Cosmología Fractal

La cosmología fractal se refiere al uso de modelos fractales en el contexto de la cosmología física, tanto para la estructura del universo a gran escala como se hace en cosmología observacional o como modelo a muy pequeña escala para la estructura del espacio-tiempo en gravedad cuántica.

Los cosmólogos emplean diversas herramientas en su estudio del universo, tanto aparatos teóricos como observaciones físicas, tomando en consideración el rango completo de escalas desde el reino de lo infinitesimalmente pequeño a la escala de Planck, hasta la escala macro del universo conocido. En ocasiones llegan más allá de lo que es observable por medios directos. Lo cierto es que las fractales y sus estructuras derivadas han sido propuestas como modelo geométrico en casi cualquier lugar que haya caído bajo el escrutinio de los cosmólogos.

Es digno de mención que se encuentren fractales y trazas de fractalidad, tanto en cosmología teórica como observacional. En cosmología teórica han sido usados especialmente en el nivel microscópico, mientras que en cosmología observacional se han usado especialmente para caracterizar la estructura del Universo a gran escala.

Fractales en cosmología observacional

En cosmología observacional los fractales fueron introducidos como modelo de universo por Mandelbrot como hipótesis para resolver la paradoja de Olbers y explicar la ocurrencia de amplias regiones oscuras en el firmamento. De acuerdo con esta hipótesis si el conjunto de estrellas forma un fractal similar a un polvo de Cantor de dimensión inferior a tres la paradoja queda resuelta, ya que en ese caso aún en un universo infinito el cielo contendría regiones oscuras. Las estimaciones sugieren que el universo es más bien un objeto multifractal cuya dimensión de Hausdorff-Besicovitch sería DH ~ 2,1±0,1 y cuya dimensión de correlación D2 ~ 1,3±0,1.1

La demostración de la fractalidad a gran escala del universo requiere de observaciones adicionales (en concreto de la radiación microondulada de fondo) y complicadas soluciones matemáticas basadas en la teoría de la relatividad de Einstein, lo que presenta gran complejidad. Entre algunos de sus objetivos más ambiciosos, la fractalidad del universo podría determinar con una grado de exactitud sin precedentes, la distribución de los supercúmulos galácticos y en general de toda la materia del universo, incluyendo la oscura.

Fractales en cosmología teórica

En cosmología teórica la geometría fractal ha sido usada como un intento de describir la naturaleza irregular que debería tener el espacio-tiempo a muy pequeña escala debido a las flucutaciones cuánticas. Así se ha conjeturado que a muy pequeñas escalas el espacio-tiempo no es suave ni tiene estructura de variedad diferenciable sino que debería ser una especie de "espuma cuántica".

En ese contexto se ha tratado de explicar el colapso del espacio-tiempo que se produce en el interior de los agujeros negros y relacionarlo con la gravedad a nivel protónico, superando algunos de los mayores escollos de la cosmología actual. Este modelo podría aportar correcciones al modelo del Big Bang.

Otra área de la cosmología donde se ha usado la geometría fractal, es la postulación de masa imaginaria (entendida como un número imaginario) asociada a la definición de los taquiones, habida cuenta de la relación entre el plano de los números complejos y la geometría fractal.

Finalmente, se han planteado conejeturas matemáticas en torno a la supuesta naturaleza fractal de la mecánica cuántica (véase por ejemplo G. N. Ord o Laurent Nottale), llegando a postularse la exótica idea de sacrificar el tiempo unidimensional monodireccional por un tiempo bidimensional y fractal.

Paradoja De Olbers

La paradoja de Olbers o problema de Olbers, formulada por el astrónomo alemán Heinrich Wilhelm Olbers en 1823, y anteriormente mencionada por Johannes Kepler en 1610 y por Chéseaux en el siglo XVIII, es la afirmación paradójica de que en un universo estático e infinito el cielo nocturno debería ser totalmente brillante sin regiones oscuras o desprovistas de luz.

Exposición del problema

Si el universo se supone infinito, sin un principio y conteniendo un número infinito de estrellas luminosas uniformemente distribuidas, entonces el número de estrellas a una distancia R debería ser proporcional a la superficie de una esfera de ese radio, es decir, N ~ 4πR2. Como la intensidad de la luz sigue una ley de la inversa del cuadrado, entonces la luminosidad aportada por sucesivas capas de estrellas debería ser independiente del radio R de la capa, ya que el área aparente de una estrella disminuye con el cuadrado de la distancia y el número de estrellas esperado aumenta con el cuadrado de la distancia. Así, cada punto en el cielo debería ser tan brillante como la superficie de una estrella. En otras palabras, cada línea visual partiendo de la tierra debería acabar terminando en la superficie de una estrella. Como el cielo contiene regiones negras sin brillo se sigue que alguna de las hipótesis es incorrecta (ya que el argumento general de Olbers se considera correcto). Olbers se sorprendió al descubrir que su cálculo implicaba que la temperatura en nuestro planeta debería ser de 5.537,78 grados Celsius); debería recibirse luz equivalente a 50.000 veces la del Sol en el cenit, todo estaría fundido como en un volcán.

Debe aclararse que para que las estrellas parezcan "uniformemente distribuidas" en el espacio, deben estar también uniformemente distribuidas en el tiempo, porque cuanto más lejos se observa, más antiguo es lo que se observa. A una escala infinita, significa que el universo debe tener una edad infinita sin cambios radicales en la naturaleza de las estrellas durante ese tiempo.

Kepler vio esto como un argumento para un universo finito, o al menos para un número finito de estrellas, pero esto no es convincente por lo que se discute a continuación.

Comentarios

Un modo de explicarlo es que el universo no sea transparente, y que la luz de estrellas distantes sea bloqueada por estrellas oscuras intermedias o absorbida por polvo o gas, de modo que sólo la luz proveniente de una distancia finita pueda llegar al observador. A pesar de ello, esta explicación no resuelve la paradoja, ya que de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, la energía debe conservarse, de modo que la materia intermedia se calentaría y liberaría la energía (posiblemente en otra longitud de onda). Esto daría como resultado, otra vez, la recepción uniforme de radiación desde todas las direcciones, lo que no se observa.

Otra explicación ofrecida señala el hecho de que cada estrella contiene una cantidad finita de materia, por lo que solo brilla por un periodo finito de tiempo, después del cual termina su combustible. A pesar de ello, la paradoja se mantiene si uno supone que las estrellas se crean constantemente en un lugar aleatorio del universo, brillan por un periodo limitado de tiempo, y desaparecen.

Soluciones propuestas

Existen diversas maneras de resolver esta paradoja, es decir, existen varias explicaciones de como en un universo infinito con una distribución isótropa y estadísticamente homogénea de estrellas el cielo puede llegar a presentar regiones desprovistas de luz. Estas soluciones consisten en invalidar algunos de los supuestos como por ejemplo la distribución uniforme de estrellas, la inifinitud o la eternidad del universo. Todas las soluciones al problema de Olbers sugieren que, "El universo no es infinito, o no siempre ha sido igual, o no estaría ocupado de manera uniforme por las estrellas."

Solución de los cuerpos opacos

Hay que contar la enorme cantidad de objetos que son opacos o que absorben en parte las radiaciones (como las nubes de gas) y que pueden estar situados en nuestra línea de visión hacia esas estrellas. Incluso si consideráramos que hay un número infinito de estrellas, también hay que considerar un número infinito de objetos opacos entre ellas. Sin embargo, si estos objetos opacos absorben energía tendría que estar calentándose continuamente, y por lo que sabemos todas las formas de materias conocidas al calentarse empiezan a reemitir energía electromagnética, por lo que esta solución no resuelve realmente la paradoja.

Solución relativista

Dentro de la Teoría general de la relatividad existen dos hechos que resuelven la paradoja de Olbers:

Si el universo lleva existiendo una cantidad finita de tiempo (como sugiere la Teoría del Big Bang), entonces sólo la luz de una cantidad finita de estrellas ha tenido tiempo de llegar a nosotros, por lo que la paradoja desaparece. Además como la luz tiene una velocidad finita y el universo unos 13800 millones de años, sólo vemos estrellas situadas a menos de 13800 millones de años luz lo cual constituye una región finita del universo.
De modo alternativo, si el universo se está expandiendo, y las estrellas más distantes se alejan de nosotros (lo que también aparece en la teoría del Big Bang), entonces su luz sufre un corrimiento al rojo. Este corrimiento al rojo disminuye la intensidad de la luz, de nuevo resolviendo la paradoja ya que dicho corrimiento implica según la fórmula de Planck una reducción de la energía con la que viaja la luz y por tanto una atenuación de la intensidad por debajo de la esperada según la ley de la inversa del cuadrado en un universo estático. Esta reducción de la contribución de las galaxias distantes explicaría la oscuridad del cielo.
Cualquiera de los dos efectos por sí solo funcionaría,[cita requerida] pero, de acuerdo con la teoría del Big Bang, ambos están sucediendo al mismo tiempo, aunque el tiempo finito tiene un efecto más importante en la resolución de la paradoja. Algunos ven la existencia de esta paradoja como prueba de la teoría del Big Bang.

Solución basada en la dinámica estelar

Incluso sin la teoría del Big Bang, puede establecerse que la edad del universo es finita a través de una evaluación matemática de la cantidad de hidrógeno existente. Si se supone que la cantidad de masa en las estrellas, dividido por la cantidad total de masa en el universo es distinto de cero, tras un cierto período alguna estrella habrá convertido demasiado hidrógeno en helio (o un elemento más pesado) para continuar su fusión nuclear. De ahí se sigue que la cantidad de hidrógeno transformada en helio por unidad de tiempo en una estrella cualquiera, dividida por la masa de la estrella, es distinto de cero.

Si esto se combina con la afirmación anterior, puede concluirse que la cantidad de hidrógeno convertido en helio por todas las estrellas dividida por la masa del universo es distinto de cero. No se conoce ningún proceso que pueda convertir elementos más pesados en hidrógeno en la cantidad suficiente, y si existiese, seguramente violaría la segunda ley de la termodinámica. Por ello, el tiempo necesario para que las estrellas conviertan todo el hidrógeno del universo en helio es finito, y no revertirá a su estado inicial. Después, sólo estrellas capaces de consumir elementos más pesados seguirán existiendo (y se consumirán cuando alcancen el hierro, algo conocido como la muerte térmica del universo). Esto todavía no ha sucedido, así que, o el universo tiene una edad finita, ha sufrido grandes cambios a lo largo de su historia, o bien existe un proceso desconocido (del cual no tenemos pruebas directas) que produce hidrógeno para mantenerlo funcionando.

Solución de Mandelbrot

Benoit Mandelbrot propuso un modo distinto de resolver el problema de Olbers, que no depende de la teoría del Big Bang. Mandelbrot probó que la luminosidad puede ser finita y pueden existir zonas oscuras en el cielo si se asume que la distribución de galaxias tiene una estructura fractal, siempre que a gran escala la dimensión fractal sea inferior a 3. Según la propuesta de Mandelbrot, las estrellas en el universo no están uniformemente distribuidas, sino que tienen una distribución fractal y lagunar, del tipo que muestra un polvo de Cantor, esto explicaría las amplias áreas oscuras.

En este tipo de hipótesis se supone que el conjunto fractal formado por todas las estrellas puede ser estadísticamente isótropo y homogéneo. La hipótesis de Mandelbrot ha sido considerada por diversos estudios que han considerado la distribución de las galaxias. Recientes estudios[¿cuál?] con satélites han corroborado que la radiación cósmica de fondo es isótropa hasta 1 parte en 10000. Las estimaciones sugieren que el universo es más bien un objeto multifractal cuya dimensión de Hausdorff-Besicovitch sería DH ~ 2,1±0,1 y cuya dimensión de correlación D2 ~ 1,3±0,1.

Otras soluciones

Otra reflexión señala que la paradoja parte de una premisa falsa. Esta explicación señala en términos sencillos que una cosa es que el número de estrellas en el universo sea "indeterminado" y otra es que sea "infinito", postulando, en definitiva, que el número de estrellas es finito.

Forma Del Universo

La forma del universo es un nombre informal de un tema de investigación que busca determinar la morfología del universo dentro de la cosmología física, que es la ciencia encargada de estudiar el origen, la evolución y el destino del universo. Los cosmólogos y los astrónomos describen la geometría del universo incluyendo dos modalidades: la geometría local, es decir, aquella referida a la forma del universo observable, y la geometría global que trata de describir el espaciotiempo del universo completo. Su estudio está vagamente dividido en —entre otras disciplinas científicas— curvatura y topología, aunque estrictamente hablando su investigación incluya a ambos temas relacionados.

Geometría local (curvatura espacial)

La geometría local (curvatura espacial) es la que corresponde a la curvatura que describe cualquier punto arbitrario en el universo observable (hecho un promedio sobre una escala suficientemente grande). Muchas observaciones astronómicas, tales como las de una supernova y las de la radiación de fondo de microondas, muestran un universo observable bastante homogéneo e isótropo, y se deduce que su expansión se está acelerando. En la Relatividad General, esto está modelado por la Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW). Este modelo, que puede ser representado por las Ecuaciones de Friedmann, proporciona una curvatura (a menudo llamada geometría) del universo basado en las matemáticas de la dinámica de los fluidos, por ejemplo modelando la materia dentro del universo como un fluido perfecto. Aunque las estrellas y grandes estructuras pueden ser llamadas como unos "casi modelo FLRW",es decir que supone homogeneidad e isotropía y que se asume que el componente espacial de la métrica puede ser dependiente del tiempo, estrictamente un modelo FLRW es usado para aproximar la geometría local del universo observable.

Otro camino para establecer la geometría local propone que, si todas las formas de energía oscura son ignoradas, entonces la curvatura del universo puede ser determinada midiendo la densidad media de la materia que está dentro de él, asumiendo que toda la materia está distribuida uniformemente (más bien que las distorsiones son causadas por objetos 'densos' como galaxias). Esta suposición es justificada por las observaciones que, cuando el universo es "débilmente" heterogéneo, está sobre el promedio homogéneo e isótropo. El universo homogéneo e isótropo da paso a una interpretación de la geometría espacial con una curvatura constante. Un aspecto de la geometría local, surgida de la aplicación de la Relatividad General y el modelo de FLRW, es que el parámetro de densidad, Omega (Ω), está relacionado con la curvatura de espacio. Omega es la densidad promedio del universo dividida por la densidad de la energía crítica, es decir la requerida para que el universo sea plano (sin curvatura). La curvatura de espacio es una descripción matemática que se plantea si la hipótesis del teorema Pitagórico es realmente el válida para ser aplicada en coordenadas espaciales. En este supuesto, el teorema proporciona una fórmula alternativa para expresar relaciones locales entre distancias.

Si la curvatura es cero, entonces Ω = 1, y el teorema de Pitágoras es correcto. Si por el contrario Ω > 1, habrá una curvatura positiva, y si Ω < 1, habrá una curvatura negativa; en cualquiera de estos dos casos el teorema de Pitágoras sería incorrecto (pero las discrepancias sólo se pueden detectar en los triángulos cuyas longitudes de sus lados son de una escala cosmológica). Si se miden las circunferencias de los círculos de diámetros regularmente más grandes y se dividen el antiguo por el posterior, las tres geometrías nos dan el valor π para los diámetros suficientemente pequeños, pero el radio no deja de ser π para diámetros más grandes, a no ser que π = 1. Para Ω > 1 (la esfera, ver diagrama) el radio es menor que π: de hecho, un gran círculo en una esfera tiene una circunferencia solamente dos veces su diámetro. Para Ω < 1, la relación de transformación sube sobre π.

Las medidas astronómicas de la densidad de la materia-energía de los intervalos del universo y del espacio-tiempo que usan acontecimientos de la supernova obligan la curvatura espacial para estar muy cerca de cero, aunque no obligan su muestra. Esto significa que las geometrías locales son generadas por la Teoría de la relatividad basada en intervalos de espacio-tiempo, y se pueden aproximar a la Geometría Euclidiana.

Geometrías locales

Existen tres categorías para las posibles geometrías espaciales de curvatura constante, dependiendo del signo de la curvatura. Si la curvatura es exactamente cero, entonces la geometría local es plana; si es positiva, entonces la geometría es esférica, y si es negativa entonces la geometría local es hiperbólica.

La geometría local del universo se determina aproximadamente si Omega es menos que, igual a o mayor de 1. De arriba hacia abajo: un universo esférico ("riemanniano" o de curvatura positiva), un universo hiperbólico ("lobachevskiano" o de curvatura negativa) , y un universo plano o de curvatura 0.

La geometría del universo está usualmente representada en el sistema de distancia apropiada, según el cual la expansión del universo puede ser ignorada.
Las coordenadas de la distancia apropiada forman un solo marco de referencia según el cual el universo posee una geometría estática de tres dimensiones espaciales.

Asumiendo que el universo es homogéneo e isótropo, la curvatura del universo observable, o de la geometría local, está descrita en una de las tres geometrías "primitivas":

Geometría euclidiana de 3 dimensiones, anotada generalmente como E³;
Geometría esférica de 3 dimensiones con una pequeña curvatura, anotada generalmente como S³;
Geometría hiperbólica de 3 dimensiones con una pequeña curvatura, generalmente anotada como H³;

Incluso, si el universo no es exactamente plano, la curvatura espacial está lo bastante cerca de cero como para poner el radio aproximadamente en el horizonte del universo observable, o más allá.

En la geometría clásica euclidiana, el quinto postulado lleva a estas conclusiones: por un punto solo puede pasar una recta paralela (de hecho la definición típica de paralela es la de una recta que nunca se encuentra con otra). De esto también se concluye que la suma de los ángulos internos de los triángulos es siempre = 180°

En la geometría esférica es posible que sobre un punto fijo no pase ninguna paralela y la suma de los ángulos internos de los triángulos sea de más de 180° (>180°).

En la geometría hiperbólica es posible que sobre un punto pasen dos paralelas y que la suma de los ángulos interiores de los triángulos sea menor de 180° (<180°).

Geometría global

La geometría global cubre la geometría, en particular la topología, de todo el universo observable y más allá de él. Cuando la geometría local no logra determinar la geometría global completamente, esto limita las posibilidades, particularmente siendo una geometría de una curvatura constante. Para una geometría espacial plana, se pensaba que la escala de cualquier característica de la topología sería arbitraria, aunque una investigación más reciente sugiere que las tres dimensiones espaciales pueden tender a igualarse en longitud. La escala de la longitud de una geometría plana puede o no ser directamente detectada. Para las geometrías hiperbólicas y esféricas, la probabilidad de la detección de la topología por la observación directa depende de la curvatura espacial. Usando el radio de esa curvatura o su inverso multiplicativo como una escala, una curvatura pequeña de la geometría local, con un radio correspondiente a una curvatura mayor que el horizonte observable, hace la topología difícil o imposible de detectar si la curvatura es hiperbólica. Una geometría esférica con una pequeña curvatura (gran radio o curvatura) no hace difícil la detección.

Dos investigaciones que se superponen fuertemente dentro del estudio de la geometría global son:

Si el universo es infinito en extensión o es un espacio compacto o finito.
Si el universo tiene una topología de conexión simple o no simple.

Compacidad de la forma global

Un espacio compacto es una definición topológica general que abarca la noción más aplicable de un espacio métrico limitado. En modelos cosmológicos, se requiere o uno o ambos de los siguientes postulados: el espacio tiene una curvatura positiva (como una esfera), y/o si está conectado de manera múltiple, o, más estrictamente, no-simplemente conectado

Si la 3-variedad de una sección espacial del universo es compacta entonces, como en una esfera, las líneas "rectas" ( en lo real, geodésicas ) que señalan en ciertas direcciones, cuando se extienden lo suficientemente lejos en la misma dirección llegarán al punto de partida y el espacio tendrá un "volumen" o "escala" que se puede definir. Si la geometría del universo no es compacta, entonces es infinita en extensión con caminos infinitos de dirección constante que, generalmente no vuelven y el espacio no tiene un volumen que se pueda definir, como en el plano euclidiano

Si la geometría espacial es esférica, la topología es compacta. Si no, para una geometría espacial plana o hiperbólica, la topología puede ser o compacta o infinita.

Universo plano

En un universo plano, todas las curvaturas locales y la geometría local son planas. En general, puede ser descrita por el espacio euclídeo, sin embargo hay algunas geometrías espaciales que son planas y limitadas en una o más direcciones. Esto incluye, en dos dimensiones, el cilindro, el toro, y la banda de Möbius. Espacios similares en tres dimensiones (como la botella de Klein) existen también.

Las últimas mediciones de la curvatura del espacio, realizadas por la misión espacial europea Planck, muestran que ΩK, el valor de ésta, es 0.000±0.005, lo cual es coincidente con un Universo plano.

Universo esférico

Un universo posiblemente curvo está descrito por la geometría esférica, y puede ser pensado como una hiperesfera tridimensional.

Uno de los esfuerzos en el análisis de la información de la WMAP( Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) es detectar un múltiple adosado mutuo de imágenes del universo distante en la radiación de fondo de microondas cósmicas. Asumiendo que la luz posee suficiente tiempo desde su origen para viajar por un universo limitado, muchas imágenes pueden ser observadas. Cuando los resultados y el análisis no corresponden a una topología limitada, y si el universo es limitado, entonces la curvatura espacial es pequeña, tal como la curvatura espacial de la Tierra es pequeña en un entorno de, por ejemplo, un radio de cien metros, pero ha de ser tenida en cuenta con un horizonte de mil kilómetros o más. Generalmente -aunque no absolutamente- la idea de un universo de geometría esférica es asociada con la de un universo finito (que tiene un punto de conclusión espacio temporal).

Basado en análisis de la información de la WMAP, durante el 2004-2006 los cosmólogos se concentraron en la conjetura de Poincaré, pero también consideraron las topologías de cuerno para ser compatible con la información.

Universo hiperbólico

Un universo hiperbólico (frecuente pero confusamente llamado "abierto") está descrito por la geometría hiperbólica, y puede creerse como un equivalente tridimensional de una forma de una montura infinitamente extendida. Para la geometría local hiperbólica, varios de los posibles espacios tridimensionales son informalmente llamados topologías de cuerno.

El destino último del universo abierto es que se continuará expandiendo para siempre, terminando en una muerte fría del universo, un Big Freeze o un Big Rip. Esta topología es consistente con las medidas astrofísicas hechas en los últimos años de los 90. Aunque también puede acabar en un Big Crunch.

Estructura Del Universo a Gran Escala

En cosmología física, el término estructura a gran escala se refiere a la caracterización de las distribuciones observables de materia y luz en las mayores escalas (típicamente del orden de miles de millones de años luz). Las expediciones de observación del cielo y el mapeo de varias bandas de longitud de onda de radiación electromagnética (en particular las emisiones de 21 cm) han proporcionado mucha información sobre el contenido y el carácter de la estructura del Universo. La organización de la estructura parece seguir un modelo jerárquico con la organización en la escala superior de supercúmulos y filamentos. Por encima de esto, parece que no hay ninguna estructura continuada, un fenómeno que ha sido conocido como el Final de la Grandeza.

Caracterización de estructuras

La organización de estructuras podría decirse que empieza a nivel estelar, aunque muchos cosmólogos raramente abordan la astrofísica en esta escala. Las estrellas se organizan en galaxias, las cuales forman cúmulos y supercúmulos que están separados por el inmenso vacío. Hasta 1989, se asumía normalmente que los cúmulos galácticos virializados eran las mayores estructuras en la existencia y que se distribuían más o menos uniformemente a través del Universo en cada dirección. Sin embargo, basados en datos de expediciones de corrimiento al rojo, en 1989 Margaret Geller y John Huchra descubrieron la "Gran Muralla", un conjunto de galaxias a más de 500 millones de años luz de distancia y de 200 millones de años de ancho, pero sólo 15 millones de años luz de profundidad. La existencia de esta estructura escapó de ser advertida durante demasiado tiempo porque requiere la localización de la posición de galaxias en tres dimensiones, que involucra combinar información de localización sobre galaxias con información de distancia del corrimiento al rojo.

La vista panorámica de todo el cielo del infrarrojo cercano revela la distribución de galaxias más allá de la Vía Láctea. La imagen se ha obtenido del catálogo 2MASS, con más de 1.5 millones de galaxias y el Point Source Catalog (PSC), cerca de 500 millones de estrellas en la Vía Láctea. Las galaxias están codificadas por su color de 'corrimiento al rojo' obtenidos del UGC, CfA, Tully NBGC, LCRS, 2dF, 6dFGS, y de las expediciones SDSS (y de varias observaciones compiladas por la bases de datos extragaláctica de la NASA) o fotométricamente deducidas de la banda K (2.2 um). Las azules son las fuentes más cercanas (z < 0.01), las verdes están a distancias moderadas (0.01 < z < 0.04) y las rojas son las más lejanas que la 2MASS puede resolver (0.04 < z < 0.1). El mapa está proyectado con el mismo área que el sistema galáctico (la Vía Láctea en medio).1 Gráficos de Thomas Jarret (IPAC).

En abril de 2003, se descubrió otra estructura a gran escala, la Gran Muralla de Sloan. Sin embargo, técnicamente no es una 'estructura', ya que los objetos en ella no están gravitacionalmente relacionados los unos con los otros pero sólo parecen de esta forma, causados por las medidas de distancia que fue utilizado. Uno de los mayores vacíos del espacio es el vacío de Capricornio, con un diámetro estimado de 230 millones de años luz.2 Sin embargo, en agosto de 2007 se confirmó la existencia de un nuevo supervacío en la constelación Eridanus, que está a casi mil millones de años.3 Originalmente, había sido descubierto en 2004 y fue conocido como Lugar Frío del WMAP.

En estudios más recientes el Universo parece una colección de vacíos gigantes similares a burbujas separados por hojas y filamentos de galaxias en el que el supercúmulo se parece a nodos ocasionales relativamente densos.

Astrocartografía de nuestro vecindario

En el centro del supercúmulo de Virgo hay una anomalía gravitacional, conocida como el Gran Atractor, que afecta al movimiento de las galaxias en una región de cientos de millones de años luz. Todas estas galaxias están desplazadas hacia el rojo, de acuerdo con la Ley de Hubble, indicando que están alejándose de nosotros y las unas con las otras, pero las variaciones en su desplazamiento al rojo son suficientes para revelar la existencia de una concentración de masa equivalente a decenas de miles de galaxias. El Gran Atractor, descubierto en 1986, se encuentra a una distancia de entre 150 millones y 250 millones de años luz (250 millones es la estimación más reciente), en la dirección de las constelaciones de Hydra y Centaurus. En su vecindario hay una preponderancia de grandes galaxias antiguas, muchas de las cuales están colisionando con sus vecinos y/o radiando grandes cantidades de ondas de radio.

Observaciones

Otro indicador de la estructura a gran escala es el 'bosque alfa de Lyman'. Esto es una colección de líneas de absorción que aparecen en las líneas espectrales de la luz de los quasars, que son interpretados como indicadores de la existencia de grandes hojas delgadas de gas intergaláctico (principalmente hidrógeno). Estas hojas parecen estar asociadas con la formación de nuevas galaxias.

Se necesita alguna precaución a la hora de describir estructuras a una escala cósmica porque las cosas no siempre son cómo parecen ser. La curvatura de luz por gravitación (lentes gravitacionales) puede dar como resultado imágenes que parecen originarse en una dirección diferente de su fuente real. Esto es causado por objetos de fondo (como galaxias) curvando el espacio alrededor de sí mismas (como se predice en la relatividad general), desviando rayos de luz que pasan cerca. Es bastante útil, las lentes gravitacionales fuertes a veces pueden amplificar las galaxias distantes, haciéndolas más fáciles de detectar. Las lentes débiles (esquiladas gravitacionalmente) por la intervención del Universo en general también cambia sutilmente la estructura a gran escala observada. En 2004, las medidas de este sutil esquilado lo muestran como una considerable promesa como una prueba de los modelos cosmológicos.

La estructura a gran escala del Universo también parece diferente si sólo se utiliza el corrimiento al rojo para medir distancias a galaxias. Por ejemplo, las galaxias detrás de un cúmulo galáctico serán atraídas hacia él y caerán en el y así serán ligeramente desplazadas al azul (comparado con como serían si no hubiera un cúmulo), en el lado cercano, las cosas estarían ligeramente desplazadas al rojo. Así, el entorno del cúmulo parecería un poco aplastado si se utilizara el corrimiento al rojo para medir distancia. Un efecto opuesto ocurre ya en las galaxias dentro de un cúmulo: las galaxias tienen algún movimiento aleatorio alrededor del centro del cúmulo y cuando estos movimientos aleatorios son convertidos en desplazamientos al rojo, el cúmulo parecerá alargado. Esto crea lo que es conocido como un dedo de Dios: la ilusión de una larga cadena de galaxias apuntando desde la Tierra.

Modelización

Hay muchos trabajos en cosmología física que intentan modelizar la estructura a gran escala del Universo. Utilizando el modelo del Big Bang y suponiendo el tipo de materia que forma el Universo, se puede predecir la distribución de materia y por comparación con las observaciones ir hacia atrás para soportar o refutar ciertas teorías cosmológicas. Actualmente, las observaciones indican que gran parte del Universo tiene que estar compuesto de materia oscura fría. Los modelos que asumen la materia oscura caliente o la materia oscura bariónica no se ajustan lo suficientemente bien a las observaciones. Las irregularidades en la radiación de fondo de microondas y el gran corrimiento al rojo de las supernovas proporcionan puntos de vista alternativos para restringir los mismos modelos y hay un consenso creciente de que estas observaciones conjuntas están aportando la prueba de que vivimos en un Universo en aceleración.

Bosque Lyman-alfa

El bosque de Lyman-alfa es el conjunto de líneas de absorción que aparecen entre la transición Lyman-alfa del hidrógeno neutro y la localización desplazada al rojo de esta transición en el espectro de un cuásar o una galaxia lejana.

Estas líneas de absorción se producen por las nubes de hidrógeno neutro que se encuentran entre nosotros y el objeto distante. Debido a la Ley de Hubble los objetos presentan un desplazamiento al rojo de sus líneas espectrales proporcional a la distancia a la que se encuentran de nosotros. Al encontrarse la luz emitida por el cuásar con una nube de hidrógeno se produce una absorción Lyman-alfa al desplazamiento al rojo que le corresponde a la nube. De esta manera vemos distintas líneas de absorción correspondientes a nubes a distintas distancias. El conjunto de estas líneas (bosque) se encuentra entre la línea Lyman-alfa del cuásar y zona donde se encontraría la línea a una distancia nula (sin desplazamiento al rojo; 121,6 nm).

Este bosque de líneas nos permite comprobar las propiedades del medio intergaláctico al poder observar regiones que de otro modo serían imposibles de detectar. Estas regiones se encuentran a distintas distancias y muestrean distintas edades del Universo, de esta manera se pueden usar para realizar estudios cosmológicos.

La densidad de líneas en el bosque de Lyman-alfa aumenta con el desplazamiento al rojo (z), hasta que a z ~ 6 hay tanto hidrógeno neutro en el medio intergaláctico que las líneas de absorción se funden en un canal de Gunn-Peterson. La aparición de este efecto señala el fin de la época de reionización del universo.

Galaxia Seyfert

Una galaxia Seyfert es un tipo de galaxia activa que albergan un núcleo activo. Este núcleo produce líneas espectrales de emisión de gas altamente ionizado. Son generalmente galaxias espirales. Su emisión es producida por la acreción de materia en el agujero negro supermasivo situado en su centro.

Historia

En 1908 Edward A. Fath descubre líneas de emisión en un espectro de la "nebulosa espiral" NGC 1068.El espectro se componía de líneas de absorción junto con líneas de emisión como las que se veían en las nebulosas gaseosas. Carl K. Seyfert descubre en 1943 que algunas galaxias tienen un núcleo, en apariencia puntual, que es el originario de estas líneas de emisión.Este es el primer trabajo sistemático en busca de este tipo especial de galaxias. La emisión de estas galaxias era muy parecida a las líneas de emisión de una nebulosa planetaria sobreimpresas a un espectro típico de una estrella como el Sol (tipo G). La anchura de las líneas es atribuida por Seyfert al desplazamiento Doppler, de esta manera se obtienen velocidades de hasta 8500 km/s en la zona nuclear. Esto se correspondería con un gas muy caliente que se mueve a alta velocidad, en contraste con los 300 km/s a los que se mueven como promedio las estrellas y el gas de una galaxia espiral normal.

Características de las galaxias Seyfert

Las galaxias Seyfert se llaman así en honor a su descubridor, el astrónomo estadounidense Carl Seyfert. Son generalmente galaxias espirales. En algunos casos su región central es muy brillante, tanto que puede eclipsar al resto de la galaxia en sí.

Espectro

El espectro electromagnético de las galaxias Seyfert presenta líneas de emisión de hidrógeno, helio, nitrógeno y oxígeno que destacan por su brillo.

Se presentan dos tipos de líneas en el espectro visible:

Unas líneas relativamente estrechas que se presentan en transiciones típicamente prohibidas (transición dipolar magnética o cuadrupolar eléctrica) que se denominan líneas prohibidas o simplemente líneas estrechas.
Otras líneas que se presentan en transiciones permitidas, que pueden ser anchas o estrechas, y se suelen denominar líneas permitidas. En el caso de que sean anchas se les denomina líneas anchas. Según si se presentan o no estas líneas anchas hablamos de galaxias Seyfert 1 o galaxias Seyfert 2.
Las galaxias Seyfert se clasifican como Tipo 1 ó Tipo 2, dependiendo de si el espectro muestra líneas de emisión estrechas y anchas, o solamente estrechas. Las de Tipo 1 muestran líneas de recombinación, tanto anchas como delgadas, sobrepuestas y líneas prohibidas delgadas; las de Tipo 2 sólo muestran líneas delgadas tanto permitidas como prohibidas. Algunos autores han llegado a ampliar la clasificación dependiendo de las intensidad relativa entre las componentes estrechas y anchas (p.e. Tipo 1,5 o Tipo 1,9).

Variabilidad

La radiación electromagnética proveniente del núcleo de las galaxias Seyfert (tanto como el continuo como algunas líneas de emisión) varía con el tiempo. En ciertos casos varía en menos de un año, lo cual implica que la región de emisión debe tener menos de un año luz de tamaño. Simples cálculos astronómicos indican que la radiación proveniente del núcleo es del orden de 1-100 veces la luminosidad que emite una galaxia espiral de tamaño normal, por lo que no deja de ser asombroso que una región tan "pequeña", del orden de un año luz como se vio, genere la energía equivalente a la que emiten miles de millones de galaxias en un tamaño 100 mil veces mayor. El espectro del continuo revela además que el origen de la radiación no es térmico, esto es, no es debido a una acumulación de estrellas normales. Además, el núcleo es brillante prácticamente en todo el rango espectral: desde los rayos gamma, pasando por rayos X, rayos ultravioleta, visible, infrarrojo y ondas de radio. Semejante cantidad de radiación en todo el espectro electromagnético en una región tan "pequeña" requiere un mecanismo increíblemente energético.

Origen de la emisión

Se atribuye el notable ancho de las líneas de emisión a una distribución de velocidades relativamente grande en el gas que emite la radiación. Si tenemos en cuenta el efecto Doppler, esto es, el desplazamiento de longitud de onda o de frecuencia de la radiación electromagnética debido a la velocidad de la fuente, se pueden entonces deducir las velocidades a las que se encuentra el gas emisor. Estas nubes poseen velocidades de entre 500 a 4000 km/s, y se creen originadas por un conjunto de nebulosas que están a cierta distancia de una fuente central muy intensa de radiación electromagnética.

Cada nube (o conjunto de nubes) tiene una velocidad relativa diferente desde nuestra línea de visión, y cuanto más rápido gire el gas en torno al agujero negro, más ancha será la línea. Las líneas estrechas se creen originadas en el conjunto de nubes más externo donde la velocidad rotacional es menor, mientras las líneas anchas son originadas por nubes que están relativamente cerca de la fuente emisora.

Esta descripción es concordante con el hecho de que no se detecta variación en las líneas estrechas, lo que conlleva que la región que las emite está alejada de la fuente central; en contraste, las líneas anchas son variables a escalas de tiempo cortas.

La región que emite las líneas delgadas es llamada NLR (narrow line region, región de líneas delgadas) y se cree que está conformada por un conjunto de nubes situadas entre 1 a 1000 pc de la fuente central de emisión. Su densidad es lo suficientemente baja como para producir, además de las tradicionales líneas de recombinación de hidrógeno y de helio, emisión de líneas prohibidas, esto es, emisión proveniente de ciertos átomos neutros o ionizados que en estados excitados pueden producir radiación electromagnética de muy baja probabilidad de emisión a causa precisamente de la baja densidad reinante allí.

La región que emite las líneas anchas es llamada BLR (broad line region, región de líneas anchas). Probablemente se ubique a unos 0,05 pc de la fuente central y su densidad es mayor que la de la NLR, lo suficiente como para no formar líneas prohibidas. Pero sí líneas de recombinación de hidrógeno y helio.

Modelo unificado

El modelo elaborado en los últimos 40 años que explica esta fenomenología es el siguiente: existe en el centro de esas galaxias un agujero negro supermasivo, con masas del orden de 108-109 masas solares. A pocas unidades astronómicas se encuentra un disco de material gaseoso que está sometido a fuerzas viscosas con una enorme turbulencia y que debido a esto cae hacia el agujero negro. Esto conlleva una notable pérdida de energía potencial gravitacional, la cual es enorme, teniendo en cuenta la enorme masa del cuerpo central. La pérdida de la energía potencial se traduce en una enorme liberación de energía radiante, principalmente en la región del ultravioleta y los rayos X. Esta región fuente se conoce como disco de acreción. La radiación proveniente de allí es tan intensa que hace perder electrones a los átomos que integran nubes que están en regiones ya bastante alejadas. Se dice entonces que la fuente es emisora de radiación fotoionizante. Las nubes de gas se ionizan pero tarde o temprano el sistema entra en equilibrio: hay ionización, pero también el proceso inverso: recombinación. Estonces las nubes cercanas (BLR) como lejanas (NLR) se convierten ellas mismas en emisoras de radiación. Para explicar por qué hay unas galaxias Seyfert de Tipo 1 y otras de Tipo 2 se introduce un elemento extra: la presencia de un material oscurecedor entre la NLR y la BLR en forma de toroide, conformado por polvo y gas molecular. Una galaxia es de tipo Seyfert 2 porque vista desde la Tierra posee una orientación tal que el toroide impide la observación de la BLR: sólo vemos líneas delgadas. Una galaxia es de tipo Seyfert 1 porque al ser observada desde la Tierra su orientación es tal que el toroide no impide la observación de la región más cercana al disco de acreción, esto es, la BLR.

En algunas galaxias de Tipo 2, las componentes anchas de las líneas de recombinación pueden ser observadas en luz polarizada porque la luz es dispersada por un halo caliente y gaseoso que rodea al núcleo, permitiendo observarlas indirectamente. Este efecto fue observado por primera vez en la galaxia NGC 1068, una Seyfert de Tipo 2.

Galaxia Circinus

La Galaxia del Compás (ESO 97-G13) es una galaxia Seyfert, la única de la constelación del Compás en la constelación del Compás. Se encuentra a no más de 4 grados por debajo del plano galáctico, y a una distancia de 13 millones de años luz. La galaxia está experimentando cambios traumáticos y está expulsando anillos de gas. El anillo más externo se encuentra a unos 700 años luz del centro de la galaxia y el más interior a unos 130 años luz. La galaxia del compás se puede observar por medio de un telescopio pequeño. Aunque esto no fue posible hasta finales de los años 80, ya que estaba ocultada por material de la Vía Láctea. Es una galaxia Seyfert de tipo II y la galaxia activa más cercana a la Vía Láctea.