Las estructuras máximas del universo conocido

LAS ESTRUCTURAS MÁXIMAS DEL UNIVERSO CONOCIDO

1. Más allá de los supercúmulos de galaxias

En septiembre de 2014 un equipo de investigación liderado por R. Brent Tully descubrió que lo que hasta entonces se conocía como el Supercúmulo Local , de la que forma parte la Vía Láctea, no era sino un lóbulo de una estructura mucho mayor a la que dieron el nombre de Laniakea. Laniakea está formada por más de 100.000 grandes galaxias unidas gravitacionalmente a lo largo de más de cuatrocientos millones de años luz de distancia. La vía láctea se encuentra en los barrios periféricos de dicha formación. El descubrimiento, según cuenta el propio Tully[1], el descubrimiento fue en parte fortuito. Los investigadores del equipo estaban interesados en el estudio de las anomalías en el movimiento de alejamiento de las galaxias. Se observaba que la velocidad de alejamiento no era la esperada en el caso de que la única causa subyacente fuera la expansión del cosmos. Era conocido el hecho de que parte del movimiento de las galaxias se debía a interacciones gravitatorias de su entorno inmediato, lo que le confería su movimiento propio, diferente del movimiento expansivo general del que también participaba cada galaxia.

Las masas de las galaxias, considerando como tales la suma de las masas de sus estrellas componentes, más las masas de gas interestelar no daban cuenta ni de las velocidades de rotación típicas de las galaxias espirales ni de sus propios movimientos, motivo por el que se empezó a especular sobre la materia oscura, materia de origen y composición desconocida que daría cuenta de ese déficit de masa para explicar ambas cosas. El concepto fue propuesto por Fritz Zwicky en 1933 para explicar las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos. Con el tiempo se han conocido otros fenómenos cósmicos imposibles de explicar sin apelar a un exceso de masa que no se observa sino es por sus efectos gravitacionales: la arriba mencionada velocidad de rotación de las galaxias, la existencia de lentes gravitacionales de los objetos de fondo por los cúmulos de galaxias, tales como el Cúmulo Bala (1E 0657-56) y la distribución de la temperatura del gas caliente en galaxias y cúmulos de galaxias, que no se ajusta a la teoría sin apelar a dicha masa oscura.

La idea del grupo de Tully fue elaborar un completo mapa de flujos de galaxias junto a sus velocidades medidas, al modo que un ingeniero hiciera con el flujo de un fluido a través de sus partículas constituyentes. Se pensó que una vez se dispusiera de tal diagrama se pudiera intuir las ubicaciones de aquellas masas que atraían a grupos de galaxias. El estudio prometía arrojar luz sobre otro aspecto extraordinariamente antiintuitivo de la cosmología reciente: el hecho de que la expansión del Universo fuera acelarada. Para ello se había postulado la existencia de una energía oscura que nada tiene que ver con la materia oscura, sino que es una versión actualizada del concepto de la constante cosmológica. El conocimiento de la cantidad de materia existente (oscura y luminosa) en el cosmos es crucial para estimar el destino final del mismo, motivo por el que los trabajos del grupo de Tully tenían implicaciones importantes en varios temas cosmológicos importantes.

Fue este estudio de los flujos de galaxias consideradas como puntos en un medio lo que llevó al descubrimiento de Laniakea. Para ello se tuvo que discriminar para cada galaxia el movimiento debido a la expansión universal del movimiento debido a la influencia gravitatoria del entorno. La primera fase era hallar el valor del corrimiento al rojo de los espectros galácticos. Con tal dato pudieron estimar la velocidad de alejamiento de las mismas, y la distancia aproximada a la que se encuentran (mediante la relación de Hubble). La segunda parte consistía en adivinar qué fracción de dicha velocidad se debe a la atracción gravitatoria cercana. Para ello era necesario determinar la distancia de la galaxia a nosotros por algún procedimiento independiente del corrimiento al rojo. Estas estimaciones se basan en consideraciones de luminosidad: la luminosidad de un objeto decrece con el cuadrado de la distancia, pues su flujo ha de repartirse en una esfera cuya superficie crece con dicho cuadrado.

Se contaba con las denominadas candelas cósmicas estándar de las que hemos hablado: objetos muy estudiados de los que se sabe perfectamente cuál es su luminosidad intrínseca. En la historia de la astronomía y de la cosmología tales candelas estándar son de importancia crucial, porque permiten la estimación de distancias absolutas. El propio Tully había trabajado en ello años antes, encontrando la que se denominó relación de Tully-Fischer y de la que hemos hablado anteriormente. Encontrada por los astrónomos R. Brent Tully y J. Richard Fisher en 1977, establece una relación matemática sencilla entre la luminosidad propia o intrínseca de una galaxia espiral y su velocidad de rotación. Realmente tanto una como otra dependen de la cantidad de masa de la galaxia: a más estrellas, mayor luminosidad; y mayor velocidad de rotación. La relación de Tully-Fischer afirma que la luminosidad es proporcional a la cuarta potencia de su velocidad máxima de rotación. Dado que tal velocidad de rotación puede estimarse a partir del espectro de la galaxia, a partir de la anchura de las líneas espectrales, en particular de la línea a 21cm emitida por el hidrógeno neutro de la galaxia, era factible estimar bastante bien la luminosidad intrínseca de cada galaxia, y por comparación con su luminosidad visible, estimar la distancia. Este procedimiento conlleva una incertidumbre del 20% en los valores obtenidos, y cuando se cuenta con ayuda de supernovas de tipo Ia en dichas galaxias la incertidumbre se puede reducir a la mitad.

Integraron en 2008 todos los datos recogidos en un único catálogo que denominaron Cosmicflow, con 1800 galaxias situadas hasta 130 millones de años luz de distancia; y en 2013 hicieron lo propio con un catálogo mucho más exhaustivo: 8000 galaxias en un espacio de 650 Megaaños luz de distancia (Cosmicflow-2). La cuestión es que según se iba enriqueciendo el catálogo se iban observando unos detalles antes desconocidos: en palabras del propio Tully:

" las galaxias fluían en ríos que serpenteaban por cuencas cósmicas (... ) fluyen en corrientes, giran en remolinos y se acumulan en embalses, lo que indirectamente revela la estructura, la dinámica y el origen y el futuro de las mayores acumulaciones de materia del universo." [2]

Asimismo, se observaba que todas las galaxias se movían hacia un enorme atractor del que nada se conocía. Tan sólo la expansión del universo impide que toda esta cantidad de materia colapse en dicho atractor. Al conjunto de galaxias integrada bajo la influencia gravitatoria se le dio el nombre de Laniakea.

2. Un esbozo de la geografía cósmica local

Con estos nuevos descubrimientos podemos pergeñar un esbozo geográfico de nuestro universo partiendo de nuestra situación y en base a los conocimientos que poseemos en este momento: formamos parte de un sistema solar integrado en los extremos de uno de los brazos de una galaxia espiral bastante típica que cuenta con una corte de galaxias enanas en sus cercanías: las llamadas Pequeña y Gran Nube de Magallanes, situados a 0.180 y 0.22 Megaaños luz respectivamente. Algo más alejada está una galaxia espiral similar a la nuestra: la Galaxia de Andrómeda, situada a 2.5 Megaaños luz. En un entorno de unos 25 Megaaños luz existen unas docenas de galaxias que conforman el conocido como Grupo Local. Dentro del Grupo Local existen tres subsistemas que se mantienen gravitatoriamente gracias al tirón gravitacional de tres galaxias masivas que hacen de centro de gravedad de dichos subsistemas. Son los siguientes:

Sistema de Andrómeda (M31): Galaxia de Andrómeda M31 y sus satélites M32, M110, NGC 147, NGC 185, Andrómeda I, Andrómeda II, Andrómeda III, Andrómeda IV, Andrómeda V, Andrómeda VI y Andrómeda VII.

Sistema de la Vía Láctea: formado por la Galaxia Elíptica Enana de Sagitario (SagDEG) , Galaxia Enana del Can Mayor, Gran Nube de Magallanes, Pequeña Nube de Magallanes, y las Galaxias Enanas de la Osa Menor, Draco, Carina, Sextans, Sculptor, Fornax, Leo I, Leo II y de Tucana.

Sistema del Triángulo: Galaxia del Triángulo (M33) y la Galaxia Enana de Piscis (LGS 3)

El grupo local esta integrado en la llamada Hoja local (Local Sheet), denominada así porque es una estructura extraordinariamente plana, en la que muchas de sus galaxias integrantes (Vía Láctea y Andrómeda entre ellas) son además coplanarias. De hecho, al menos quince galaxias satélite de Andrómeda (M31) se encuentran en el mismo plano que la Vía Láctea. Bajo este plano existe un filamento de galaxias, denominado La espuela de Leo y las llamadas Nubes de Antlia y Dorado. Sobre la Hoja, un vacío sin estructura apreciable alguna denominada, como era de esperar, Vacío Local. La Hoja Local es una especie de pared que es desplazada por el vacío local en su expansión, y que empuja a la Hoja hacia las Nubes de Antlia y Dorado. Más allá se encuentra el Cúmulo de Virgo, a unos 59 Megaaños luz, que concentra en un volumen de radio inferior a 13 Ma-L un número de galaxias equivalente a unos trescientos Grupos Locales. Junto con otros cúmulos tales como el Cúmulo Local forma el Supercúmulo Local, o Supercúmulo de Virgo con unas dimensiones de unos 107 Megaaños luz). De la unicidad del Supercúmulo local da cuenta el hecho de que todas las galaxias del mismo participan de un movimiento en dirección Centauro, impelidos por la fuerza gravitatoria del Gran Atractor, del cual se desconoce todo. Sin embargo, otros supercúmulos cercanos como el Supercúmulo de Perseo-Piscis participan del mismo movimiento.

Los trabajos que desembocaron en el Cosmicflow2 sugieren que los supercúmulos son cuencas cósmicas por las que se desplazan las galaxias, pero demuestran algo más: el Supercúmulo local forma parte, junto con otros supercúmulos, de una estructura inmensamente mayor que es la que se ha dado en denominar Laniakea: con una anchura de unos 500 Megaaños luz y cien mil billones (10^17) de estrellas. El propio Tully admite que quizás Laniakea a su vez esté integrada en alguna estructura mayor, pero esto es mera conjetura por el momento. En la imagen siguiente se aprecian dichos flujos cósmicos de galaxias que conforman Laniakea [3].

Se trata de una representación de la estructura y flujos debido a la masa en coordenadas SGX, SGY, SGZ supergalácticas (realmente es un corte para SGY=0), en las que las unidades tanto se pueden dar en términos de corrimiento al rojo, en velocidades de recesión asociadas, como en el caso de la figura, o en MPc. Las corrientes de flujo que se originan en nuestra cuenca de atracción que terminan cerca del Grupo Norma están en hilos de flujo negros y las correspondientes que terminan en el atractor relativo al cluster de Perseo-Piscis están en rojo. El Arco y las estructuras extendidas de la pared de Antlia puentean entre las dos cuencas de atracción.

Además de Laniakea, otras estructuras inmensas eran ya conocidas desde finales del siglo XX: las llamadas murallas cósmicas.

La llamada Gran Muralla fue descubierta en 1989 por Margaret Geller y John Huchra, estudiando distribuciones masivas de datos de corrimiento al rojo de galaxias. Se encuentra aproximadamente a 200 Megaaños luz, sus dimensiones sobrepasan los 500 Megaaños luz de diámetro, 300 Megaaños luz de ancho y 15 Megaaños luz de espesor. Está formado por varios suepercúmulos que interaccionan gravitatoriamente; Supercúmulo de Hércules y el Supercúmulo de Coma este último incluye el Cúmulo de Coma y el Cúmulo de Leo. Las dimensiones exactas de esta muralla no se pueden apreciar porque el polvo de nuestra galaxia interfiere en las observaciones.

Aún mayor es la estructura conocida como Gran Muralla Sloan fue descubierta en octubre de 2003 por J. Richard Gott III, y Mario Juric, de la Universidad de Princeton, y sus colegas usando datos de la Sloan Digital Sky Survey. Se trata de un ambicioso un proyecto comenzado en el año 2000 que recopila información masiva en el espectro visible utilizando para ello en un telescopio específico de ángulo amplio y de 2,5 metros situado en el observatorio Apache Point de Nuevo México. La misión recibe su nombre en homenaje Alfred P. Sloan, potentado estadounidense que subvenciona ambiciosos proyectos científicos mediante la Fundación que lleva su nombre. La sistemática exploración cubierta por este proyecto incluye más de 7500 grados cuadrados de la Región Galáctica sur con datos de casi 2 millones de objetos y espectros de más de 800 000 galaxias y 100 000 quasars. La información de la posición y la distancia de un número tan alto de objetos permitió investigar por primera vez la estructura a gran escala del Universo y descubrir los llamados filamentos de galaxias. La Gran Muralla Sloan es cerca de tres veces mayor que la Gran Muralla de Geller y Huchra.

En octubre de 2003 J. Richard Gott III y Mario Jurić, de la Universidad de Princeton anunciaban el descubrimiento de una enorme pared cósmica que denominaron La Gran Muralla Sloan, de unos 1370 Megaaños luz; siendo superada por el complejo de supercúmulos conocido con la Gran Muralla de Hércules-Corona Borealis, descubierta en 2013 mientras se estaba estudiando la distribución cósmica de brotes de rayos gamma a través del telescopio Fermi, puesto en órbita terrestre por NASA en 2008. Los brotes de rayos gamma son unos sucesos extraordinariamente raros y violentos, y el análisis de los Esta inmensa estructura está a una distancia que implica un corrimiento al rojo de 1,6 a 2,1, lo que corresponde a una distancia de aproximadamente 10 Gigaaños luz, su nombre deriva del hecho de que su situación está en la visual de las constelaciones de Hércules y de Corona Boreal.

La Gran muralla de Hércules-Corona Borealis es la estructura más grande conocida en el universo, ocupa al menos un diez por ciento del universo observable. Llegamos así a los máximos grumos estructurales del Universo, por encima de los cuales la distribución de masa debería ser homogénea e indiferenciada según el Principio Cosmológico.

3. El fin de la grandeza

Con el descubrimiento de estas murallas cósmicas la estructura jerárquica que acababa en los cúmulos de galaxias tiene un nuevo peldaño; sus componentes tienen diámetros de más de mil millones de años luz, y cuestionan la homogeneidad del universo presupuesta en el Principio Cosmológico. Si después de todo éste fuera cierto, a escalas aún mayores ya no se observarían estructuras apreciables. Es lo que se ha denominado como "The end of the Greatness", el Fin de la grandeza.

Imagen generada por el Virgo Consortium for cosmological supercomputer. El Consorcio Virgo fue fundado en 1994 para Simulaciones Cosmológicas de Supercomputadoras en respuesta a la Iniciativa de Computación de Alto Rendimiento del Reino Unido.

Con el Fin de la Grandeza termina la exploración del tamaño efectivo del Universo, un viaje conceptual que nos ha llevado de las ideas medievales herederas de las concepciones griegas, de un universo esférico autocontenido en la esfera de estrellas fijas, hasta un universo inconcebiblemente grande pero finito en el que cada estructura es a su vez parte de una estructura mayor hasta llegar a sus últimos agregados del orden de 10⁹ años luz de diámetro, que luchan entre dos fuerzas: la cohesiva de gravedad y la desintegradora de la expansión universal. Sin embargo su tamaño dicta también su destino: a tales tamaños cosmológicos la gravedad no es suficiente; y su destino parece estar fijado en una lenta disolución en el vacío cósmico, desgajados por la expansión del cosmos.

NOTAS

[1] Libeskind, N.I., Tully, R.B.(2016) Nuestro lugar en el cosmos. Investigación y ciencia, septiembre, 2016

[2] Ibid.

[3] Tully, R.B. , Courtois, H. , Hoffman, Y. & Pomarède, D. The Laniakea supercluster of galaxies Nature, vol 513, number 7516, p71 (4 September 2014)