El principio cosmológico: vivimos en un universo sin estructura

Si observamos el universo a grandes escalas, más allá de los mil millones de años luz, observamos que no hay estructura discernible: el universo tiene el mismo aspecto sin importar en qué región te situes. Esto contrasta con la heterogeneidad de escalas menores, pues no es lo mismo colocarse sobre la Tierra que sobre una estrella o un agujero negro.

 

La materia es capaz de organizarse en muchos niveles de complejidad diferentes. Los quarks se combinan para formar protones y neutrones. Estos, junto con los electrones, se combinan para formar los casi 100 tipos de átomos que se dan de forma natural. Los átomos se combinan para formar moléculas, que son capaces de formar desde células de millones de seres vivos diferentes hasta los minerales, gases y compuestos en general que forman toda la materia inerte de la Tierra y cualquier otro planeta. También pueden acumularse para formar planetas enteros o incluso estrellas. Y las estrellas se acumulan para formar glóbulos estelares y galaxias, que se acumulan para formar cúmulos y supercúmulos de galaxias. Pero, ¿sigue esta tendencia hasta el infinito? ¿O hay un fin en la estructura del universo?

En las últimas décadas se han realizado varios sondeos de galaxias con el objetivo de crear un mapa de las galaxias que pueblan el universo y de establecer qué estructuras forman dichas galaxias. El más reciente de estos es conocido como Dark Energy Spectroscopic Instrument o DESI, que pretende estudiar la estructura del universo con el objetivo de aprender más sobre la prevalencia de la energía oscura en él. Pues bien, estos sondeos nos dan imágenes como la que aparece más abajo. En esta imagen la Vía Láctea se sitúa en el centro y cada puntito de color representa una galaxia diferente. Como puedes imaginar este mapa muestra unas escalas descomunales, de miles de millones de años luz de lado a lado, conteniendo la información de millones de galaxias.

DESI, Berkeley Lab | Mapa del universo a gran escala
DESI, Berkeley Lab | Mapa del universo a gran escala

Esta imagen ha sido creada midiendo el corrimiento al rojo de la luz proveniente de millones de galaxias diferentes. De la misma manera que el sonido emitido por una ambulancia, un tren o una sirena de policía se ven distorsionados cuando estos viajan a cierta velocidad con respecto a quien los escucha, la luz emitida por una galaxia, o por cualquier otro objeto, también se ve distorsionada por moverse a cierta velocidad. Concretamente lo que le ocurre es que le cambia la frecuencia. De esta forma, si un objeto emite luz y se acerca a ti, aumentará la frecuencia de la luz que observes, mientras que si se aleja disminuirá esa frecuencia. Por tanto, cualquier objeto acercándose tendrá sus frecuencias “corridas hacia el azul”, pues el color azul corresponde a una luz con alta frecuencia y cualquier objeto alejándose tendrá su frecuencias “corridas hacia el rojo”, por ser este color luz de menor frecuencia. Debido a la expansión del universo todas las galaxias (menos las más cercanas, como Andrómeda) se alejan de la nuestra y se alejan más rápidamente cuanto más lejos estén, por lo que su luz se verá corrida o desplazada hacia el rojo.

 

Observando el mapa confeccionado por DESI podemos señalar varias cosas. En primer lugar, observamos más galaxias en las cercanías de la Vía Láctea que en las regiones más lejanas. Esto es de esperar, pues nos resultará más sencillo detectar aquellas galaxias que estén más cercanas a la nuestra. Por tanto esto es, en principio, una limitación de nuestra tecnología más que una característica del universo. Además observamos que hay dos regiones donde no se han detectado galaxias. Estas corresponden a las regiones ocultas tras el disco de la Vía Láctea, donde el gas interestelar presente en ellas nos impide observar estas galaxias distantes.

Por otro lado podemos ver que hay cierta estructura y que podemos observar regiones donde parece haber más concentración de galaxias y otras donde parece haber una relativa ausencia de estas. A las escalas del mapa presentado estas regiones pueden parecer diminutas, pero la realidad es que esas aglomeraciones y vacíos tienen tamaños de cientos de millones de años luz. Sin embargo, por encima de estas escalas no observamos ninguna estructura distinguible, no parece haber aglomeraciones más allá de los ciento de años luz. Además de sondeos como el que lleva a cabo DESI, donde se cubre una gran porción del cielo pero hasta distancias relativamente pequeñas, también existen sondeos que estudian una región más pequeña del cielo pero consiguen detectar galaxias a distancias mucho mayores.

Todos los sondeos realizados hasta la fecha parecen mostrarnos un universo que es homogéneo a grandes escalas. Es decir, nos dicen que si cogiéramos un volumen de unos mil millones de años luz de tamaño y lo pusiéramos en cualquier lugar del universo, su contenido serían básicamente idéntico sin importar dónde lo colocáramos. Esto no puede extenderse a escalas más pequeñas. Si por ejemplo cogemos un volumen de un metro cúbico no será lo mismo colocarlo en la superficie de la Tierra, en el interior del Sol o en el vacío intergaláctico. Incluso si cogemos un volumen de un millón de años luz, no será lo mismo colocarlo en el centro de un cúmulo de galaxias especialmente denso que en la región más remota de uno de esos vacíos que comentábamos arriba.

Además de homogéneo, el universo parece ser también isotrópico, es decir que tiene el mismo aspecto en cualquier dirección que observemos. Esto lo muestran también estos sondeos. Sin importar la dirección que escojamos en el cielo nocturno (mientras podamos ver algo en esa dirección), contamos la misma cantidad de galaxias. Pues bien, esta homogeneidad e isotropía del universo es lo que se conoce como el principio cosmológico. Este principio implicará por tanto que el universo no tendrá un borde, pues esto implicaría que no es homogéneo en todas partes y tampoco tendrá un centro, pues dejaría de ser isotrópico desde cualquier punto que no fuera ese mismo centro. Hasta el día de hoy este principio cosmológico nos ha funcionado, aunque por supuesto no es ninguna ley absoluta y fundamental del universo.

Referencias:

A. Becker, 2022, Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Creates Largest 3D Map of the Cosmos, Berkeley Lab

M. Levi et al, 2013, The DESI Experiment, arXiv:1308.0847

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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