La materia, en el Universo, no está distribuida al azar. Las galaxias, los cuásares y el gas intergaláctico trazan un diseño que es comparable al de las burbujas del jabón - grandes vacíos rodeados por delgadas paredes de galaxias, con densos cúmulos de galaxias en las intersecciones de las paredes. Uno de los objetivos primarios del SDSS es trazar un mapa muy detallado de esa estructura, a grandes distancias. Los científicos tienen muchas teorías acerca de cómo evoluciona el Universo y esas teorías predicen diferentes estructuras, a gran escala. El mapa desarrollado por el SDSS puede decirnos cuál de esas teorías está en lo cierto o quizá que tendremos que elaborar ideas completamente nuevas.

Cúmulos de Galaxias

Las galaxias se encuentran, generalmente, unas próximas a las otras en cúmulos de galaxias. La distribución de estos cúmulos y cómo esta distribución evoluciona con el tiempo son pruebas importantes para los modelos cosmológicos. Por ejemplo, diferentes modelos cosmológicos predicen diferente número de cúmulos de galaxias con diferentes desplazamientos al rojo en sus líneas espectrales. Adicionalmente, no sólo las galaxias se agrupan en cúmulos sino que, a su vez, ¡los cúmulos también se agrupan! El grado en que las galaxias y los cúmulos tienden a agruparse constituye un examen para las diferentes teorías. Estudiando las masas, las distribuciones y la evolución de los cúmulos de galaxias, es posible aprender algo acerca de la formación de la masa en el Universo, un objetivo fundamental de la cosmología.

Una imagen óptica de un cúmulo de galaxias  superpuesto por un mapa de emisión de rayos X.

Como los cúmulos de galaxias pueden ser muy masivos (hasta 10¹⁴ veces la masa del Sol), su gravedad es lo suficientemente fuerte para retener el gas extremadamente caliente, con temperaturas de millones de grados. Este gas emite radiación en las longitudes de onda de los rayos X, lo cual puede observarse con los satélites especializados en rayos X como Chandra, ROSAT, y XMM.  Estos satélites han mostrado que una gran parte de los cúmulos tiene estructura y movimientos internos complicados, lo que indica que están aún evolucionando. También, observaciones en satélites han mostrado que el gas que emite en rayos X integra la mayor parte de la masa visible en los cúmulos, mayor que la suma de todas las galaxias. Este es un resultado muy interesante; recuérdese que los cúmulos de galaxias se descubrieron como un exceso en la densidad de galaxias y ahora se sabe que las galaxias son sólo una pequeña parte de la masa total de los cúmulos. Algunos astrónomos han sugerido, también, que pueden existir cúmulos sin galaxias, que serían sólo grandes burbujas de gas.

Los cúmulos de galaxias tienen masas enormes y la Teoría General de la Relatividad dice que los objetos masivos desvían la luz que pasa por ellos, fenómeno conocido como lentes gravitacionales. La cantidad de efecto de lente causado por un cúmulo de galaxias depende de la masa total del cúmulo por lo que, midiendo la cantidad del efecto, es posible medir la masa del cúmulo. Estas mediciones pueden ser comparadas con otras estimaciones de las masas, como la cantidad de gas en rayos X y las velocidades de las galaxias en el cúmulo. Con esas masas estimadas, es posible calcular la razón masa-luminosidad (M/L) para los cúmulos. Esta razón permite estimar la tendencia que nos dice cómo están distribuidas las galaxias en relación con el resto de la materia. La tasa M/L también ayuda a poner restricciones para la masa total del Universo.

Si se adiciona la masa de las galaxias que se pueden ver con la masa del gas en rayos X observada, y se la compara con la masa total estimada para el cúmulo, se encontrará que ¡la mayor parte de la materia está en otra forma! A esta masa extra se la llama materia oscura, puesto que no emite luz. De hecho, esto produce que la mayor parte del Universo parezca estar hecho de materia oscura, la cual no es posible ver directamente pero cuya existencia se puede inferir debido a su gravedad. Los científicos tienen varias teorías acerca de qué puede ser la materia oscura, pero nadie lo sabe con certeza. El descubrimiento de la materia oscura es uno de los más grandes e intrigantes de la última década.

Un cúmulo de galaxias muy distante, observado con el Telescopio Espacial Hubble. Nótese el gran número de viejas galaxias rojas.

La mayor parte de las galaxias elípticas y S0 se encuentran en cúmulos, y muchas más se encuentran en los cúmulos más densos. Sorprendentemente, los astrónomos no tienen explicaciones satisfactorias de por qué muchos cúmulos contienen galaxias elípticas. Entienden, también, muy poco de cómo evolucionan las galaxias en los cúmulos. Se sabe que hay, aparentemente, más galaxias azules en los cúmulos a medida que miramos más atrás, en el tiempo, lo que sugiere que había más formación de estrellas. Más aún, se ven cúmulos de galaxias con un significativo número de galaxias viejas rojas con desplazamientos al rojo del orden de 1, cuando el Universo tenía sólo unos pocos miles de millones de años de edad.. Usando el SDSS, es posible estudiar los tipos de galaxias y sus masas en miles de cúmulos, mucho más lejos de lo que se ha podido estudiar hasta ahora.

Supercúmulos

Los supercúmulos son, simplemente, cúmulos de cúmulos de galaxias. Mientras los cúmulos están, típicamente, en los filamentos y las paredes de las "pompas de jabón" del Universo, los supercúmulos se encuentran en las intersecciones de las paredes. Los supercúmulos son las más grandes estructuras conocidas en el Universo, siendo algunas de ¡más 200.000.000 de años luz de tamaño! Sin embargo, como estas estructuras no son muy comunes, sólo se conoce unas pocas. El más famoso supercúmulo está cercano e incluye a la Gran Muralla y al supercúmulo de Perseus-Pisces. Recientemente surgió evidencia de supercúmulos a corrimientos al rojo del orden de 1, los cuales implican importantes restricciones en la formación de estructuras y en los modelos cosmológicos. Por añadidura, la tasa M/L de los supercúmulos es similar para esos cúmulos. Este descubrimiento implica que la misteriosa materia oscura no puede contribuir a la masa del Universo de lo que contribuye a la de los cúmulos.

Vacíos

La imagen abajo muestra la distribución de 10.853 galaxias en una pequeña porción del sondeo principal del SDSS, junto con otras 486 "galaxias rojas luminosas", elegidas para trazar el mapa de la estructura a grandes desplazamientos al rojo. Esta muestra constituye ¡sólo el 1% de los datos finales espectroscópicos esperados! Se ve claramente la red de paredes en forma de burbuja, con filamentos y vacíos. La cantidad de espacio cubierto por las áreas vacías es diferente en diferentes modelos cosmológicos; por lo que mapas precisos de la estructura del Universo, a gran escala, proveen pistas para establecer en qué tipo de Universo vivimos.

La distribución de galaxias en una porción del sondeo espectroscópico del SDSS.  (A. Pope, JHU)