Filamentos gigantes se entrecruzan por el universo, conectando cúmulos de galaxias como autopistas entre ciudades. Su forma y estructura contienen información vital sobre el contenido y la historia del universo. Sin embargo, su compleja forma dificulta enormemente su medición. Ahora, investigadores han presentado un nuevo método para medir la masa de estos filamentos, que podría utilizarse para desvelar los secretos de la materia y la energía oscuras.
En sus escalas más grandes, nuestro Universo se asemeja a una red. Resulta apropiado llamarla red cósmica, ya que es la estructura más grande que se encuentra en la naturaleza. Dentro de la red cósmica se encuentran pequeños y compactos cúmulos de galaxias, conocidos como cúmulos de galaxias. Entre estos cúmulos hay vacíos: vastos espacios que prácticamente no contienen nada. Los cúmulos están conectados por hilos.
Cada filamento forma el núcleo de un supercúmulo y puede extenderse por decenas de millones de años luz y contener hasta cientos de miles de galaxias.
La forma detallada de la red cósmica y sus complejas estructuras tienen una larga historia. La red cósmica surgió hace más de 13 mil millones de años en los albores del universo, cuando las estrellas y las galaxias iluminaron el espacio por primera vez. La estructura moderna de la red cósmica nos habla de esta evolución y está estrechamente vinculada a las propiedades de la materia ordinaria, la materia oscura y la energía oscura. Un cambio en cualquiera de estos componentes crea un nuevo patrón en la red cósmica.
Filamentos de materia oscura. ESA/Springel et al., Consorcio Virgo
Durante décadas, los astrónomos han utilizado estadísticas sencillas sobre la red cósmica, como la distancia media entre galaxias, para comprender mejor estos componentes cosmológicos fundamentales. Sin embargo, dado que aún no comprendemos del todo la naturaleza de la materia y la energía oscuras, los cosmólogos están deseosos de aprender más sobre los detalles de la red cósmica.
Los filamentos son clave para comprender la naturaleza de la materia y la energía oscuras. A diferencia de los cúmulos de galaxias, los filamentos aún no han colapsado por completo. Sin embargo, aún contienen mucho más material que el espacio vacío. Por lo tanto, modificar la cantidad de materia y energía oscuras podría alterar la longitud, el ancho y la densidad promedio de los filamentos.
Pero pesar el filamento es actualmente muy difícil. Esto se debe a que la mayor parte de su masa reside en materia oscura, invisible a nuestras observaciones. Solo podemos cartografiar las galaxias visibles y usar eso para determinar la verdadera masa y estructura del filamento.
Recientemente, en un artículo aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal, investigadores propusieron un método para lograr precisamente eso. Calibraron sus métodos con modelos cosmológicos que rastrean la evolución de la materia oscura, las estrellas y las galaxias. Descubrieron una relación útil entre una magnitud llamada «dispersión del corrimiento al rojo de las galaxias» y la masa de la materia oscura.
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En promedio, las galaxias se alejan de nosotros en el universo en expansión. Sin embargo, pueden experimentar un movimiento adicional debido a su entorno gravitacional local. Por ejemplo, si observamos un filamento, algunas galaxias pueden moverse ligeramente en nuestra dirección, mientras que otras se alejan ligeramente. Las galaxias que se acercan a nosotros presentan un ligero corrimiento al azul en sus longitudes de onda, mientras que las que se alejan experimentan un ligero corrimiento al rojo.
Los investigadores tomaron secciones de cada filamento y construyeron un mapa de la distribución de estos corrimientos al rojo para obtener una idea de la dispersión de las velocidades galácticas. Posteriormente, relacionaron esta dispersión con la masa de materia oscura dentro de esa sección del filamento. Encontraron una estrecha relación entre ambas magnitudes, lo que les permitió reconstruir la masa de materia oscura oculta dentro del filamento utilizando únicamente las propiedades observadas de las galaxias.
Sin embargo, este es solo el primer paso. Los investigadores continuarán estudiando la relación entre las velocidades de las galaxias y la masa de materia oscura para desarrollar un método eficiente y fiable para estimar la masa. Posteriormente, mediante simulaciones, podrán observar cómo cambian estas cantidades en diversos escenarios cosmológicos. El paso final será aplicar esta metodología a estudios de galaxias reales para descubrir qué nos pueden decir los filamentos sobre los rincones ocultos del universo.
A principios de 2024, los astrónomos detectaron por primera vez materia oscura, colgando de filamentos masivos que se extienden por todo el universo y forman una «red cósmica» que envuelve las galaxias como una telaraña envuelve el rocío de la mañana.
Investigadores de la Universidad Yonsei de Seúl, Corea del Sur, utilizaron el Telescopio Subaru —un telescopio óptico-infrarrojo de 8,2 metros ubicado cerca de la cima del volcán Maunakea en Hawái— y el efecto de la gravedad sobre la luz para observar indirectamente la materia oscura incrustada en los filamentos de la red cósmica del cúmulo de Coma. Los hallazgos del equipo se publicaron en enero de 2024 en la revista Nature Astronomy.
Esta es la primera detección de materia oscura en la red cósmica y podría ayudar a confirmar cómo esta estructura, con hilos que se extienden por decenas de millones de años luz, influyó en la evolución del Universo.
El Cúmulo de Coma, también conocido como Abell 1656, es un conjunto de más de mil galaxias ubicado aproximadamente a 321 millones de años luz de distancia, en la constelación de Coma Berenices. Debido a su colosal tamaño y relativa proximidad, el Cúmulo de Coma es un lugar ideal para los científicos que buscan materia oscura en las hebras de la red cósmica.
El diagrama muestra cómo la luz de una fuente de fondo se desvía por la masa, creando un efecto llamado lente gravitacional. NASA, ESA y L. Calzada
La red cósmica es una red de filamentos compuestos de materia que alimenta las galaxias con gas, impulsando su crecimiento. Esta red también ayuda a mantener unidas las galaxias, dando lugar a los cúmulos de galaxias.
Las principales hebras de la red cósmica son, en sí mismas, las paredes de los supercúmulos de galaxias, siendo la pared correspondiente al cúmulo de Coma, conocida como
la «Gran Muralla». La Gran Muralla fue, de hecho, la primera estructura supergrande descubierta en el universo.
Se cree que los cúmulos de galaxias se congregan en las intersecciones de los filamentos, pero se cree que estos terminan entre galaxias, formando los llamados «filamentos intrascópicos». Se cree que la materia oscura se mueve a lo largo de estos filamentos de la red cósmica, colgando de estos filamentos intrascópicos.
Aunque la red cósmica, la estructura más grande del universo, se conoce desde hace décadas, los astrónomos solo han visto el tenue resplandor de sus filamentos gaseosos cuando son iluminados por regiones brillantes en los centros de galaxias alimentadas por agujeros negros supermasivos. Estos agujeros negros activos se llaman cuásares.
En 2023, el Sensor de Imágenes de la Red Cósmica Keck, también en la cima de Maunakea, capturó por primera vez la luz directa que emana de los finos filamentos de la red, que se intersecan y se extienden a través de los confines más oscuros del espacio. Estos filamentos se encuentran en lugares aislados entre galaxias, en las partes más extensas y ocultas de la red cósmica.
Sin embargo, “ver” la ubicación de la materia oscura alrededor de estos hilos de la red cósmica es una historia completamente diferente.
Un modelo informático de galaxias rodeadas de filamentos de gas que conforman la red cósmica. Yannick Bache
Esto se debe a que, a pesar de que la materia oscura constituye aproximadamente el 85% de toda la materia del Universo, es invisible porque no interactúa con la luz como lo hace la materia ordinaria, que es la que forma las estrellas y el polvo.
El dominio de la materia oscura sobre la materia ordinaria también significa que domina los hilos de la red cósmica, formando los andamios invisibles a lo largo de los cuales se forma la estructura del universo.
Sin embargo, aunque la materia oscura no interactúa con la luz, sí interactúa con la gravedad, y esta interacción afecta el movimiento de la materia y la luz cotidianas que podemos ver.
Un equipo de investigadores utilizó este concepto para detectar materia oscura en los filamentos de la red cósmica que atraviesa el cúmulo de Coma.
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La teoría de la gravedad de Albert Einstein de 1915, conocida como relatividad general, propone que los objetos con masa causan una curvatura en el tejido del espacio-tiempo. Esta teoría, a su vez, explica que lo que percibimos como gravedad surge de esta curvatura. Además, cuando la luz de una fuente de fondo atraviesa esta curvatura, su trayectoria se altera.
Esto puede provocar que las fuentes de fondo aparezcan desplazadas en el cielo, amplificadas o, en casos extremos, incluso en varios puntos de la misma imagen. Esto se denomina efecto de lente gravitacional.
La lente gravitacional utiliza la gravedad como una lupa. Primero, se coloca un gran pozo gravitacional (como materia oscura) que se desea estudiar entre el observador y una fuente de luz (como una estrella o una galaxia). Luego, se observa cómo la luz viaja hacia el observador desde esta fuente. La luz se refracta y gira alrededor del pozo gravitacional, y mediante este comportamiento, se puede inferir información sobre el objeto en su centro, como su masa.
Y si realmente parece que no hay nada entre tú y la fuente de luz, sino que esta luz es refractada por algo, entonces estás ante algún tipo de materia oscura.
Esto es precisamente lo que descubrieron los científicos al estudiar el cúmulo de Coma, un supercúmulo de galaxias a 321 millones de años luz de distancia, donde los astrónomos predijeron que convergerían varias hebras de la red cósmica y donde, como resultado, se encontrarían abundantes filamentos de materia oscura. Al apuntar un telescopio en esta dirección, los científicos observaron precisamente las señales de lente gravitacional que esperaban detectar. Eran tenues, pero aún presentes.
Este descubrimiento no solo es emocionante porque confirma aún más la existencia de la red cósmica en su forma original, sino que el equipo también espera que nos brinde una mejor comprensión de cómo evolucionó el universo a lo largo del tiempo. Quizás algún día comprendamos verdaderamente la inmensidad de nuestro universo.
Así, utilizando luz de galaxias y estrellas detrás del cúmulo de Coma, y gracias a la alta sensibilidad, alta resolución y amplio campo de visión de la Hyper Suprime-Cam (HSC) del Telescopio Subaru, el equipo detectó por primera vez un débil efecto de lente sobre el componente de materia oscura de los filamentos intracúmulos.
Esta primera detección de materia oscura en los extremos de la red cósmica ayuda a confirmar aún más la existencia de una estructura a gran escala que se extiende por todo el Universo.
Un equipo de investigadores australianos ha detectado ondas de choque en la red cósmica por primera vez. Estas ondas podrían ayudarnos a comprender la función de los campos magnéticos. Los investigadores esperan que el estudio del brillo energético de estas ondas de choque ayude a responder preguntas sobre la evolución del universo.
Los campos magnéticos a escala cósmica han sido durante mucho tiempo un misterio para la humanidad. Pero el descubrimiento de ondas de choque en regiones más delgadas de la red cósmica podría ayudar a los investigadores a comprender mejor cómo estos campos influyen en la forma general del universo observable. También podría ayudarnos a comprender cómo crece la red cósmica.
En un estudio de 2023 publicado en Science Advances, el Centro Internacional de Investigación Radioastronómica (ICRAR), con sede en Australia, demuestra la primera detección de ondas de choque entre cúmulos de galaxias. Estas ondas son partículas aceleradas que se mueven a través de cúmulos cósmicos y proporcionan evidencia de la naturaleza omnipresente de los campos magnéticos.
«Cuando la materia se fusiona en el Universo, crea una onda de choque que acelera las partículas, fortaleciendo los campos magnéticos intergalácticos», declaró Tessa Wernstrom, de la Universidad de Australia Occidental, en un comunicado de prensa. «Los campos magnéticos permean el Universo, desde los planetas y las estrellas hasta los vastos espacios intergalacticos. Sin embargo, muchos aspectos del magnetismo cósmico aún son poco conocidos, especialmente a las escalas observadas en la red cósmica».
Imagine la red cósmica como el universo observable a gran escala: una red entrelazada de filamentos y cúmulos llenos de gas, galaxias y materia oscura, que se entrelazan a través de vacíos cósmicos de millones de años luz de diámetro. El equipo del ICRAR quería comprender el papel de los campos magnéticos a tales escalas, una tarea que desde hace tiempo ha demostrado ser un desafío.
Estos campos magnéticos, que permean la red cósmica, escribe Wernstrom en The Conversation, se crean mediante partículas energéticas en movimiento. También explica que la teoría que sustenta este proyecto predice que «cuando la gravedad tira del hilo, se generan ondas de choque que refuerzan el campo magnético y crean un brillo visible para los radiotelescopios». Estas ondas de choque se han detectado por primera vez.
Para detectar estas señales esquivas, el equipo empleó un proceso llamado apilamiento, que consiste en superponer múltiples observaciones para eliminar el ruido de fondo y amplificar la señal débil lo suficiente como para ser detectada. Este método reveló las señales de las ondas de choque que el equipo buscaba, previamente observadas solo en colisiones de cúmulos de galaxias.
«Estas ondas de choque emiten emisiones de radio que deberían hacer que la red cósmica ‘brille’ en el espectro de radio», dice Wernstrom, «pero nunca se ha detectado de forma fiable porque las señales son muy débiles».
Pero la superposición por sí sola resultó insuficiente. La clave residió en combinar este método con observaciones de la polarización de estos campos. Según el trabajo de Wernström, las ondas de choque a gran escala «obligan a los campos magnéticos a ordenarse» y los polarizan fuertemente, es decir, se mueven en la misma dirección.
Combinando las ideas de apilamiento y polarización, Wernstrom escribió que el equipo detectó «un exceso de luz altamente polarizada entre cúmulos, mucho mayor de lo que se esperaría de las galaxias solas. Podemos interpretar esto como luz de ondas de choque en los filamentos de conexión».
Un nuevo estudio ofrece nuevas perspectivas sobre el papel de los campos magnéticos en las fibras de la red cósmica. Una comprensión más profunda de la intensidad y la importancia de los campos magnéticos ayudará a los investigadores a comprender mejor cómo crece el universo.
«Detectar y estudiar este resplandor no sólo podría confirmar nuestras teorías sobre cómo se formó la estructura a gran escala del Universo», escribe Wernstrom, «sino también ayudar a responder preguntas sobre los campos magnéticos cósmicos y su significado».
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