Estructura a gran escala del universo

La estructura a gran escala del universo es el término cosmológico para el carácter de la distribución de materia a la escala de todo el universo observable . Los estudios del cielo y los mapeos de las diversas bandas de longitud de onda de la radiación electromagnética (en particular la emisión 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 organización hasta la escala de supercúmulos y filamentos . Más allá de esto (en escalas entre 30 y 200 megaparsecs), ^{[ 1 ]} parece no haber una estructura continua, un fenómeno que se ha denominado el Fin de la Grandeza . ^{[ 2 ]} La forma de la estructura a gran escala se puede resumir mediante el espectro de potencia de la materia .

La organización de la estructura comienza, posiblemente, a nivel estelar, aunque la mayoría de los cosmólogos rara vez abordan la astrofísica a esa escala. Las estrellas se organizan en galaxias , que a su vez forman grupos de galaxias , cúmulos de galaxias , supercúmulos , láminas, paredes y filamentos , separados por inmensos vacíos , creando una vasta estructura espumosa ^{[ 5 ]} a veces llamada la "red cósmica". Antes de 1989, se asumía comúnmente que los cúmulos de galaxias virializados eran las estructuras más grandes existentes y que estaban distribuidos de manera más o menos uniforme por todo el universo en todas las direcciones. Sin embargo, desde principios de la década de 1980, se han descubierto cada vez más estructuras. En 1983, Adrian Webster identificó el Webster LQG , un gran grupo de cuásares compuesto por 5 cuásares. Este descubrimiento fue la primera identificación de una estructura a gran escala y ha ampliado la información sobre la agrupación conocida de materia en el universo.

En 1987, Robert Brent Tully identificó el Complejo Supercúmulo Piscis-Cetus , el filamento galáctico en el que reside la Vía Láctea . Tiene aproximadamente 1000 millones de años luz de diámetro. Ese mismo año, se descubrió una región inusualmente grande con una distribución de galaxias mucho menor que el promedio, el Vacío Gigante , que mide 1300 millones de años luz de diámetro. Basándose en datos de estudios de corrimiento al rojo , en 1989 Margaret Geller y John Huchra descubrieron la " Gran Muralla ", ^{[ 6 ]} una lámina de galaxias de más de 500 millones de años luz de largo y 200 millones de años luz de ancho, pero solo 15 millones de años luz de espesor. La existencia de esta estructura pasó desapercibida durante tanto tiempo porque requiere localizar la posición de las galaxias en tres dimensiones, lo que implica combinar información de ubicación sobre las galaxias con información de distancia a partir de corrimientos al rojo .

Dos años después, los astrónomos Roger G. Clowes y Luis E. Campusano descubrieron el LQG de Clowes-Campusano , un gran grupo de cuásares que mide dos mil millones de años luz en su punto más ancho, que era la estructura más grande conocida en el universo en el momento de su anuncio. En abril de 2003, se descubrió otra estructura a gran escala, la Gran Muralla de Sloan . En agosto de 2007, se detectó un posible supervacío en la constelación de Eridanus . ^{[ 7 ]} Coincide con el " punto frío del CMB ", una región fría en el cielo de microondas que es altamente improbable bajo el modelo cosmológico actualmente favorecido. Este supervacío podría causar el punto frío, pero para hacerlo tendría que ser improbablemente grande, posiblemente mil millones de años luz de diámetro, casi tan grande como el Vacío Gigante mencionado anteriormente.

Otra estructura a gran escala es el protocúmulo SSA22 , una colección de galaxias y enormes burbujas de gas que mide aproximadamente 200 millones de años luz de diámetro.

En 2011, se descubrió un gran grupo de cuásares, U1.11 , que medía aproximadamente 2.500 millones de años luz de diámetro. El 11 de enero de 2013, se descubrió otro gran grupo de cuásares, el Huge-LQG , que se midió en cuatro mil millones de años luz de diámetro, la estructura más grande conocida en el universo en ese momento. ^{[ 8 ]} En noviembre de 2013, los astrónomos descubrieron la Gran Muralla de Hércules-Corona Boreal , ^{[ 9 ] [ 10 ]} una estructura aún más grande, el doble de grande que la anterior. Fue definida por el mapeo de estallidos de rayos gamma . ^{[ 9 ] [ 11 ]}

En 2021, la Sociedad Astronómica Estadounidense anunció la detección del Arco Gigante ; una cadena de galaxias en forma de media luna que abarca 3.300 millones de años luz de longitud, ubicada a 9.200 millones de años luz de la Tierra en la constelación de Boötes a partir de observaciones capturadas por el Sloan Digital Sky Survey . ^{[ 12 ]}

El Fin de la Grandeza es el nombre que se le da ocasionalmente a una escala de observación de alrededor de 100 Mpc (aproximadamente 300 millones de años luz) donde la irregularidad observada en la estructura a gran escala del universo se homogeneiza e isotropiza de acuerdo con el principio cosmológico . ^{[ 13 ]} La "irregularidad" se cuantifica calculando una dimensión fractal a partir de las observaciones. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Los supercúmulos y filamentos observados en estudios más pequeños se aleatorizan hasta el punto de que la distribución suave del universo es visualmente aparente. No fue hasta que se completaron los estudios de corrimiento al rojo de la década de 1990 que esta escala pudo observarse con precisión. ^{[ 2 ]} 

Otro indicador de estructura a gran escala es el « bosque Lyman-alfa ». Se trata de un conjunto de líneas de absorción que aparecen en los espectros de luz de los cuásares y que se interpretan como indicativas de la existencia de enormes láminas delgadas de gas intergaláctico (principalmente hidrógeno ). Estas láminas parecen colapsar en filamentos, que pueden alimentar a las galaxias a medida que crecen, ya sea en los puntos donde los filamentos se cruzan o son densos. Una evidencia directa temprana de esta red cósmica de gas fue la detección en 2019, por astrónomos del Centro RIKEN para la Investigación Pionera en Japón y la Universidad de Durham en el Reino Unido, de luz proveniente de la parte más brillante de esta red, que rodeaba e iluminaba un cúmulo de galaxias en formación, actuando como linternas cósmicas para la fluorescencia del hidrógeno en el medio intercúmulo a través de emisiones Lyman-alfa. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

En 2021, un equipo internacional, dirigido por Roland Bacon del Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (Francia), informó de la primera observación de emisión difusa extendida de Lyman-alfa desde un corrimiento al rojo de 3,1 a 4,5 que trazaba varios filamentos de la red cósmica en escalas de 2,5−4 cMpc (megaparsecs comóviles), en entornos filamentosos fuera de estructuras masivas típicas de los nodos de la red. ^{[ 19 ]} 

Es necesario tener precaución al describir estructuras a escala cósmica, ya que suelen ser diferentes de cómo se ven. El efecto de lente gravitacional puede hacer que una imagen parezca originarse en una dirección distinta a la de su fuente real, cuando los objetos en primer plano curvan el espacio-tiempo circundante (como predice la relatividad general ) y desvían los rayos de luz que pasan. De manera bastante útil, el efecto de lente gravitacional fuerte a veces puede magnificar galaxias distantes, facilitando su detección. El efecto de lente débil producido por el universo intermedio también altera sutilmente la estructura observada a gran escala.

La estructura a gran escala del universo también se ve diferente si solo se usa el corrimiento al rojo para medir las distancias a las galaxias. Por ejemplo, las galaxias detrás de un cúmulo de galaxias son atraídas hacia él y caen hacia él, por lo que experimentan un corrimiento al azul (en comparación con cómo se verían si no hubiera un cúmulo). En el lado cercano, los objetos experimentan un corrimiento al rojo. Por lo tanto, el entorno del cúmulo parece algo comprimido si se usa el corrimiento al rojo para medir la distancia. El efecto opuesto se observa en las galaxias que ya están dentro de un cúmulo: las galaxias tienen cierto movimiento aleatorio alrededor del centro del cúmulo, y cuando estos movimientos aleatorios se convierten en corrimientos al rojo, el cúmulo parece alargado. Esto crea un " dedo de Dios ", la ilusión de una larga cadena de galaxias apuntando a la Tierra.

En el centro del supercúmulo Hydra-Centaurus , una anomalía gravitacional llamada Gran Atractor afecta el movimiento de las galaxias en una región de cientos de millones de años luz. Estas galaxias presentan un corrimiento al rojo , de acuerdo con la ley de Hubble . Esto indica que se alejan de nosotros y entre sí, pero las variaciones en su corrimiento 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 y 250 millones de años luz en dirección a las constelaciones de Hydra y Centaurus . En sus proximidades predominan las galaxias grandes y antiguas, muchas de las cuales colisionan con sus vecinas o emiten grandes cantidades de ondas de radio.

En 1987, el astrónomo R. Brent Tully, del Instituto de Astronomía de la Universidad de Hawái, identificó lo que denominó el Complejo del Supercúmulo Piscis-Cetus , una estructura de mil millones de años luz de largo y 150 millones de años luz de ancho en la que, según afirmó, se encuentra incrustado el Supercúmulo Local. ^{[ 20 ]}

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• Astronomía local