Es como si estuviéramos en el centro de una enorme explosión a cámara lenta. A nuestro alrededor, los fragmentos se dispersan en todas direcciones, acelerando cuanto más lejos se encuentran. De forma análoga, es como se expande el Universo, un fenómeno que conocemos desde hace un siglo gracias a la ley de Edwin Hubble, la cual establece que todas las galaxias que podemos observar se alejan de nosotros a una velocidad cada vez mayor. Todas, con una excepción.
Nuestra vecina, la gigantesca galaxia de Andrómeda, ha desafiado esta norma. En lugar de alejarse, se precipita hacia nosotros a una velocidad considerable de 110 kilómetros por segundo. Esta ‘excepción cósmica’ se explicaba inicialmente por la fuerte atracción mutua entre la Vía Láctea y Andrómeda, separadas por ‘solo’ 2,5 millones de años luz, que superaría el impulso inicial del Big Bang. Ambas galaxias forman el núcleo de lo que conocemos como el Grupo Local, un cúmulo de galaxias unidas por la gravedad que viajan juntas a través del espacio.
Sin embargo, hace unos 50 años, los cosmólogos comenzaron a estudiar este fenómeno con mayor detalle y surgieron problemas. Si la Vía Láctea y Andrómeda son lo suficientemente masivas como para vencer la expansión y atraerse mutuamente, ¿por qué no frenan a las demás galaxias cercanas que intentan escapar?
Andrómeda es la gran excepción cósmica: en lugar de huir con la expansión, se precipita contra nosotros a 110 kilómetros por segundo
Las observaciones resultan desconcertantes. Las galaxias fuera de nuestro Grupo Local se alejan a un ritmo constante, siguiendo la expansión universal (el llamado Flujo de Hubble), como si la inmensa gravedad de Andrómeda no existiera. Deberían moverse más lentamente, frenadas por nuestra atracción gravitatoria, pero no lo hacen. ¿Estamos ante un fallo en nuestras leyes de la física?
Un difícil rompecabezas
La respuesta ha llegado recientemente en un artículo publicado en ‘Nature Astronomy‘. El problema no es la gravedad en sí, sino que nuestro mapa del vecindario cósmico era incorrecto. En realidad, estamos rodeados por una inmensa ‘sábana’ de materia oscura, una estructura plana que se extiende por decenas de millones de años luz y que interactúa gravitacionalmente con nuestra galaxia.
En 1959, los astrónomos Franz Kahn y Lodewijk Woltjer se dieron cuenta de que, para que Andrómeda y la Vía Láctea frenaran su expansión y comenzaran a acercarse, la gravedad ejercida por la masa visible (estrellas y gas) sería insuficiente. Se necesitaba mucha más masa.
Los cálculos indicaban que la masa conjunta necesaria superaría un billón de veces la masa del Sol, una cifra enormemente superior a la suma de todas las estrellas de ambas galaxias. Esta fue la primera evidencia indirecta de la presencia de materia oscura en nuestro entorno, una ‘masa fantasma’ invisible que envuelve a nuestras galaxias y dicta sus movimientos.
No vivimos en una esfera difusa, sino atrapados en un inmenso ‘disco’ plano de materia oscura rodeado de vacíos gigantescos
En las décadas de 1970 y 1980, con instrumentos más precisos, se midió la velocidad de galaxias más lejanas (entre 1,5 y 4 veces la distancia a Andrómeda). El misterio se profundizó: estas galaxias se alejaban siguiendo la Ley de Hubble casi a la perfección. La expansión parecía ‘demasiado tranquila’. «Las galaxias cercanas -explica el astrofísico Simon White, director emérito del Instituto Max Planck de Astrofísica en Alemania y coautor del nuevo estudio- parecen resistir la inmensa atracción gravitatoria de nuestro Grupo Local». Era un enigma que desafiaba el modelo cosmológico estándar. Hasta ahora.
Un ‘gemelo virtual’ del Universo
Para resolver este problema, el equipo de White, liderado por Ewoud Wempe, investigador del Instituto Kapteyn de la Universidad de Groningen (Países Bajos), decidió abandonar las observaciones directas y ‘construir’ su propio Universo. Crearon una simulación informática de alta precisión del Universo.
Utilizando superordenadores y algoritmos avanzados, los investigadores crearon un ‘gemelo virtual’ de nuestro entorno cósmico. No solo ubicaron las galaxias en su posición actual, sino que ‘rebobinaron’ la simulación hasta el origen del tiempo. Alimentaron el ordenador con datos del Fondo Cósmico de Microondas (la luz más antigua del cosmos, emitida 380.000 años después del Big Bang) y dejaron que la física actuara durante casi 14.000 millones de años.
Durante 50 años, los números no cuadraban: la gravedad de nuestra galaxia y de Andrómeda debería estar frenando a las vecinas, pero estas se alejan como si nada las perturbara
El objetivo era reproducir nuestra realidad actual: una Vía Láctea y una Andrómeda masivas acercándose, rodeadas de 31 galaxias menores que se alejan sin ser perturbadas. La simulación encontró la solución, de hecho, cientos de soluciones, todas con un elemento en común: la geometría.
El Universo plano
El resultado de las simulaciones es sorprendente: la materia en nuestro rincón del Universo no está distribuida de forma esférica, sino en una hoja plana. «Las simulaciones -explican los investigadores en la nota emitida por la Universidad de Groningen– muestran que la mayor parte de la materia (oscura) más allá del Grupo Local debe estar organizada en un plano extendido».
Podemos visualizarlo así: la Vía Láctea y Andrómeda están en el centro de un inmenso disco invisible de materia oscura. Las galaxias cercanas que vemos alejarse están ‘incrustadas’ en este disco. Aquí entra en juego la física de fuerzas opuestas. El Grupo Local tiene mucha gravedad e intenta atraer esas galaxias, pero la inmensa cantidad de materia oscura en la ‘sábana’ las empuja hacia afuera.
Simulación del movimiento y velocidad acumulados (indicados por la longitud de las flechas) de objetos que rodean el Grupo Local (en el centro de la imagen)
«Si la masa estuviera distribuida esféricamente -explica White-, las galaxias externas se moverían más despacio de lo predicho por la Ley de Hubble. En cambio, la distribución aplanada de la materia circundante las empuja hacia afuera, compensando el tirón de la Vía Láctea y Andrómeda».
En otras palabras, se trata de un equilibrio de fuerzas casi perfecto. La estructura plana anula el efecto de frenado de nuestra galaxia. Por eso, la expansión parece tan tranquila: es como si una ‘mano invisible’ tirara desde los bordes de la sábana.
Vacíos cósmicos
Si toda la materia se concentra en una hoja, ¿qué hay arriba y abajo? La respuesta es: nada, o casi nada. El estudio revela la existencia de grandes ‘vacíos locales’ por encima y por debajo de este plano galáctico. Son regiones inmensas, desiertos cósmicos con muy baja densidad de materia. «Como resultado -apunta White-, estas regiones se expandieron más rápido que el promedio, y su materia fue ’empujada’ hacia afuera».
Esto resuelve la segunda parte del misterio. Si hubiera galaxias en esas regiones vacías, la gravedad del Grupo Local las atraería y caerían hacia nosotros (como Andrómeda). Pero no vemos nada cayendo desde ‘arriba’ o ‘abajo’ porque no hay nada allí.
La importancia de este trabajo radica en que reconcilia las observaciones con nuestras teorías (el modelo cosmológico estándar de materia oscura fría, o Lambda-CDM). Durante mucho tiempo, nuestro vecindario local pareció una anomalía que no encajaba en las ecuaciones. Ahora sabemos que encaja perfectamente, siempre y cuando aceptemos que vivimos en un vecindario ‘plano’.
Arriba y abajo de nuestro plano galáctico existen inmensos desiertos: los ‘Grandes Vacíos’ donde no hay materia que pueda caer hacia nosotros
Amina Helmi, coautora del estudio, se muestra entusiasmada con la solución a un problema de décadas: «Estoy emocionada -dice- de ver que, basándonos puramente en los movimientos de las galaxias, podemos determinar una distribución de masa que corresponde a las posiciones de las galaxias dentro y justo fuera del Grupo Local».
Por su parte, el autor principal, Ewoud Wempe, destaca que esta es «la primera evaluación de la distribución y velocidad de la materia oscura en la región que rodea a la Vía Láctea y Andrómeda». Con este trabajo, los investigadores han creado un modelo consistente con la cosmología a gran escala y la dinámica de nuestro entorno.
El estudio también ofrece una predicción comprobable: si miramos lo suficientemente lejos, a galaxias más distantes en latitudes altas, deberíamos verlas ‘cayendo’ lentamente hacia este plano de materia, atraídas por su inmensa masa.
La Vía Láctea, junto a Andrómeda y sus vecinas, navegan sobre una inmensa y delgada hoja invisible, rodeadas por vacíos insondables, en una región del Universo, la nuestra, que gracias a la gravedad y a la materia oscura, ha encontrado la manera de mantener un extraño y delicado equilibrio.
