Universo a gran escala, su evolución (II): Grandes Estructuras.

Posted on 8 enero 2022 by joseantoniomartin

Entre las preguntas que nos hacemos del Universo, los ¿por qué?: de cómo se expande, o porque es homogéneo e isotrópico como vimos en la Primera Parte, su historia, que haya vida, su composición físico-química o cómo se expande; una de ellas es su estructura a gran escala, entendiendo que la estructura a gran escala está entre los supercúmulos y el horizonte relativista.

Los cúmulos galácticos son los objetos autogravitacionales más grandes del universo, donde predomina una gran cantidad de gas extraordinariamente caliente, siendo pozos de misteriosa materia oscura. Ha habido un esfuerzo histórico para empezar a dibujar esa estructura, Mesier empezó haciendo un catálogo en 1784 (asignando la letra M casualmente a cada objeto, por ejemplo la galaxia Andrómeda es M31), después en 1888 vino el New General Catálogue (NGC) y posteriormente el Index Catalogue (IC), denominaciones que subsisten hoy en día.

Puede considerarse gracias al Hubble el reconocimiento definitivo (después de varias teorías de tamaño, clasificación y composición, incluidas trampas al solitario de Shapley) de la diferencia de nebulosas intragaláctica (nebulosa) y nebulosa extragaláctica (galaxia), así como las dimensiones reales del Universo. La existencia de la materia oscura (aunque me gusta más llamarla transparente, porque nadie la ve) es clave para entender las grandes estructuras; es una materia que ni emite, ni absorbe, ni dispersa, ni refleja, ni tiene relación alguna con la luz. Se cree que las galaxias son esencialmente materia oscura. Una galaxia es diez veces más grande y masiva de lo que se ve a simple vista, y esto se dedujo del hecho de que rotaban tan rápido, que necesitarían muchísima más masa que la visible, para contrarrestar la gran fuerza centrífuga y mantenerse unidas por autogravitación.

Para situar una galaxia en el Universo se suelen utilizar coordenadas polares (ρ, φ, θ) en 3D, con una coordenada de distancia ρ y dos ángulos φ, θ que nos fijan la dirección en la que se encuentra, de manera que (x = ρ senφ cosθ, y = ρ senφ senθ, z = ρ cosφ). Las dos coordenadas angulares φ, θ son fáciles de calcular, sin embargo, la distancia ρ es más complicada, y se usan muchos métodos dependiendo del tipo de objeto y su lejanía, mediante referencias conocidas, luminosidad, desplazamiento al rojo z, rotación con el efecto Doppler, agitación térmica, espectro, … Las más lejanas detectadas tienen un desplazamiento al rojo z=10 (correspondiente a la aparición de las primeras estrellas, desde hoy hasta la época de reionización).

GRUPO LOCAL DE GALAXIAS

La Vía Láctea forma parte del Grupo Local de galaxias (30-40). La Vía Láctea tiene dos galaxias satélites irregulares muy pequeñas que son las Nubes de Magallanes, y otras enanas como por ejemplo la elíptica de Sagitario, o la del Can Mayor que es la más cercana. La galaxia más grande del Grupo Local es M31-Andrómeda (aunque se le siga llamando nebulosa). El Grupo Local, salvo sus satélites, es prácticamente binario (Andrómeda y Vía Láctea), que se están aproximando chocarán dentro de 2.000 millones de años y tiene un tamaño de 1 Mpc. El choque de galaxias no implica el choque entre sus estrellas, que será poco frecuente. Existe un anillo de galaxias en las que destacan 14 de ellas gigantes como Centaurus-A o Maffei-1, y nuestro Grupo Local está casi en el centro de este grupo. El Concilio de Gigantes es aplanado (1/2 Mpc) y de radio de unos 3 Mpc.

CÚMULO DE GALAXIAS

Además de los grupos de galaxias, existen los cúmulos de galaxias, que se caracterizan por tener una gran cantidad de gas intracumular a una temperatura de 10⁸ K, y es 5 o 10 veces más que toda la masa de sus galaxias, y grandes cantidades de materia oscura. Y la masa total es mayor que la del gas M_(total)>M_(gas)>M_(galaxias), la masa total es básicamente materia oscura (5 veces mayor que la masa del gas). El gas está virializado en equilibrio de autogravitación, son los objetos más grandes de este tipo de autogravitación conocidos. Los cúmulos se estudian con diferentes técnicas: visible (galaxias visibles), rayos X (el gas), efecto Sungaev-Zeldovich (fondo cósmico de microondas CMB), emisiones de radio (de galaxias y del medio), lentes gravitacionales (que deforman la luz y permiten ver objetos situados detrás), …

*IDCS J1426 se encuentra a 10 millones de años luz (500 billones de soles)*

En los cúmulos predominan las galaxias elípticas e irregulares, fruto de la interacción de galaxias. También son comunes las galaxias lenticulares de las que se sospecha que en bastantes casos pueden proceder de galaxias espirales que han perdido su gas y por tanto su capacidad de formar estrellas. Esto se debe al rozamiento causado por su movimiento a través del gas intergaláctico o a las interacciones con otras galaxias del cúmulo.

SUPERCÚMULOS

Los supercúmulos son cúmulos de cúmulos de galaxias que se suceden formando filamentos (a veces grandes paredes) de 300 millones de años-luz, atraviesan grandes vacíos y los filamentos se unen en vértices a otros formando una red dejando entre ellos grandes vacíos, que es la estructura a gran escala del universo. A pesar de ello se estima que ocupan sólo un 3% del volumen del universo. Son 10 veces más densos que la media del universo (las galaxias 10⁶ y los cúmulos 10⁴ veces), recordemos que la densidad media del universo disminuye según a^-3 (a es el factor de escala cósmico y su relación con el desplazamiento al rojo es a^-1=1+z). Las galaxias se formaron cuando a=10^-2(cien veces más pequeño que el actual), los cúmulos cuando a = 10^-1 (diez veces más pequeño) y los supercúmulos con a=(10^-3)^1/3= 0,5 (muy reciente). La media de cúmulos en un supercúmulo es de 10 (entre 2 y 15).

A partir de las velocidades, calculamos la materia global, los límites de los supercúmulos y las aglomeraciones centrales. Nuestro Grupo Local está unido a otros grupos y cúmulos, siendo el mayor el Cúmulo de Virgo, y a todos ellos juntos se les llama supercúmulo de Virgo o Local; que a su vez pertenece a una estructura aún mayor llamada Laniakea (significa “cielo inmenso”, en hawaiano) con un tamaño de 160 Mpc y una masa de 10¹⁷ masas. Alberga a la Vía Láctea y aproximadamente otras 100,000 galaxias cercanas, contiene a los cúmulos de Virgo, Hydra, Centaurus y Ophiuchus, y su punto de convergencia está en Norma. Nuestros supercúmulos vecinos son Hércules, Perseus-Piscis, Coma y la Concentración de Shapley. Los supercúmulos se alinean en filamentos que se unen en sus extremos con otros filamentos, el resto del espacio son grandes vacíos.

*El universo dentro de una radio de 1 mil millones de años luz (307 Mpc) de la Tierra, mostrando el supercúmulo local y la formación de filamentos y vacíos.*

La mayor superestructura de universo es el CMB (siglas en inglés Cosmic Microwave Background de “fondo cósmico de microondas”), fue descubierta y teorizada en 1965, casi de forma simultánea. Tiene características de radiación de cuerpo negro del universo primigenio hace 13 700 millones de años al expandirse a una temperatura de enfriamiento de 2,725 K y su frecuencia pertenece al rango de las microondas con una frecuencia de 160,2 GHz, correspondiéndose con una longitud de onda de 1,9 mm, es el ruido que hace el universo. Esta radiación es una de las pruebas principales del modelo cosmológico del Big Bang. Las medidas de las anisotropías demostraron que el universo era aproximadamente plano y podía descartar las cuerdas cósmicas como un gran componente en la formación de estructuras cósmicas y sugiere que la inflación cósmica era la teoría correcta para la formación de estructuras.