarse. Así, las galaxias elípticas prefieren los cúmulos y las regiones pobladas del espacio. Las espirales, a su vez, están repartidas más ampliamente y no suelen encontrarse en los centros de los cúmulos galácticos. Aunque por definición la mayoría de los vacíos están desiertos, pueden contener una pequeña cantidad de galaxias, normalmente espirales.

Líneas de absorción de cuásares Es fácil seguir la pista de las galaxias brillantes. Por el contrario, seguimos sin saber mucho sobre la materia oscura y el gas repartidos por el espacio. Las nubes de gas pueden verse cuando absorben la luz de objetos que están tras ellas. Los cuásares, objetos muy brillantes y lejanos, pueden servir como faros a cuyo alrededor buscar. En el momento en que absorbe la luz del Sol, y aparecen las líneas espectrales de Fraunhofer (véase la p. 32), el gas hidrógeno deja una huella reconocible en el espectro de luz de los cuásares. Por tanto, a través de esas líneas de absorción que producen, se pueden localizar nubes de hidrógeno. Otros elementos que dejan huella pueden medirse en la nube, aunque sus líneas de absorción son a menudo más débiles y difíciles de identificar.

La línea de absorción más fuerte del hidrógeno aparece en la región ultravioleta del espectro (a una longitud de onda de 121,6 nanómetros), y cuando se desplaza hacia el rojo aparece en longitudes de onda más largas. Se llama la línea Lyman-alfa. Del mismo modo, nubes de gas ricas en hidrógeno, a menudo poco contaminada desde el Big Bang, que producen esta línea de absorción se denominan también a veces nubes Lyman-alfa. Si hay muchas nubes delante de la fuente de luz cuásar, cada una de ellas producirá una marca en el espectro en la longitud de onda correspondiente a su desplazamiento hacia el rojo. La serie resultante de líneas negras que aparecen en la luz ultravioleta emitida por el cuásar recibe el nombre de bosque Lyman-alfa.

Si se investigan muchos cuásares de fondo, se podrá calcular la distribución de nubes de hidrógeno que hay delante de ellos. En general, los astrónomos ven que el gas también sigue de cerca las estructuras donde hay galaxias. Sobre la materia oscura se sabe mucho menos, porque, al no interactuar con la luz, no puede verse brillando o en un proceso de absorción. No obstante, los astrónomos sospechan que también se sitúa muy a menudo cerca de las agrupaciones de galaxias.

La atracción de la gravedad La red cósmica está causada en último término por la gravedad, que actúa en las galaxias desde que se formaron. Las estrellas y galaxias crecieron a partir del hidrógeno primordial que cubrió el universo temprano tras el Big Bang. A lo largo del tiempo, las galaxias se fueron uniendo de manera que se desarrollaron filamentos, cúmulos y murallas. Los astrónomos saben a grandes rasgos cómo se había distribuido la materia 400.000 años después del Big Bang, porque fue el momento en que se liberó el fondo cósmico de microondas. Sus puntos calientes y fríos nos dicen cómo era entonces el universo lleno de bultos, mientras que los estudios del desplazamiento hacia el rojo nos dicen lo irregular que es ahora y en el pasado reciente. Así, los astrónomos intentan unir ambas instantáneas para estudiar qué procesos hicieron pasar al universo de su estado infantil a la madurez.

El patrón preciso de la espuma cósmica depende sensiblemente de muchos parámetros de teorías cosmológicas. Ajustándolos, los astrónomos pueden restringir la geometría del universo, la cantidad de materia que hay, y también las características de la materia oscura y la energía oscura. Para hacerlo, preparan inmensas simulaciones por ordenador usando todos los datos de los que disponen.

No obstante, las respuestas siguen sin ser simples. La materia oscura puede influir en la solución y no tenemos ni idea de cómo. Los modelos que consideran los tipos «fríos» de materia oscura (las partículas exóticas de movimiento lento) predicen una mayor acumulación en grandes escalas de la que se ve. Si las partículas de la materia oscura se mueven rápido, es decir, son «calientes» o «templadas», emborronarían las estructuras de pequeña escala más de lo que también se aprecia. Así pues, los datos de las acumulaciones galácticas sugieren que la materia oscura se encuentra en algún punto intermedio. Del mismo modo, un exceso de energía oscura actúa como contrapeso para la gravedad y ralentiza la acumulación de galaxias. La apuesta más segura sería decir que el universo se encuentra en una situación de equilibrio de fuerzas.

La idea en síntesis: la red cósmica