formación de estructuras cósmicas

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo parecía un caldero hirviendo. En él, según una hipótesis, pudo nacer la materia oscura: la sustancia invisible que mantiene a las galaxias unidas.

El cielo nocturno parece un puñado de estrellas al azar. Pero si lo observamos a distancias enormes, el caos desaparece. Las galaxias se agrupan en largos filamentos y muros planos, y entre ellos se abren vacíos colosales: los vacios cósmicos. A esta estructura se la llama telaraña cósmica.

El modelo cosmológico estándar ΛCDM (que incluye energía oscura y materia oscura fría) es la partitura de una sinfonía cósmica. Describe cómo, tras el Big Bang, el espacio se expandió. Cómo se agrupó la materia oscura. Cómo se encendieron las galaxias.

En una habitación oscura suena música. En el suelo se ha esparcido polvo fino, casi invisible. Las bajas frecuencias hacen que se agrupe en patrones caprichosos: filamentos, cúmulos, vacíos.

En 1929, Edwin Hubble apuntó su telescopio a galaxias lejanas y descubrió que se alejan. Noventa años después, dos mediciones de la velocidad de esa expansión —una basada en la luz antigua y otra en estrellas cercanas— se niegan a coincidir. Una discrepancia del 9% no se puede achacar a errores.

Tres cuerdas invisibles vibran en el vacío intergaláctico. No es poesía, sino una hipótesis sobre la naturaleza de la materia oscura: un campo cuántico ultraligero con espín 1, que porta tres polarizaciones.

Imagina el universo primitivo como una campana de dimensiones inimaginables. La inflación —la época de expansión acelerada ideada por Alan Guth— la golpea, y una onda se propaga por el tejido del espacio-tiempo.

En los primeros instantes de la vida del universo no había ni rastro de energía oscura: esa fuerza que hoy separa las galaxias cada vez más rápido. Pero si miramos más profundo, a la escala de Planck (miles de millones de miles de millones de veces más pequeña que el núcleo atómico), el espacio-tiempo deja de ser liso.

En la búsqueda de la naturaleza de la materia oscura, una de las hipótesis más intrigantes se remonta a los primeros instantes después del Big Bang.

La historia comenzó con la escasez de masa. En los años 1930, Fritz Zwicky, midiendo velocidades en cúmulos de galaxias, fue el primero en sospechar la presencia de materia invisible. Más tarde, Vera Rubin mostró que los bordes de las galaxias espirales giran demasiado rápido para la materia visible.

El universo temprano era un lugar turbulento. El espacio vibraba con ondas gravitacionales, ondas en el propio tejido del cosmos. En ese crisol burbujeante, se cree que nació la materia oscura. Pero las partículas recién nacidas no tenían masa; había que obtenerla de algún lugar. Normalmente, el campo de Higgs es el responsable de la masa.

El espacio-tiempo no está vacío: tiembla. Tras el Big Bang, el universo estaba lleno del zumbido de las ondas gravitacionales, similar al grave tañido de una campana gigante.

Todo comenzó no con el vacío, sino con un océano de plasma hirviendo. En este caldo primigenio, las ondas sonoras corrían a través de la materia ardiente, chocaban y la compactaban. A veces, un grumo se volvía tan denso que la luz ya no podía escapar, y directamente del gas incandescente nacía un agujero negro primordial.

Una nube gigante de materia invisible actúa como un espejo deformante: distorsiona la luz de una galaxia lejana. Con esas distorsiones, los astrónomos pueden pesar la nube y asomarse a su interior.

A través de las ondulaciones del agua, las piedras en el fondo de la piscina parecen desplazadas y distorsionadas. De manera similar, la gravedad de la materia oscura invisible curva la luz de las galaxias lejanas: este fenómeno se conoce como lente gravitacional débil.

El herrero forja una espada. Con cada golpe de martillo, el metal incandescente se aplana, pero también el martillo, el yunque y el aire circundante se calientan ligeramente. Parte de la energía del golpe se pierde irremediablemente en forma de calor — y este intercambio, familiar para cualquiera que haya clavado un clavo, resulta ser la clave de los mayores misterios del cosmos.

En un fino sándwich de semiconductores, la luz crea pares: un electrón y un hueco positivo que se mantienen unidos como una pelota atada a una goma elástica. Normalmente, estos pares, los excitones, emiten luz rápidamente y desaparecen. Pero hay otros, los oscuros, que viven cientos de veces más porque su estructura interna les impide ceder energía al exterior con facilidad.

Las gotas de un grifo mal cerrado marcan un ritmo claro. Un ritmo similar, pero a escala cósmica, han descubierto los astrofísicos: la formación de agujeros negros primordiales —objetos diminutos nacidos en los primeros instantes tras el Big Bang— tampoco es caótica, sino estrictamente acompasada.

La llama de una vela tiembla con la corriente de aire, pero no se apaga: la lengüeta solo cambia de forma por un instante y vuelve. Más o menos así se comportan los skyrmiones ópticos — diminutos vórtices en el campo del haz, que recuerdan a remolinos de agua. Hasta hace poco, solo se obtenían en luz láser ideal y uniforme.

Si arrojas un puñado de purpurina a un río, algunas partículas flotarán directamente, otras girarán en pequeños remolinos. Con las galaxias del universo ocurre algo parecido: no solo se separan debido a la expansión, sino que también giran en corrientes gigantes, como astillas en remolinos invisibles.

Nadie ha visto la materia oscura, pero su atracción la siente cada galaxia. Lo más común es imaginarla como un mar de partículas idénticas y silenciosas. El nuevo trabajo dibuja un panorama más vivo: dos tipos de partículas, una pesada y otra ligera, entre las cuales hay un intercambio constante.

Todo comenzó con diminutos centelleos cuánticos sobre el lienzo primigenio. La inflación — la expansión vertiginosa propuesta por Alan Guth — estiró esas pinceladas hasta el tamaño de las galaxias.

En la década de 1950, la astrónoma Vera Rubin descubrió que las estrellas en los bordes de las galaxias se movían demasiado rápido, retenidas por una masa invisible. Así nació el misterio de la materia oscura. No emite luz, pero se manifiesta a través de la gravedad.

El universo se parece a una telaraña gigante: las galaxias no están dispersas al azar, sino que se agrupan en nodos y a lo largo de filamentos. Dentro de los filamentos hay mucho gas, y es allí donde con mayor frecuencia brotan estrellas nuevas. Pero, ¿cómo ha cambiado esto con el tiempo?

El Universo comenzó con el Big Bang y la posterior inflación: una expansión abrupta. Alan Guth sugirió que en algunas regiones este crecimiento nunca se detuvo. Quedaron para siempre como bolsas 'a medio hornear' de expansión eterna.

En su infancia, el universo era una mezcla caliente de partículas, como un plasma. Microsegundos después del Big Bang, al enfriarse, la temperatura fluctuaba ligeramente. Estas pulsaciones actuaron como empujones precisos en un columpio: estimulaban sincronizadamente el nacimiento de axiones, partículas candidatas a materia oscura.

El universo temprano se parecía a una obra en construcción, donde en vez de levantar pisos lentamente se usaban bloques prefabricados. Esos bloques fueron los agujeros negros primordiales, nacidos en las primeras fracciones de segundo tras el Big Bang.

Ya en el siglo pasado, Vera Rubin descubrió que las estrellas en los bordes de las galaxias giraban demasiado rápido, como si una materia invisible las mantuviera unidas. Desde entonces, la materia oscura ha sido un misterio. Normalmente se atribuye su origen a nuevas partículas o fuerzas.

El cielo nocturno está lleno de estrellas, pero ellas son solo una pequeña parte de todo lo que existe en el universo. Los astrónomos notaron hace tiempo una rareza: las galaxias giran tan rápido que deberían despedazarse, pero no lo hacen. Algo invisible las mantiene unidas, como hilos invisibles que sujetan las cuentas de una rueda que gira.

En los laboratorios de la Tierra, el condensado de Bose-Einstein se obtiene enfriando una nube de átomos hasta millonésimas de kelvin. Los átomos pierden su individualidad y se funden en una única onda cuántica que se comporta como un todo.