Midiendo Flujos Cósmicos

Título: The Dipole Repeller
Autores: Hoffman et al.
Institución del primer autor: Racah Institute of Physics, Hebrew University

¿Cuáles son los objetos más pesados y grandes del Universo? ¿Serán las galaxias? Las galaxias son objetos verdaderamente grandes pero solo falta dar una ligera mirada para darnos cuenta que las galaxias a su vez están agrupadas en una estructura mucho mayor. En algunos casos, esta estructura contiene algunas docenas de otras galaxias. Si tal es el caso, a la agrupación se le llama “grupo de galaxias”. Esa es la situación de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, que “vive” junto a otras galaxias compañeras en un vecindario galáctico, conocido como “Grupo Local” dentro del cual ella misma ni siquiera es la más grande. Ese honor se lo lleva la famosísima Galaxia de Andrómeda, con la que nos espera una colisión frontal dentro de unos 5000 millones de años. En un contexto mayor, los grupos de galaxias son los hermanitos menores de los “cúmulos de galaxias”, que pueden albergar fácilmente de cientos a miles de galaxias. Pero la cosa no acaba ahí, los cúmulos pueden estar en regiones mucho mayores donde la densidad de galaxias supera con creces a la de los grandes vacios cósmicos. Es en esta escala donde habitan los seres de los que hablaremos hoy, ni más ni menos que de los supercúmulos y como se mueven.

Figura 1: Grupo Local de galaxias.

Laniakea, el supercúmulo local

El  Grupo Local  está ubicado en las periferias de una estructura mucho mayor llamada Laniakea. Sabemos que Laniakea existe por que vemos que las galaxias tienen un movimiento peculiar hacia una región partícular del cielo. Dicha región muestra además un crecimiento en la densidad de galaxias, que desafortunadamente tiene su centro en dirección a la Zona de Oscurecimiento Galáctico, lo que dificultó descubrirla con facilidad. La Zona de Oscurecimiento Galáctico no es más que la franja del cielo cubierta por el disco de nuestra galaxia. Esta región no solo presenta una densidad mayor de estrellas, además contiene una ingente cantidad de polvo que hace imposible ver objetos extragalácticos en esa parte del cielo. Por lo tanto, resolver Laniakea implica conocer en detalles la distribución de galaxias en todo el cielo, con el fin de predecir la cantidad de galaxias en dirección a Laniakea.

Además, no solo fue necesario un muestreo suficientemente grande de las posiciones de las galaxias, sino que fue imprescindible conocer sus velocidades con suficiente precisión para saber no solo donde están ubicadas, si no también adonde se mueven. Si el movimiento revela que las galaxias convergen hacia alguna posición en especifico, nos daría luz acerca de la existencia de una estructura mayor cuya gravedad domina todas las galaxias. Pero esa meta es harta y difícil, el movimiento de las galaxias es lento y observar diferencias en sus posiciones en los cielos nocturnos llevaría millones de años. Es aquí donde entra el catálogo Cosmicflows-2, cuyo objetivo es crear la más grande base de datos de galaxias con posiciones y velocidades medidas para reconstruir el movimiento de estas bestias cósmicas.

Figura 2: Representación del supercúmulo Laniakea usando los datos de Cosmicflow-2. Figura obtenida de https://www.ipnl.in2p3.fr/projet/cosmicflows/.

Cosmicflows-2

Antes de continuar adelante, repasemos un poco de cosmología elemental; el Universo se expande a una razón dada por la constante de Hubble, lo que implica que la medición de cualquier velocidad estará contaminada por la expansión cósmica. Por otro lado, la ley de Hubble indica que mientras más alejado un objeto, mayor velocidad de expansión (v_e) experimentará. La velocidad con la que una galaxia se aleja o acerca a nosotros, llamada velocidad radial v_r, puede ser calculada con una medición del espectro que emite. Esta técnica ha sido usada durante ya más de un siglo y sirvió para descubrir la mencionada ley de Hubble en un principio. Por otro lado la velocidad peculiar, v_p, es aquella que una galaxia tendría si el Universo no se estuviera expandiendo, y demarca su movimiento con respecto a otras galaxias cercanas (a ella). Desentrañar estas tres velocidades (v_r, v_e y v_p) es el papel que cumple el catálogo Cosmicflows-2. Es fácil deducir que v_r=v_e+v_p, y por lógica, si conocieramos alguna de las dos, v_e o v_p, el problema quedaría zanjado. Desafortunadamente, descubrir el valor de v_e o v_p es una tarea ardúa. En una galaxia muy cercana, podemos asumir que v_e es despreciable, y en una muy lejana, v_p no contribuiría, pero las galaxias en nuestro supercúmulo local deben tener un considerable valor de v_p y se encuentran a una escala donde v_e es apreciable.

De lo anterior se desprende que es necesario conocer v_e o v_p de alguna forma. Sucede que v_e puede ser obtenido de la ley de Hubble, pero es necesario darle la vuelta a la tortilla y en vez de usar la velocidad para conocer las distancias a las galaxias, ahora la distancia nos servirá para calcular el valor de v_e, por lo que debemos obtener las distancias de una manera independiente a la ley de Hubble. Cosmicflows-2 usa varias técnicas para lograr eso, cada una de ellas dependiendo de las propiedades particulares de cada galaxia. Estas técnicas son:

–Relación Tully-Fisher: En las galaxias espirales, la velocidad de rotación está ligada al tamaño de la galaxia, el cual a su vez nos indica su luminosidad, por lo que de ello puede deducirse (comparando con la magnitud aparente) la distancia a la galaxia.

–Relaciones de Plano Fundamental: En galaxias elípticas, la dispersión de velocidades de las estrellas en la galaxia y la luminosidad de la galaxia están relacionadas entre sí (viviendo en plano 3D formado al agregar la masa de las galaxias). Similar a la relación Tully-Fisher, la distancia es obtenida comparando su magnitud aparente con la luminosidad.

–Supernovas Ia: En caso de haberse registrado una supernova en alguna galaxia, la luminosidad de la supernova puede restringirse con modelos estelares para determinar la magnitud absoluta.

–Usando Gigantes Rojas: De poder observarse dentro de la galaxia estrellas en la rama de las gigantes rojas, pueden usarme modelos estelares para restringir la luminosidad de esas estrellas.

–Estrellas Variable (RR Lyrae y Cepheid): En caso de conocerce la existencia de este tipo de estrellas en alguna galaxia, se sabe que las estrellas variables tienen una luminosidad en su máximo que, bien es constante (RR Lyrae) o que depende de su período (relación período-luminosidad de las Cepheids).

–Fluctuaciones en el Brillo Superficial: Si es posible tener una muy buena calidad para tomar datos fotométricos, las fluctuaciones de luz en una imagen de una región de la galaxia a otra cambian (debido al cambio del número de estrellas). De aquí, la luminosidad promedio puede deducirse y compararse con la magnitud aparente para determinar la distancia.

Estas son las principales técnicas del Cosmicflows-2, aunque no son las únicas. En principio, todas ellas nos lleván a determinar el brillo “verdadero” del objeto, que puede comparase con el brillo que observamos desde la Tierra, para determinar la distancia a la que se encuentran. Con estos datos, el grupo de Cosmicflows-2 es capaz de realizar el primer mapa preciso 3D de la estructura a gran escala local (figura 2).

Atractores y Repulsores

Cosmicflows-2 nos ayudó a entender que vivimos dentro de una estructura mayor, llamada supercúmulo Laniakea. Sin embargo, la sorpresa no termina ahí. Sucede que Laniakea (y nosotros con ella) también nos estamos moviendo hacia un atractor mucho mayor, en un supercúmulo incluso más grande que Laniakea. Ni más ni menos el supercúmulo de Shapley, uno de los supercúmulos más viejos que se conocen (si no el más viejo; figura 3). Sin embargo, lo más facinante probablemente no es que Shapley funcione como un “atractor”, si no que existe una región subdensa de galaxias que aparentemente hace de “repulsor”, llamada en el artículo técnico “Dipolo Repulsor”. Esta región parece “alejar” las galaxias, ¡tal cual tuviera una gravedad negativa! Pero que no salten las alarmas, el Dipolo Repulsor esta simplemente denotando un gran vacío cósmico que las galaxias desocupan alentadas por la gravedad de otras regiones de mayor densidad, principlamente el atractor de Shapley. La región de sobredensidad dominante es el supercúmulo de Shapley y además, atractor y repulsor están alineados, lo que da a la estructura completa una apariencia de dipolo, razón por la que fue bautizada con ese nombre.

Figura 3: Representación del Atractor de Shapley, centrado en el Supercúmulo de Shapley y el Dipolo Repulsor. El movimiento 3D del Grupo Local está demarcado mediante flechas, siendo la flecha amarilla el movimiento resultante total . Figura 1 del artículo técnico.

Es difícil predecir que significan estos resultados, o si Shapley se tragara a Laniakea en un futuro. Las escalas a las que se mueven los supercúmulos se miden en edades del Universo (literalmente es lo que tardaría una galaxia para moverse de un lado a otro en un supercúmulo) lo que dificulta interpretar resultados como estos. Por ejemplo ¿qué significa que este atractor y repulsor estén “casí” alineados? ¿Será acaso solo una coincidencia cósmica? Puede ser, mientras el catálogo Cosmicflow-2 crezca más y más, veremos como nuestra imagen de la estructura a gran escala se va clarificando.