crecimiento de estructuras

Una vieja esfera estelar, que ha reunido cientos de miles de soles, lleva miles de millones de años girando por las afueras de una galaxia enana. Según los cálculos, hace mucho que debería haberse desplomado hacia el centro, como una piedra pesada en un cuenco de gelatina. Pero la esfera se mantiene en su sitio, y ese hecho no deja dormir a los astrofísicos desde hace varias décadas.

Un censo de población según la forma del cuerpo: así se puede describir lo que hicieron los astrónomos con 6348 galaxias masivas. En lugar de estatura y peso, midieron cuánto se concentra la luz hacia el centro, cuán achatada está la galaxia y cuán asimétrica es su forma. Luego repitieron las mismas mediciones en galaxias de tres modelos computacionales del universo y compararon los resultados.

En la habitación oscura del escáner, una persona observa atentamente unos destellos esporádicos en la pantalla. Una cámara infrarroja graba su pupila mil veces por segundo, mientras la máquina de resonancia magnética registra qué zonas del cerebro se activan.

Una ciudad vieja que se rodea de nuevos suburbios. En el centro, calles estrechas donde la vida casi se ha detenido, y en las afueras, un bullicio de construcción. Así es una galaxia espiral cuyo núcleo alberga estrellas que envejecieron hace tiempo, mientras que en el disco exterior aún nacen otras nuevas.

Una fábrica capaz de producir un millón de piezas por hora, por alguna razón, solo hace un centenar. Más o menos así se comporta nuestro universo si lo miramos a través del prisma de la entropía, esa medida del desorden que, según las leyes de la física, solo puede aumentar. Las principales "máquinas" de esta fábrica son los agujeros negros supermasivos.

Un conjunto de jazz: al principio, una cacofonía de notas aleatorias. Y luego, un riff pegadizo que suena una y otra vez. Así es también el enigma del origen de la vida, solo que en el idioma de la química.

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 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.

El universo se asemeja a un enorme andamiaje invisible. No lo vemos directamente, pero sabemos que existe: las galaxias y los cúmulos se mantienen unidos gracias a él. Ese andamiaje es la materia oscura. La versión más popular sostiene que es "fría" y está compuesta por partículas pesadas y lentas.

El cosmos se asemeja a una tela de seda con hilos de una red oscura que sobresalen. Las verdaderas telas las vemos solo como pequeños retazos — a través de telescopios, en catálogos reales de galaxias.

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.

Desde que Fritz Zwicky notó que los cúmulos de galaxias se movían demasiado rápido, y Vera Rubin midió la rotación de los brazos espirales, la materia oscura sigue siendo el principal enigma de la cosmología.

Cuando después del Big Bang el cosmos en enfriamiento perdía la simetría primordial, en los campos surgían tensiones, como si en un vidrio que se solidifica crecieran microfisuras. Los monopolos globales, predichos por Gerard 't Hooft y Polyakov, se convirtieron en «cicatrices» similares en el tejido del universo.

Cuando miramos al espacio profundo, vemos el pasado. La ley de Edwin Hubble convierte el corrimiento al rojo en una máquina del tiempo: la luz de la galaxia UDS 12999 tardó 7.600 millones de años en llegar hasta nosotros — más de la mitad de la vida del Universo.

En los primeros instantes después del Big Bang el universo no era un vacío silencioso, sino una caldera hirviente de plasma, impregnada de ondas sonoras. Cuando la temperatura descendía, el cosmos experimentaba transiciones de fase: reestructuraciones espontáneas que generaban burbujas de una nueva fase.

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 caldo ardiente del Universo temprano se enfrió de manera desigual. En algún momento, comenzaron a formarse burbujas de una nueva fase, como burbujas de vapor en agua hirviendo. Pero estas burbujas no eran de vapor, sino de un nuevo estado de la materia en el que las partículas del sector oscuro se agrupaban en grumos más grandes. Así pudo nacer la materia oscura.

En el centro de una galaxia, la gravedad concentra la materia oscura formando una densa 'espina'. Esta espina oscura se asemeja a un embudo de partículas invisibles alrededor de un cuerpo masivo. Pero si tanto el centro como las partículas son agujeros negros primordiales, el panorama se rompe.

Las galaxias lenticulares son las «tranquilas» del cosmos: tienen disco, pero no brazos espirales brillantes. Durante mucho tiempo, su origen fue un misterio. Un equipo de científicos ejecutó la simulación por computadora Hydrangea y siguió el destino de cada galaxia desde su juventud hasta nuestros días. En el diagrama «masa-tamaño», estas galaxias se alinean formando una V.

El universo crece como una metrópolis: las galaxias-rascacielos se levantan sobre un armazón invisible de materia oscura; su peso atrae el material de construcción. Mientras, la energía oscura hace que la propia ciudad se expanda sin cesar.

En el ensamblaje del Sistema Solar, como en un menú de degustación de alta cocina, la receta no siempre está fijada de antemano: a veces el último ingrediente se añade cuando el plato ya está al fuego.

Con ayuda del telescopio James Webb, los astrónomos se asomaron a un antiguo cuásar — el deslumbrante corazón de una galaxia, donde un agujero negro gigante succiona materia. Resultó que no solo destruye, sino que también crea: sus potentes chorros y ondas de choque actúan como un auténtico molino cósmico.

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.

Lanza una piedra a un estanque y verás ondas. Algo similar ocurre dentro de los cúmulos compactos de materia oscura cuando se encuentran en un medio especial: el campo escalar. Este campo, que lo impregna todo, puede amplificarse espontáneamente en el interior de estos objetos, como si las ondas en el agua se hicieran cada vez más altas y visibles.

Un globo no se desinfla todo a la vez: primero aparecen abolladuras que corren, se fusionan y, al final, el globo se arruga hasta convertirse en un punto. Algo parecido ocurre con las paredes de dominio: delgadas fronteras que dividían el espacio en los primeros instantes después del Big Bang.

En un parque urbano, los árboles crecen más rápido que en un bosque profundo. No porque el suelo sea mejor, sino porque aquí chocan más a menudo sus ramas e intercambian semillas. Algo parecido hacen las galaxias en el protocúmulo de la Telaraña: un enorme cúmulo de materia que, dentro de miles de millones de años, se convertirá en un cúmulo maduro.

En el caldero ardiente del universo temprano, el vacío, como un líquido sobreenfriado, podía burbujear con una nueva fase. Durante mucho tiempo, los físicos depositaron sus esperanzas en estas burbujas como fuente de agujeros negros primordiales (ANP) — candidatos ideales a materia oscura.

Si no se remueve un cóctel con capas, el jarabe pesado se va al fondo. Un planeta joven es como un océano burbujeante de roca incandescente. Al enfriarse, los minerales cristalizan: algunos, como el hierro, se vuelven pesados y se hunden, otros flotan. Parecería que cerca del núcleo debería acumularse una capa densa.

Una multitud en una plaza de la ciudad se comporta de manera diferente según si las personas se toman de las manos. Si cada uno solo roza ligeramente el codo del vecino, la gente se dispersa fácilmente en todas direcciones: la multitud se expande como una alfombra uniforme.

Los cúmulos de galaxias gigantes son como ciudades de miles de islas estelares, unidas por la gravedad. En su interior hierve un gas caliente que brilla en rayos X. Si un cúmulo ha chocado recientemente con otro, aparecen grumos de galaxias y deformaciones en el gas, como ondas en el agua después de lanzar una piedra.

Los cúmulos globulares son densos 'ovillos' de cientos de miles de estrellas que orbitan alrededor del centro de la Vía Láctea. Unos nacieron en nuestra galaxia; otros fueron capturados cuando la Vía Láctea absorbió galaxias enanas satélites.

Después del Big Bang, la materia oscura y la materia ordinaria (principalmente hidrógeno) se separaron en velocidad.

Un globo se infla solo, aunque nadie sople. Así se ve aproximadamente la expansión acelerada del universo, y para explicarla normalmente se invoca la energía oscura, una fuerza invisible e incomprensible. Pero, ¿y si el globo se hincha porque dentro de él aparecen continuamente nuevas moléculas de aire?

Cada concha es un diario de crecimiento en piedra. El molusco no la construye según un plano, como un arquitecto, sino que simplemente añade material por el borde, siguiendo siempre la misma regla. Es como si un caracol pegara cada día una nueva tira a su casita, desplazándola un poco hacia un lado y aumentando el tamaño. Es esa repetición, y no un control complejo, la que crea la forma característica de la especie.

Un agujero negro diminuto, del tamaño de un núcleo atómico, flota en el caldo ardiente del universo temprano. Normalmente, una criatura tan pequeña debería evaporarse rápidamente, liberando energía como una gota de agua en una sartén caliente. Pero si el espacio es más complejo de lo que parece y contiene dimensiones ocultas, todo cambia.

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.

En una nube, miles de diminutas gotas de agua flotan en el aire. Para que llueva, necesitan crecer: unirse en gotas más grandes y volverse lo suficientemente pesadas como para caer al suelo.

Dos cúmulos de galaxias chocaron como dos enjambres de abejas que se atraviesan mutuamente. Uno de ellos es el famoso «Bala». Tras la colisión, el gas caliente, que constituye la mayor parte de la materia ordinaria, frenó y quedó en el centro, mientras que las galaxias, como pequeñas piedras densas, continuaron su camino.