Estructuras en el universo

El universo esta lleno de estructuras, una simple mirada a nuestro alrededor nos permite darnos cuenta de ello. Las estructuras hablan, si uno sabe escucharlas, sobre muchas cosas. Dicen por ejemplo si son nuevas, recientes o antiguas, si fueron hechas por alguna entidad inteligente, si son producto del azar o de una inevitable sucesión de eventos. Es natural a veces, cuando observamos el Universo, pensar a las cosas que vemos como estructuras que tienen propiedades, y que esas propiedades nos permiten aprender sobre su naturaleza y origen.

Si vemos algun planeta, incluso con un modesto telescopio, notamos que tiene forma redonda. Muchas cosas se pensaron en la antiguedad sobre el significado de esto, y llevó mucho tiempo hasta que el hombre se dio cuenta de que eran objetos esféricos de gran tamaño. Esto solo implica un salto enorme en la estructura de pensamiento y abstracción, y constituye en si mismo, un descubrimiento muy importante.

Hemos aprendido también que los planetas giran alrededor de estrellas, también prácticamente esféricas, y que grandes conjuntos de estrellas, planetas (y muchas cosas más…) se aglomeran en estructuras más o menos aisladas, como “universos islas”, las galaxias.

Podemos hojear un Atlas de galaxias, desde alguna de las reliquias que guardamos en la biblioteca del Observatorio con algunas de las primeras imagenes de galaxias del hemisferio sur, hasta los más depurados y completos catálogos en línea del presente, y darnos cuenta de que hay muchos tipos distintos de galaxias.

Son objetos sumamente complejos, que equipos enteros de personas estudian en detalle para develar los secretos mejor guardados de la fisica del universo. El ojo experto del astrónomo reconoce inquietantes detalles sobre procesos físicos de largo o corto alcance, violentas explosiones, fuerzas desvastadoras, escalas espaciales y temporales increíbles. Y aun así, lo primero que notamos cuando vemos un Atlas de galaxias, es que no todas ellas son iguales, sus formas son distinas. Esta observación basica y fundamental sobre las estructuras que presentan las galaxias, es el punto de partida para comprender su formación y evolución.

Si abarcamos un volumen suficientemente grande del Universo nos damos cuenta de que la distribución espacial de las galaxias nos es aleatoria sino que obedece ciertas propiedades estadísticas muy específicas. Este hecho es uno de los pilares que soportan el modelo cosmológico actual.

La distribución de galaxias en grandes escalas, o estructura en gran escala del Universo, es el último y mayor nivel de estructura que podemos observar. Este orden, que recien ha podido ser detectado en las últimas décadas, es el resultado casi exclusivo del crecimiento de pequeñas fluctuaciones de densidad en el universo primitivo, amplificadas por la lenta pero implacable acción de la gravedad.

Fig. 1 | Ejemplos de formas que observamos en el Universo: un panal de abejas está formado por hexágonos, las ramas de los árboles y los cauces de los ríos y las nervaduras de las hojas son estructuras típicas de recolección de elementos.
El planeta Tierra es prácticamente esférico, y la estructura espiral aparece tanto en el caparazón de un molusco como en la forma de una galaxia.

La red de estructuras que forman el Universo, que se asemeja a un entramado de filamentos alternados con vacíos en una configuración similar a una esponja, se diferencia de otras estructuras menores porque no esta relajada dinámicamente.

Emprendemos entonces la búsqueda de las estructuras dinámicamente relajadas más grandes del Universo observable. Pero antes, tenemos que responder algunas preguntas: ¿qué significa que algo esté dinámicamente relajado? ¿De qué escalas estamos hablando? ¿Cómo saber si una estructura es la más grande que puede formarse?

Entre todas estas interesantes cuestiones, nos iremos acercando a entender cómo la gran estructura del Universo nos enfrenta a las más fundamentales preguntas sobre su constitución visible e invisible, y cómo, de la mano de teorías y simulaciones, empezamos a vislumbrar inquietantes revelaciones sobre su futuro lejanovisible e invisible, y cómo, de la mano de teorías y simulaciones, empezamos a vislumbrar inquietantes revelaciones sobre su futuro lejano…

En un trabajo reciente, construímos un catálogo de superestructuras en el Universo, las más grandes que pueden observarse, y posiblemente las más grandes que pueden existir. Pero antes de descubrir las cosas que podemos aprender a partir de estas superestructuras, tratemos de pensar en una cuestión básica pero no del todo fácil: que tan grandes son las estructuras más grandes del Universo?

Nuestra experiencia cotidiana nos indica que para hacernos una idea de las dimensiones de algo, generalmente es de ayuda ponerlo en perspectiva. En la figura 1 se puede ver, por ejemplo, un camión utilizado para minería, pero solo apreciamos su tamaño cuando lo comparamos con las personas que se ven cerca del camión.

Fig. 1 | Gracias a poner las cosas en perspectiva, podemos hacernos una idea del tamaño de las cosas. En la figura se puede ver el vehículo de minería Liebherr T282B, y unas personas cerca de las ruedas. Sería más difícil apreciar el tamaño de esta máquina si no tuviéramos un punto de comparación.

Muchas veces hacemos esta clase de comparaciones no solamente con el tamaño de las cosas, sino también por ejemplo con el tiempo. El tiempo es una cantidad muy subjetiva, dificil de medir y de definir, pero todos utilizamos este concepto para hacernos una idea de escalas, tanto temporales como espaciales. Por ejemplo, podemos decir que si la historia de la Tierra, desde su formación hasta hoy transcurriera en un año, los primeros hominidos aparecerían recién al anochecer del último dia. Y la agricultura, se desarrollaría un minuto antes de la medianoche del 31 de diciembre… Wow! Es díficil hacerse una idea de cuanto es tantos millones de años, pero unas horas o un minuto es algo que si podemos imaginar. De la misma forma, podemos decir que Ushuaia, en el sur argentino, esta a casi 3300 km. Parece mucho, sobre todo si se considera que para ir en automóvil desde Córdoba, viajando a una velocidad constante de 100km/h, tardaríamos 33 horas!

Fig. 2 | La Tierra, la Luna, y la distancia que las separa a escala.

Vamos a seguir con estas ideas para tratar de adquirir un sentido de las escalas en cosmología.

En la figura 2 podemos ver una imagen con los tamaños comparativos de la Tierra y la Luna, y su distancia relativa. Si hasta ahora la Tierra paracia un lugar grande, pensemos en el conjunto Tierra-Luna como un todo… ya empezas a sentir vertigo?

La Tierra tiene mucho menor tamaño que el Sol, de tal forma que si pusiéramos en línea 100 planetas Tierra, entrarían en el Sol. En total, necesitaríamos cerca de un millón de veces el volumen de la Tierra para igualar el volumen del Sol.

Ahora sigamos con idea de cuánto tiempo se tarda en recorrer cierta distancia. Si comparamos tiempos, es equivalente a comparar distancias. Los vehiculos máute;pidos construídos por el ser humano son las naves espaciales utilizadas en la exploración planetaria. La sonda Voyager viaja a una velocidad de más de 17km/s, o sea, 61200 km/h, lo cual es más o menos el 10 por ciento de la velocidad del proyectil cuando es disparado con un arma de fuego. Aun con esta velocidad, la sonda Voyager tardó desde su lanzamiento en 1977 hasta hoy para superar una distancia de unas 100 veces la distancia Tierra-Sol.

Pero como vamos a hablar de distancias muy grandes, necesitamos algo que viaje mucho más rápido. Ahora bien, según la teoría de la relatividad, nada puede viajar mas rápido que la luz en el vacío, así que usaremos como parámetro el tiempo que tardaría la luz en ir de un punto a otro. Así, por ejemplo, la luz que sale del Sol tarda 8 minutos en llegar a la Tierra, menos de una hora y media en alcanzar a la zonda Voyager, y más de 25 mil años en llegar al centro de nuestra Galaxia, la Váa Láctea. Y no olvidemos que el Sol esta a mitad de camino entre el centro y el borde de la Galaxia. Nos damos cuenta entonces de que la Galaxia es muy grande! Ok, si estas bien agarrado a tu silla, ahi va el tiempo que tardaria en recorrer una superestructura: más de 30 millones de años. Nuevamente es un numero abrumador, asi que recurramos a nuestras analogías más mundanas, si quisieramos construir una superestructura a escala, con un tamaño de un metro de diáproximadamente, la Vía Láctea ocuparía menos de un milímetro.

Fig. 3 | Ejemplo de una superestructura, representada por las galaxias luminosas que la forman (izq.). En este caso, cada punto representa una galaxia, como la que se muestra a manera ilustrativa a la derecha.

Ahora, la siguiente pregunta es, ¿qué es lo que hace que no haya estructuras más grandes que éstas? Para responderla, tendremos que explorar universos virtuales en un futuro muy distante. Este viaje nos llevará a plantearnos cuáles son las componentes que forman el Universo. Algunas de estas componentes están íntimamente relacionadas con la fuerza de la gravedad, responsable de la formación de estructuras. Otra, inevitablemente ligada con una energía de naturaleza desconocida, que existe desde los inicios del Universo y está destinada a oponerse a la fuerza más colosal de todas…

Fig. 4 | Representación de las escalas relativas del sistema Solar, el Grupo Local de galaxias y el Supercúmulo Local.

La formación de estructuras es, posiblemente, el problema central de la cosmología.

La estructura que observamos hoy forma una intrincada red de filamentos y cúmulos, superestructuras y regiones vacías, que constituye sólo el primer nivel de estructura.

Y sin embargo, esta compleja distribución de materia y energía que vemos hoy proviene de un universo primitivo sumamente homogéneo. ¿Cómo explicamos entonces la distribución jerárquica de materia en el Universo actual, los tamaños, composiciones y formas de sus estructuras y la distribución de galaxias que vemos como resultado?

Para ello contamos con el modelo cosmológico y el modelo de formación de estructuras. Pero para llegar a explicar las propiedades del Universo actual, tenemos que basarnos en ciertas asumciones teóricas sobre la energía y la materia oscuras, especies dominantes en la dinámica del Universo cuya verdadera naturaleza nos es todavía desconocida.

Breve historia del Universo

Multipliquemos al número 10 por sí mismo, unas 40 veces. Nos da un uno seguido de 40 ceros. Ahora dividamos el intervalo de tiempo de un segundo en esa cantidad de partes. Cada parte es un intervalo de tiempo muy (muy) corto. Todo lo que ocurrió durante esa fracción de segundo después de la gran explosión que dio origen al Universo como lo conocemos, nos es totalmente desconocido. Pero claro, lo que entendemos de los primeros instantes del Universo es el resultado de teorías, ya que es impensable someter a nuestros instrumentos lo que ocurrió casi 13 mil millones de años atrás. Lo que siguió durante los primeros segundos es entendido también mediante complejas teorías. Sin embargo, mientras más nos alejamos de la dichosa singularidad que dio origen al universo, más confiables son las teorías con las cuales intentamos explicar lo que pasó. Esto se debe a que las comprobaciones experimentales de dichas teorías son más accesibles, de manera directa o indirecta. Una vez que transcurrió un segundo después de la gran explosión, la física del Universo era muy parecida a lo que ocurre en un acelerador de partículas. A los 100 segundos se estaban formando los primeros elementos químicos. Y en algúm momento, en las primeras fracciones de segundo, el universo experimentó una expansión muy rápida, de cortísima duración, conocida como el periodo de inflación, durante la cual el espacio se estiró tanto que lugares muy alejados terminaron siendo parecidos en ciertos aspectos, porque antes de la inflación estaban uno al lado del otro. Pequeñas fluctuaciones de densidad, producidas por efectos cuánticos, sobrevivieron después de toda esta vorágine de física de los primeros instantes, y eso nos deja en el punto de partida de nuestra empresa de entender la formación de estructuras: desde un universo muy homogéneo en los orígenes del tiempo, a la compleja distribución de materia, energía, y vida que vemos hoy.

Para pasar de un estado a otro, en donde las pequeñísimas fluctuaciones se amplifican hasta formar superestructuras, contamos con la fuerza de gravedad. Sin embargo, esta fuerza que produce el crecimiento de los “grumos” de materia no es el único factor que interviene en la formación de estructuras. En términos simples, las materia oscura es el principal generador de gravedad, y la energía oscura es una entidad que produce repulsión en el espacio, y mediante la aceleración de la expansión del universo se opone a la acción de la gravedad. Pero además, la importancia de cada componente varía con el tiempo. Así, mientras la materia dominaba ampliamente la dinámica de la formación de estructuras en el universo temprano, su influencia decae en el tiempo. La energía oscura,según el modelo cosmológico estándard, mantiene una influencia constante en la dinámica del universo, y tras esperar casi inadvertida durante varios miles de millones de años, hoy domina el juego de la dinámica y hace que el universo se expanda con velocidad creciente. Las estructuras más grandes, en proceso de colapso, comienzan a sentir la influencia de la energía oscura y se ven inmersas en una colosal batalla entre el colapso gravitatorio y la expansión. Mientras que en ciertas escalas la gravedad es suficiente para ganarle a la expansión, en otras, más grandes, el delicado balance entre la atracción y la repulsión es apenas alterado para que se formen las estructuras más grandes del universo. Muy distinta sería la estructura si el equilibrio entre las distintas componentes del universo apenas cambiaran, y por lo tanto las superestructuras guardan íntimamente algunos interesantes secretos sobre la historia y la composición del universo.