Uno de los grandes retos de la astrofísica moderna es explicar cómo pueden formarse las galaxias, los cúmulos de galaxias y otras macroestructuras, en el marco de la teoría del Big Bang y de la Cosmología moderna.
La teoría actual, una extensión del la teoría del Big Bang conocida como "escenario de la materia oscura fría" (CDM), predice que las galaxias mayores y los cúmulos de galaxias surgieron a partir de galaxias menores que colisionaron y se fusionaron, provocando la formación de estrellas en oleadas.
La secuencia de sucesos hubo de tener su origen en las fluctuaciones cuánticas del Universo temprano. Estas pequeñas fluctuaciones se amplificaron muchos órdenes de magnitud durante un periodo de tiempo extremadamente breve en el que el Universo se expandió. A esta rápida expansión se la llama inflación. La aparición y crecimiento de las macroestructuras debe haber estado gobernada por misteriosa "materia oscura", que constituye el 85% del total de la materia del Universo. La historia del cosmos y su complejidad está gobernada por un puñado de parámetros cosmológicos, como son la densidad de materia ordinaria (bariones), la densidad de materia oscura (compuesta principalmente por los llamados WIMPS o partículas masivas que interaccionan débilmente), y la cantidad de energía oscura en el Universo.
La teoría, elegante y simple al mismo tiempo, conecta los procesos que operan en las escalas más pequeñas imaginables durante los primeros microinstantes de vida del Universo (10-33 segundos) con la formación de las estructuras más grandes conocidas hoy día.
El Universo en expansión
La luz es para los astrofísicos una fuente de información inagotable. En particular, el espectro de la luz de una estrella, nos informa de la temperatura de la estrella y de las sustancias presentes en su atmósfera, así como de sus abundancias.
De la misma forma que el sonido de la sirena de una ambulancia parece más agudo si la ambulancia se dirige hacia nosotros y más grave si se aleja, el color de la luz cambia si la fuente que emite la luz se mueve: cuando la fuente se acerca la luz es más azul, y cuando se aleja es más roja.
Hacia 1929 Hubble descubrió que las galaxias más lejanas presentan un espectro desplazado hacia el rojo. Además, cuanto más lejanas eran, más desplazada hacia el rojo era su luz. La interpretación de este fenómeno es que el Universo se está expandiendo, el espacio se estira y las galaxias, ancladas al espacio, parece que se alejan unas de otras, más rápido cuanto más lejos de nosotros están.
Así, basándonos en el descubrimiento de Hubble, resulta que el desplazamiento al rojo de la luz de una galaxia nos permite saber su distancia. A mayor desplazamiento al rojo de su luz, mayor es su distancia. Así es como se miden las distancias a los objetos más lejanos del universo: los quasares.
Cúmulos de galaxias
La Vía Láctea es una galaxia espiral. Pero en el cielo se pueden encontrar multitud de otras galaxias, tanto espirales como elipsoidales e irregulares. Existen millones de galaxias en el Universo. En las más cercanas podemos resolver algunas de sus estrellas. Las estrellas variables del tipo Cefeidas permiten conocer a qué distancia se encuentran de nosotros estas galaxias cercanas.
Más de la mitad de las galaxias se agrupan en cúmulos. Resulta curioso que varios cúmulos de galaxias, así como varias galaxias entre esos cúmulos, parezcan estar a la misma distancia de nosotros. Por ejemplo el cúmulo de Coma y el cúmulo A1367 constituyen los dos extremos de una gigantesca cadena de galaxias a 300 millones de años-luz.
Supercúmulos de galaxias
Midiendo el desplazamiento al rojo de las galaxias se han podido saber sus distancias y se han plasmado sobre un mapa. Los primeros de estos mapas, trazados hacia 1980, eran ya reveladores. Las galaxias aparecen apiñadas en cúmulos, y éstos a su vez se apiñan en supercúmulos.
Los supercúmulos forman macroestructuras, y aparecen gigantescos vacíos sin galaxias. Algunas de las macroestructuras han recibido el nombre de "murallas", ya que constituyen auténticas cadenas de galaxias.
Las galaxias más lejanas medidas recientemente mantienen la misma distribución. Y los quasares, aun más distantes, ¿se organizarán de la misma manera? Diversas campañas de observación en marcha actualmente en el mundo persiguen poder trazar un mapa de la distribución de las galaxias más lejanas y de los quasares.
Materia oscura
Al igual que los planetas más alejados del Sol giran más despacio que los planetas más cercanos a él (consecuencia de la ley de gravitación de Newton), las estrellas más exteriores de las galaxias deberían girar más despacio que las interiores alrededor del centro de la galaxia.
Sin embargo giran a velocidad muy parecida a la de las estrellas centrales. La inesperada "curva de rotación" de las galaxias espirales indica que hay un halo de materia no convencional, "oscura", rodeando cada galaxia, que hace que las estrellas más exteriores de las galaxias giren más rápido de lo que lo harían en su ausencia.
La materia oscura y su naturaleza es un tema fundamental en la astrofísica, la cosmología y la física de partículas actuales. En los aceleradores de partículas y otros tipos de laboratorios de partículas se buscan las particulas que pudieran constitir una componente "no convencional" o "exótica" de la materia oscura. Sólo una fracción de la materia oscura sería convencional, formando estrellas frías o planetas gigantes. Más aún, la materia oscura, pese a ser mucho más abundante que la materia ordinaria de la que estamos hechos, sería a su vez una fracción de la materia y energía que compone el universo. En su mayor parte, el Universo está compuesto de "energía oscura".
Simulando supercúmulos
En los últimos años los superordenadores han alcanzado la potencia de cálculo suficiente como para simular la formación de supercúmulos de galaxias, considerando la expansión del Universo y utilizando modelos que incorporan materia oscura. Las galaxias se distribuyen igual que la materia oscura, por lo que la distribución de la materia oscura en las simulaciones indica también cual debería ser la distribución de las galaxias.
En las simulaciones se parte de una distribución uniforme de materia. Durante la expansión del universo la gravedad condensa las galaxias en cadenas, quedando a la vez enormes vacíos. Las cadenas dan lugar a cúmulos de galaxias. Dentro de los cúmulos se forman grupos como nuestro Grupo Local, en el que se encuentran por ejemplo la galaxia de Andrómeda y sus galaxias satélites. Por otra parte, los vacíos entre las macroestructuras no están tan vacíos sino llenos de gas, aunque tenue, que sigue condensándose sobre los supercúmulos.
Las galaxias pequeñas se convierten en satélites de las mayores. A veces las galaxias que se acercan mutuamente colisionan. Los choques de galaxias continuan ocurriendo en la actualidad. En el futuro, la Vía Láctea y Andrómeda colisionarán.
Con los superordenadores también se simula la formación y evolución de una galaxia. La materia oscura se organiza en un halo que envuelve la materia convencional, que a su vez produce varias generaciones de estrellas. Las estrellas más viejas se acumulan en el centro de la galaxia, las más jóvenes en los brazos espirales.
El fondo cósmico de microondas
Existe una radiación en la frecuencia de las microondas que llena el espacio procedente de todas las direciones. Su intensidad es prácticamente la misma en cualquier dirección. Es la radiación de fondo cósmico de microondas. Se dice que corresponde a una temperatura de 2.7 grados Kelvin ya que la energía de esta radiación se distribuye como la de un cuerpo negro que tuviera esa temperatura.
Poco después de su descubrimiento, a mediados del siglo XX, la gran mayoría de los astrofísicos y cosmólogos albergaban la esperanza de que, pese a su extremada uniformidad, presentara alguna pequeña variación de su temperatura en función de la dirección, que pudiera explicar el origen de las macroestructuras y de la distribución de las galaxias.
Varios experimentos en observatorios como el Instituto Astrofísico de Canarias, y de satélites como el COBE así lo constataron. Pero la resolución de los mapas trazados era insuficiente. Recientemente, un conjunto de instrumentos a bordo de un globo sonda ha trazado con estupenda resolución el mapa del fondo cósmico de microondas: se trata de la sonda WMAP.
WMAP observa radiación cósmica de fondo, que no es sino la primera luz del Universo que escapó de la materia, solo 379.000 años después del Big Bang, hace más de 13.000 millones de años.
WMAP observa en 5 bandas de frecuencia entre los 23 y los 95 GigaHercios (GHz). Esta información sirve para eliminar la emisión en microondas de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.
La intensidad de esta luz es extraordinariamente uniforme en todas las direcciones. La temperatura del Universo cuando se emitió esta luz era de millones de grados.
Debido a la expansión del Universo, hoy la luz es tan débil como la que emite un cuerpo a 2.73ºK. Las microvariaciones detectadas son las semillas de las grandes estructuras del universo: cúmulos y supercúmulos de galaxias.
La resolución angular de COBE era de 7º, 14 veces mayor que el tamaño aparente de la Luna Llena. En cambio la resolución angular de WMAP es menor de 0.3º. Esto significa que es sensible a variaciones en regiones del cielo más pequeñas. Esto permite seleccionar mejor qué modelos teóricos son capaces de explicar el mapa de la radiación de fondo que se ha trazado.
El tamaño de las variaciones de temperatura en la radiación de fondo informa de la Geometría del Universo. De ser nuestro Universo abierto (es decir, se expandería sin cesar), las mayores fluctuaciones en el fondo de microondas se darían en escalas de 0.5º en el cielo. En cambio si la geometría del espacio fuera plana en nuestro Universo (es decir, la expansión del Universo sería cada vez más lenta llegando casi a detenerse), la escala de las mayores fluctuaciones seria de 1º, y de ser la geometría cerrada (el Universo acabaría deteniendo la expansión y se iniciaría una contracción debido a la la atracción gravitatoria ), las escalas de las fluctuaciones serían aún mayores.
El mapa de la Radiación Cósmica de Fondo, en combinación con observaciones de otros proyectos y misiones (cúmulos de galaxias, supernovas, etc.) permiten seleccionar las teorías sobre el origen, naturaleza y evolución de nuestro Universo. Estas son las principales conclusiones:
La edad del Universo es de 13.700 millones de años (error 1%) Las primeras estrellas se formaron 200 millones de años tras el Big Bang El Fondo Cósmico de Microondas apareció 379.000 años tras el Big Bang El tamaño del Universo es al menos 78.000 millones de años-luz El Universo está compuesto de un 4% de materia convencional, un 23% de "materia oscura" y un 73% de "energía oscura" El valor de la Constante de Hubble (la velocidad de recesión de las galaxias) es de 71 (km/seg)/Mpc (error 5%) Hay nuevas evidencias que apoyan la teoría de la Inflación El Universo continuará expandiéndose siempre
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