Gravedad y Patos

Si miras un mapa de distribución de galaxias en el universo local, puedes sorprenderte al encontrar que las galaxias no parecen distribuirse uniformemente, sino que se agrupan. Pero, lo sorprendente no es que las galaxias no se distribuyan uniformemente; si así fuere, el universo estaría organizado como un inmenso cristal. Ninguna ley conocida de la física explicaría tal universo cristalino.

La distribución de las galaxias en un corte de la inspección espectroscópica del SDSS

Para entender cómo las galaxias se agrupan, considera una distribución de patos en una charca. Algunos patos se alejan por si mismos, pero muchos patos, la mayor parte del tiempo, se encuentran en pequeños grupos de dos o tres o más que tienden a viajar juntos. Los patos tienden a agruparse y, esta agrupación, no es resultado del azar. Los patos tienden a estar juntos unos de otros.

Como los patos, los cúmulos de galaxias se agrupan no por azar, sino porque quieren estar cerca, unos de otros. Por supuesto, como los patos, las galaxias no tienen deseos. Lo que los hace "querer" estar juntos es la fuerza de la gravedad. Puesto que la gravedad siempre es atractiva, atraerá las galaxias, unas hacia otras. Conforme el universo envejece y se desarrolla, cabría esperar que las galaxias se agruparan cada vez más y más.

El agrupamiento es comprendido y medido en términos de estadística. Por ejemplo, si un biólogo quiere estudiar el comportamiento de agrupación de los patos, deberá estudiar muchos grupos de patos, en muchas épocas diferentes y en muchas charcas diferentes. Si un astrónomo quiere estudiar la agrupación de galaxias, deberá tener una gran observación sistemática -un mapa- de dónde las galaxias están. El SDSS proveerá dicho mapa.

Con el mapa del SDSS, los astrónomos serán capaces de responder una pregunta importante sobre la estructura a larga escala del universo: ¿cuán grande es la escala a la que tienes que mirar antes que el universo comience a parecer uniforme?

Los astrónomos no se sorprendieron mucho al encontrar que nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, era miembro de un grupo de unas veinte galaxias. Tampoco se sorprendieron al encontrar que nuestro grupo local era miembro de un cúmulo de unas dos mil galaxias. Pero cuando miraron a escalas más grandes, ellos esperaban encontrar fenómenos bien ordenados y sensibles. No esperaban encontrar el universo perfectamente ordenado que los antiguos griegos imaginaron, pero creían que una vez que miraran más allá de su vecindad local, dentro de unos pocos cientos de millones de años-luz, las propiedades medias del universo serían predecibles.

Agrupamientos a tres escalas de aumento: grupo, cúmulo, supercúmulo

¿Las Estructuras más Grandes?

Pero conforme se realizaron observaciones estelares más lejanas y profundas, en los 80 y 90, los astrónomos se sorprendieron al encontrar que había cúmulos de cúmulos, o supercúmulos, de galaxias que formaban inmensas paredes y delgadas hojas que rodeaban largas áreas con pocas galaxias, llamadas vacíos. En las escalas más grandes vistas hasta ahora, la distribución de galaxias parece como una espuma gigantesca de burbujas de jabón.

Actualmente, una de las preguntas básicas de los astrónomos es, "¿cuál es la mayor estructura en el universo?". Hemos encontrado cúmulos y supercúmulos, y ahora hasta cúmulos de supercúmulos, ¿pero hay supercúmulos de supercúmulos y, así, sucesivamente? En otras palabras, ¿a qué escala las galaxias o los cúmulos de galaxias, aparecen distribuidos en forma aleatoria?

Esta pregunta es importante para entender el nacimiento y evolución del universo. Algunas de las predicciones más básicas de las teorías del universo temprano conciernen a cómo la materia estaba distribuida inicialmente. Puesto que la distribución de galaxias, vista hoy, evolucionó de esta distribución inicial, el conocimiento de la distribución, a gran escala, y del actual agrupamiento de galaxias son de las pocas pruebas que pueden permitir distinguir entre diferentes teorías del universo temprano.

La Observación Digital del Cielo Sloan (SDSS) fue diseñada precisamente para hacer esta medida fundamental. Observando sistemáticamente una amplia área a grandes distancias, los científicos serán capaces de medir cantidad de cúmulos en todas estas escalas y usar sus resultados para contrastar teorías del universo temprano.

Ruido y Cúmulos de Galaxias

Pero si el SDSS prueba que los astrónomos están en lo cierto y el universo es uniforme, a gran escala, entonces ¿por qué las galaxias forman cúmulos y supercúmulos a menor escala? La respuesta a esta pregunta reside en los "procesos de ruido aleatorio", que tienen ejemplos análogos en la vida diaria.

Ejemplos de procesos de ruido aleatorio son: el sonido estático en una radio vieja,  el sonido de una catarata,  la distribución de las olas en la superficie del mar. En cada uno de estos casos, cada vez que oyes o ves, lo que ves u oyes es diferente de lo que has visto u oído con anterioridad. Sin embargo, es obvio que estás escuchando la misma catarata o la misma radio, o mirando al mismo mar.

En todos estos casos, las propiedades estadísticas de los sonidos u ondas son las mismas. Tomando el mar como ejemplo, aunque la superficie de agua está siempre cambiando, la distribución del número de olas y sus alturas tienen algunas propiedades medias bien definidas. Observando una porción grande de mar instantáneamente, o una porción pequeña, durante un largo tiempo, es posible calcular las propiedades de las ondas del océano.

El espectro muestra cómo ondas de diferente longitud  contribuyen al total. Procesos de ruido aleatorio aparecen en longitudes de onda más cortas. Un espectro como este puede usarse para analizar las ondas del mar o la estructura del universo.

Los astrónomos, trabajando con los datos de la Observación Digital del Cielo Sloan, realizarán un análisis similar en la distribución de galaxias revelada en su mapa del Universo. De la misma forma que las ondas, en una parte del mar, pueden dar información sobre la profundidad del mar y la fuerza del viento, la forma en que las galaxias se agrupan puede decir, a los cosmólogos, mucho sobre cómo la materia fue distribuida en el universo temprano y qué procesos físicos han sucedido para cambiar el agrupamiento, desde entonces.

El conocer cómo las galaxias se agrupan puede también proporcionar, a los cosmólogos, información sobre otras propiedades del universo. Por ejemplo, los cosmólogos serán capaces de usar estos datos para medir la densidad del universo. Sabiendo la densidad del universo, los ayudará a decidir entre varias teorías de materia oscura, que les permitirá predecir el destino último del universo.