Qué son los gigantescos arcos de galaxias, las estructuras más grandes del cosmos que desafían lo que sabemos sobre el universo

En 2021, la estudiante de doctorado británica Alexia López analizaba la luz proveniente de cuásares distantes cuando hizo un descubrimiento sorprendente.

Detectó un arco gigante, casi simétrico, de galaxias a 9.300 millones de años luz de distancia en la constelación de Bootes (el Boyero). Con una extensión masiva de 3.300 millones de años luz, la estructura es 1/15 del radio del universo observable.

Si pudiéramos verla desde la Tierra, tendría el tamaño de 35 lunas llenas desplegadas en el cielo. Conocida como el Arco Gigante, la estructura cuestiona algunas de las suposiciones básicas sobre el universo.

De acuerdo con el modelo estándar de la cosmología, la teoría en la que se basa nuestra comprensión del universo, la materia debería distribuirse más o menos uniformemente en el espacio.

Cuando los científicos observan el universo a escalas muy grandes, no debería haber irregularidades notables; todo debe verse igual en todas las direcciones.

Sin embargo, el Arco Gigante no es el único ejemplo de este tipo. Estas gigantescas estructuras obligan ahora a los científicos a revaluar su teoría de cómo evolucionó el universo.

López estudiaba para obtener su maestría en la Universidad Central de Lancashire, en Reino Unido, cuando su supervisor sugirió usar un nuevo método para analizar estructuras de gran escala en el universo.

Usó cuásares -galaxias distantes que emiten una cantidad extraordinaria de luz- para buscar magnesio ionizado, un signo seguro de nubes de gas que rodean una galaxia.

Cuando la luz pasa a través de este magnesio ionizado, ciertas frecuencias son absorbidas, dejando “firmas” de luz únicas que los astrónomos pueden detectar.

“Examiné cúmulos de galaxias conocidos y documentados, y luego comencé a trazar cómo se veían estas áreas en el método Magnesio II”, dice López.

“Un cúmulo que observé era muy pequeño, pero cuando lo tracé en magnesio II había esta interesante banda densa de absorción de magnesio en todo el campo de visión. Así es cómo terminé descubriéndolo. Fue un feliz accidente y tuve suerte de que fuera yo quien lo encontró”.

Lo que descubrió con su “feliz accidente” fue asombroso. Al mirar hacia la constelación de Bootes, un grupo de entre 45 y 50 nubes de gas, cada una asociada con al menos una galaxia, parecía organizarse en un arco de 3.300 millones de años luz de diámetro. Ese es un tamaño considerable dado que el universo observable tiene 94.000 millones de años luz de ancho.

Según el artículo de López, es extremadamente improbable (una probabilidad de solo el 0,0003 por ciento) que una estructura tan grande haya surgido por casualidad.

Sugiere que puede haberse formado debido a algo en la física natural del universo que actualmente no tenemos en cuenta.

Sus hallazgos desafían directamente una faceta central del modelo cosmológico estándar: la mejor explicación que tenemos de cómo comenzó y evolucionó el universo.

Esta faceta, conocida como el principio cosmológico, establece que, a gran escala, el universo debería verse más o menos igual en todas partes, sin importar tu posición o la dirección en la que estés mirando.

No debe haber estructuras gigantes, sino que el espacio debe ser liso y uniforme. Esto es conveniente, ya que permite a los investigadores sacar conclusiones sobre todo el universo basándose únicamente en lo que vemos desde nuestra ubicación.

Sin embargo, también tiene sentido, por el hecho de que después del Big Bang, el universo se expandió hacia afuera, arrojando materia en todas direcciones simultáneamente.

Hay otro problema. Según el modelo estándar, estructuras como el Arco Gigante simplemente no habrían tenido tiempo de formarse.

“La idea actual de cómo se formaron las estructuras en el universo es a través de un proceso conocido como inestabilidad gravitacional”, dice Subir Sarkar, profesor de física teórica de la Universidad de Oxford.

Alrededor de un millón de años después del Big Bang, cuando el universo se estaba expandiendo, pequeñas fluctuaciones en la densidad llevaron a que se aglomeraran fragmentos de materia.

Durante miles de millones de años, la atracción de la gravedad finalmente llevó a estos grupos a formar estrellas y galaxias.

Sin embargo, hay un límite de tamaño para este proceso. Algo más grande que unos 1.200 millones de años luz de diámetro simplemente no habría tenido tiempo suficiente para formarse.

“Para formar estructuras, necesitás que las partículas se congreguen cerca unas de otras para que pueda ocurrir un colapso gravitatorio”, dice Sarkar. “Esas partículas tendrían que moverse desde el exterior de la estructura para llegar allí”.

“Entonces, si tu estructura tiene 500 millones de años luz de diámetro, la luz tardaría 500 millones de años en moverse de un extremo al otro”.

“Sin embargo, las partículas de las que estamos hablando se mueven mucho más lentamente que la luz, por lo que se necesitarían miles de millones de años para crear una estructura de este tamaño, y el universo solo existe desde hace unos 14.000 millones de años”.

El Arco Gigante descubierto por López no es la única estructura de gran escala descubierta por los astrónomos. Está la Gran Muralla (también llamada Gran Muralla CfA2) de galaxias descubierta en 1989 por Margaret Geller y John Huchra.

La muralla tiene aproximadamente 500 millones de años luz de largo, 300 millones de años luz de ancho y 15 millones de años luz de espesor.

Aún más grande es la Gran Muralla Sloan, una estructura cósmica formada por una pared gigante de galaxias, descubierta en 2003 por J Richard Gott III, Mario Juric y sus colegas en la Universidad de Princeton.

Esa muralla tiene casi 1.500 millones de años luz de largo. En la última década, el descubrimiento de estos gigantes se ha acelerado aún más. En 2014, los científicos descubrieron el supercúmulo de Laniakea, una colección de galaxias en las que reside nuestra propia Vía Láctea.

Lanaikea tiene 520 millones de años luz de diámetro y contiene aproximadamente la masa de 100.000 billones de soles. Luego, en 2016, se descubrió la Gran Muralla BOSS, un complejo de galaxias de más de mil millones de años luz de diámetro. BOSS está formado por 830 galaxias separadas que la gravedad trajo en cuatro supercúmulos.

Las galaxias están conectadas por largos filamentos de gas caliente. En 2020, también se agregó a la lista el Muro del Polo Sur, que se extiende a lo largo de 1.400 millones de años luz.

Sin embargo, el actual poseedor del récord de la mayor de estas estructuras es la Gran Muralla Hércules-Corona Borealis. Descubierta en 2013, abarca 10.000 millones de años luz, más de una décima parte del tamaño del universo visible.

“Lo calculamos y luego nos dimos cuenta, ‘Oh, oh, esto es lo más grande del universo’”, dice Jon Hakkila, profesor de física y astronomía en la Universidad de Alabama en Huntsville.

Su preocupación estaba justificada. Tanto Hakkila como López realizaron una serie de pruebas estadísticas para tratar de demostrar que los resultados no podían deberse al azar.

Para el Arco Gigante, los resultados tienen un nivel de confianza del 99,9997%. En la investigación científica, el estándar de oro para la significación estadística se conoce como 5-sigma, que equivale a una probabilidad de aproximadamente 1 en 3,5 millones de que los resultados se deban al azar.

El Arco Gigante alcanzó un significado de 4,5 sigmas, por lo que aún existe la posibilidad de que la estructura sea un arreglo aleatorio de estrellas.

“Nuestros ojos son muy buenos para ver patrones. Es posible que veas iniciales en las nubes, pero esa no es una estructura real, tu mente está imponiendo una estructura sobre lo que en realidad es aleatorio”, explica Sarkar.

“Sin embargo, no creo que ese sea el caso en esta situación, creo que es una cadena física genuina de supercúmulos”. Si se demuestra que existen más estructuras como el Arco Gigante y la Gran Muralla Hércules-Corona Boreal, los astrónomos se verán obligados a reescribir, o al menos revisar, el modelo estándar de cosmología.

No sería la primera vez que habría que adaptar el modelo. En 1933, el científico de Caltech, Fritz Zwicky, midió la masa de un cúmulo de galaxias y descubrió que el número era menor de lo que esperaba.

De hecho, la masa era tan pequeña que las galaxias deberían haberse separado y escapado a la atracción gravitacional del cúmulo. Por lo tanto, algo más debe mantener unidos a los cúmulos de galaxias.

Este “algo” es la materia oscura, una sustancia misteriosa que se cree que constituye el 27% del universo. Después, en 1998, el modelo se adaptó aún más para incluir la energía oscura, después de que dos equipos independientes de astrónomos midieran la expansión del universo y descubrieran que se estaba acelerando.

De cualquier manera, deberíamos saberlo con seguridad en los próximos años. El Legacy Survey of Space and Time (LSST), un estudio planificado de 10 años del cielo del hemisferio sur, puede proporcionar a los astrónomos una visión sin precedente del universo.

“Se necesita mucho para hacer un cambio de paradigma, especialmente cuando las personas invierten sus vidas y carreras en ello, pero en última instancia, con la ciencia tenemos que comprobar quién tiene la razón”, afirma Sarkar.

*Por Jasmin Fox-Skelly

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