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Biografía del Universo 30: La estructura del Universo I




hoy

Con lo dicho hasta la entrada anterior parece que ya podríamos echar el cierre. Habían pasado más o menos 13.800 millones de años desde aquello que creemos fue una excursión cuántica desde el vacío, una inestabilidad de energía que logró escapar del principio de incertidumbre con la ayuda de la gravedad. Poco más tarde pasó por un episodio tremendamente expansivo en el que su tejido creció a velocidades mayores que la de la luz, durante el que se recargó de energía. Esta energía se convirtió en materia y radiación y aún le quedó impulso que dura incluso a día de hoy. En el camino se formaron átomos y cúmulos de materia que devinieron en galaxias y estrellas. Perfectamente ordenadas, según los patrones que fijó la inflación. La historia de nuestra serie sobre la Biografía del Universo está en realidad acabada, pero procede explicar cuál es el grupo escultórico que podemos contemplar hoy, poso del paso dinámico de lo sucedido. Vamos en las próximas entradas a ver cuál es la estructura que el Universo presenta a nuestros ojos. Será un viaje… ¡apasionante!

Aquí está nuestro personaje: EL UNIVERSO. Tamaño observable: 93.000 millones de años luz en diámetro. Temperatura media: 2,725K. Volumen observable: 1,09 x 1079 m3. Densidad de energía: 0,846 x 10-29 gr/cm3. Masa: 9,27 x 1052 kg. Y aquí, su retrato… →→→

El cielo nocturno, fuera de la interferencia de la luz solar, momento en que mejor podemos apreciar la realidad de nuestro Universo. Se trata de una panorámica nocturna de la Vía Láctea vista desde la plataforma de Paranal, Chile, hogar del telescopio gigante del ESO (Wikimedia, CC BY 4.0)

Podríamos pensar que el Cosmos de hoy tendría que estar lleno de materia distribuida de forma muy homogénea. Y sin embargo, como así lo sugiere la bella fotografía anterior, somos capaces de observar que hay una estrella por aquí, un cúmulo por allá o un agujero negro por el otro lado… ¿dónde está la homogeneidad?

¡La hay!… se trata de una homogeneidad en un inmenso vacío. A pesar de que veamos mucha materia estelar en los cielos nocturnos, no deja de ser una percepción de nuestras más próximas cercanías: la Vía Láctea. Más allá de ella hay más vacío que materia, concentrada en un exiguo promedio de ¡medio protón por cada metro cúbico de un espacio mareante!

Allí, en el frío de la “nada”, la materia se estructura de forma muy ramificada, dando la impresión de seguir un esquema jerarquizado: un conjunto de vacíos gigantescos, similares a una espuma de pompas de jabón, separados por láminas de mayor o menor espesor y filamentos, rosarios de cúmulos de galaxias en los que, de vez en cuando, aparece un supercúmulo, un nodo relativamente denso. Grandes Murallas, Grandes Vacíos y Grandes Atractores, una panoplia variada de realidades cósmicas.

Modelo de la estructura del Universo. Así debe de ser en la realidad (Imagen: Springel et al. (2005), The Virgo Consortium for Cosmological Supercomputer Simulations, fair use)

Pero en conjunto, a escalas suficientemente grandes -del orden de más de 300 millones de años luz-, el Universo es homogéneo e isótropo. Mires hacia donde mires y desde cualquier punto que mires, verás siempre la misma estructura: la de la imagen anterior, rielada por hilachas etéreas y fantasmales. Una Santa Compaña de luminares siderales. En la distancia corta siguen unos patrones de agrupación, con una escala estándar de unos 480 millones de años luz que se repite, traslación a día de hoy del horizonte acústico dibujado en la imagen primera de la radiación de fondo. Vamos a hacer un recorrido por esas estructuras, comenzando por lo más “pequeño”.

Y lo más pequeño son las estrellas, muchas de ellas con sistemas planetarios. Están situadas normalmente dentro de configuraciones que conocemos como galaxias. Pero en ellas suelen presentar unas subagrupaciones que conocemos como cúmulos estelares, que pueden ser globulares o abiertos. Los primeros son agrupaciones densas de centenares de miles o millones de estrellas de más de mil millones de años de edad, mientras que los cúmulos abiertos son más inestables y contienen generalmente centenares o millares de estrellas más jóvenes. Eso sí, como toda clasificación, tiene sus excepciones. Los cúmulos estelares ayudan a comprender la evolución estelar, ya que no dejan de ser agrupaciones de estrellas formadas en la misma época a partir del material de una nube molecular.

Tras las agrupaciones estelares debemos seguir por las galaxias, refugio de cientos de miles de millones de astros y de sistemas planetarios. Tienen formas geométricas muy variadas, pudiendo adoptar una geometría espiral -entre ellas también las hay anulares-, elíptica -o globular- e incluso irregular. Tienen un tamaño variable, entre unos cientos y algunos millones de años-luz de diámetro. La más pequeña que conocemos es M60-UCD1, con 160 años-luz de diámetro y la más grande, IC 1101 de Virgo, con 5,5 millones de años-luz de diámetro.

Las galaxias están ligadas gravitatoriamente entre sí, formando estructuras de orden superior a las que conocemos como agrupaciones galácticas. Las hemos clasificado en tres tipos, dependiendo de su tamaño y el número de galaxias que contienen. Así tenemos los pequeños (a) grupos, con unas decenas de galaxias y tamaños de unos 6 millones de años luz. Les siguen por tamaño los (b) cúmulos, que pueden agrupar desde 50 a 1.000 galaxias, dentro de un gas caliente emisor de rayos X y con gran cantidad de materia oscura que condiciona decisivamente su dinámica. Su tamaño estándar es de unos 24 millones de años luz. Más grandes aún son los (c) súper cúmulos, en cuyos tamaños se diluyen el de las galaxias, siendo sus unidades más elementales los grupos y los cúmulos galácticos.

Enfoquemos la mirada en nuestro caleidoscopio hacia unos ejemplos que nos ampliarán el conocimiento de estas estructuras. Por la evidente curiosidad que produce en nosotros, los habitantes de la Tierra, qué mejor que hablar de nuestro universo más próximo. Nosotros vivimos en un lugar irrelevante dentro de todas estas estructuras. Nuestra galaxia, la Vía Láctea, deambula por el Grupo Local, que está dominado por tres matriarcas, tres galaxias espirales gigantes: Andrómeda, la propia Vía Láctea y la Galaxia del Triángulo. El resto, unas 30, son más pequeñas, siendo muchas de ellas galaxias que giran alrededor de una de las mayores. El conjunto orbita alrededor de un punto situado entre Andrómeda y nuestra galaxia.

El Grupo Local deambula perdido dentro del Cúmulo de Virgo, en el que hay una mezcla heterogénea de galaxias espirales y elípticas que posiblemente suman hasta un número de 2.000. Se cree que dentro del cúmulo la distribución de las de tipo espiral adquiere la forma de un filamento que es aproximadamente cuatro veces más largo que ancho; mientras que las galaxias elípticas se encuentran más concentradas en el centro del cúmulo. Su estructura interna es muy variopinta, ya que agrega varios subgrupos diferentes, algunos de ellos en proceso de fusión. Además, también tiene muchas galaxias satélite situadas relativamente cerca, que seguramente en el futuro acabarán por ser definitivamente atraídas por la gravedad del Cúmulo de Virgo. El medio intergaláctico está formado por un plasma a muy elevadas temperaturas en donde se encuentra, además de un número relativamente elevado de estrellas -incluso formando cúmulos globulares-, nebulosas planetarias formadas por plasma y gas ionizado, expulsados en los últimos momentos de la vida de estrellas gigantes rojas.

Resultado de modelizar las velocidades y distancias de las galaxias del Universo cercano. Las burbujas de colores agrupan a la mayoría de galaxias mientras que el resto es mayoritariamente vacío. Las distancias están en Km/seg, sólo basta dividir por la constate de Hubble para obtenerlas en millones de parsec (x 0,013 a Megaparsec, x 0,043 a Megaños luz). La anchura del cubo es de casi 700 millones de años luz. Nosotros estamos en el mínimo Local Group central (Imágenes obtenidas de este vídeo resultado de este artículo, Hélène M. Courtois et al., fair use)

Demos un paso más en la escala de tamaños en nuestro universo local. Galaxia Vía Láctea, Grupo Local, Cúmulo de Virgo y… ¡cómo no! el Supercúmulo de Virgo, o Supercúmulo Local, que contiene a todas las anteriores y mucho más: hasta 100 grupos y cúmulos de galaxias. Nuestro Grupo Local está localizado en las afueras de este supercúmulo, en un pequeño filamento que se extiende desde el Cúmulo de Fornax al Cúmulo de Virgo, posiblemente dentro de otro supercúmulo, el de Laniakea, que se encuentra junto al de Virgo.

Laniakea parece ser una realidad cada vez más evidente. La base de esta mayor certeza la encontramos en las cada vez más sofisticadas técnicas de análisis que nos ofrece la tecnología. Hoy en día comienza a ser habitual analizar la dinámica del movimiento de galaxias y cúmulos en simulacros 3D. La idea es muy sencilla: Cada día los astrónomos disponen de catálogos de galaxias más completos y hasta distancias más lejanas. Los catálogos recopilan todo tipo de información, entre otra, el  lugar de la galaxia con respecto a nosotros y la velocidad de alejamiento con respecto a nosotros. Procesando estos dos datos se puede obtener la densidad local de galaxias en el Universo y la velocidad real de movimiento de cada una de ellas sobre el campo de referencia que suponen los fotones de fondo en microondas. Todo ello permite a los astrónomos determinar la forma geométrica de los campos de potencial gravitatorio y de velocidades, así como las líneas de flujo de movimiento de las galaxias por el Universo. La imagen anterior es uno de los resultados espectaculares de este tipo de estudios (recomiendo visualizar el vídeo al que dirige la leyenda de la figura). Con estas técnicas se ha logrado detectar un patrón de densidad y flujos de movimiento local que permiten definir un entorno con su particular interrelación gravitatoria, que corresponde a lo que hemos nominado como Laniakea.[1] En las siguiente figura podemos visualizar una imagen de nuestro particular supercúmulo de familia.

A la izquierda imagen de la simulación explicada en el texto que permite definir las fronteras de un grupo local de influjo gravitatorio independiente, Laniakea. Su tamaño viene a ser de unos 12.000 km/seg, lo que equivale a unos 520 millones de años luz. La Vía Láctea se encuentra en el punto azul central. A la derecha los filamentos” en que están preferentemente orientadas las galaxias de Laniakea y sus sendas de movimiento (Imágenes obtenidas de este vídeo, R. Brent Trully et al., fair use)

En la anterior “foto” de Laniakea vemos a sus compañeros cósmicos, los supercúmulos de Shapley, el de Perseo-Piscis y el de Coma. La línea naranja es la frontera de Laniakea, que encierra zonas verdes con densidad de galaxias y zonas vacías en azul. La Vía Láctea, nuestra galaxia, se encuentra en el punto azul central. Las líneas blancas son las líneas de flujo en los movimientos de las galaxias, que van dirigidas en el sentido del atractor de la parte superior del supercúmulo y que coincide con el cúmulo Centauro. Merece la pena resaltar que hay una serie de “filamentos” en donde se concentran preferentemente las líneas de flujo. Realmente equivalen a zonas longitudinales en donde se densifican las galaxias. En particular, hay cinco de estas autopistas: la nuestra corresponde a la de Virgo.

Una vez más hago aquí un alto con mi tijera de editar, ya que la entrada se va a hacer muy larga si añado aquí todo lo que me resta. Así que dejamos aquí a Laniakea para ir a estructuras todavía más gigantescas. Lo veremos en la siguiente entrada. Hasta entonces.

  1. Este supercúmulo de galaxias, Laniakea, ha sido definido en septiembre de 2014 por un equipo de astrónomos de la Universidad de Hawái liderados por Brent Tully. De ahí que no nos sorprenda su nombre, que significa en hawaiano “Cielos inconmensurables” y que fue propuesto por David Nawa’a Napoleón, profesor de lengua hawaiana en la Universidad de Hawái, en honor de los navegantes polinesios y su conexión con el firmamento. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 9 } Comentarios

  1. Gravatar Junior | 08/04/2018 at 02:00 | Permalink

    me resulta fácil de entender así como lo explicas . y justo estaba buscando ésta información y me acordé que leí en un periódico como gran noticia que nuestra galaxia se encontraba “cerca” de un gigantesco vacío , y por lo que veo en la imagen se corresponde con la zona azul que hace de límite con el supercúmulo perseo- piscis , ahora creo comprender el sensacionalismo de la noticia , porque de nuestra galaxia a ese vacío – me imagino – deben existir millones de años luz de distancia . en fin , gracias por acercar el conocimiento a quienes no cuentan con medios para acceder a libros de divulgación a veces excesivamente costosos.

  2. Gravatar jreguart | 08/04/2018 at 08:53 | Permalink

    Hola Junior,

    gracias por tus palabras. Para mi es un placer personal el escribir sobre temas que me interesan y mucho más si sirve para otras personas.

  3. Gravatar Franco | 09/04/2018 at 03:08 | Permalink

    http://www.abc.es/ciencia/abci-confirmado-vivimos-borde-descomunal-vacio-cosmico-201706070918_noticia.html … este es el enlace en el que se hace mención al gran vacío , sería interesante saber cual es la distancia que nos separa de él , aunque desde una mirada muy pero muuuuy ámplia puede que estemos al borde , pero desde nuestra humana perspectiva considerando que estamos a 28 mil años luz de Sagitario A (como simple dato local) , luego otros tantos para salir de la galaxia , del grupo local , del cúmulo , supercúmulo y luego de Laniakea . para finalmente hacer el viaje al abismo oscuro . uuuuf ….. inconmensurable para un simple mortal . por lo tanto hablar de borde es más que sensacionalista .

  4. Gravatar Galo | 09/04/2018 at 08:34 | Permalink

    Pero el artículo del enlace arriba citado se referirá al mismo super vacío que vemos en ésta entrada ? Porque afirmar que estamos al borde de un abismo cósmico creo que es exagerado por decir lo menos .

  5. Gravatar jreguart | 09/04/2018 at 09:35 | Permalink

    Hola Franco,

    el vacío KBC al que se refiere el artículo que nos propones no es como tu te lo imaginas. O creo que así es como te lo imaginas. No es un tremendo hueco respecto al que la Vía Láctea se encuentre cerca. El vacío KBC, de acuerdo a como se conceptúa en astronomía, es una zona de menor densidad de masa que la promedio y es dentro de ese vacío donde se encuentra nuestra galaxia entera. Si será grande (diámetro de 2.000 millones de años luz) que gran parte de Laniakea está en él. La Vía Láctea se encuentra a unos cientos de millones de años luz de su centro. No sé si se puede conceptuar eso como el estar en el borde.

    En la próxima entrada de la serie se mencionarán a estas estructuras.

  6. Gravatar Junior | 12/04/2018 at 04:58 | Permalink

    Jreguart, con la explicación que le entregas a Franco comprendo que también estoy en un error al suponer que la zona de intenso azul que separa a Laniakea de Perseus – pisces es el vacío KBC . de todas formas , esa zona de bajísima densidad por lo que se aprecia , debe ser enorme considerando eso si que la escala esté más o menos calibrada . en fin , cuesta acostumbrarse a estas escalas de millones de años luz , pero de que es apasionante el tema . de eso si estoy seguriiiiisimo. gracias por todo y aquí estamos a la espera de la siguiente entrada.

  7. Gravatar Albert | 13/04/2018 at 12:00 | Permalink

    Existen discrepancias entre los valores de la Constante de Hubble calculados estudiando el CMB, que la sitúan en torno a 68 (km/s)/Mpc, y los calculados estudiando el Universo cercano, que la sitúan en torno a 72 (km/s)/Mpc El hecho de que nuestra galaxia esté ubicada en el vacío KBC podría ayudar a aliviar esta tensión en los valores de la Constante de Hubble, ver http://forum.lawebdefisica.com/threads/38158-%C2%BFPlanck-contra-Hubble?p=176453#post176453 Saludos.

  8. Gravatar jreguart | 14/04/2018 at 07:52 | Permalink

    Hola Albrt,

    gracias por tu aporte. Realmente es una historia astrofísica apasionante. En el sentido de que si es cierto que las discrepancias en el cálculo de la constante de Hubble son debidas a la diferente distribución de las masas en el Universo, de hecho sería una confirmación más de nuestra idea sobre él.

  9. Gravatar Garcés Gana | 14/04/2018 at 01:17 | Permalink

    Investigué y descubrí que la zona de menos densidad que nos separa del súpercluster Perseo-Pisces se le denomina vacío de tauro y su eje mayor mide cerca de 100 millones de años luz y su galaxia más brillante es Ugc 2627 . Si un ser inteligente viviese allí no se percataria de esa inmensa soledad que le rodea porque al igual que nosotros a ojo desnudo vería un cielo estrellado conformado en un 99% por estrellas de su galaxia .

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