Filamentos galácticos

“Man - life in general - seems irrelevant to the workings of the universe: a mere smudge of water, grease, and carbon on a pinpoint planet circling a star of no special consequence.”

“Space can vibrate, space can fluctuate, space can be quantum mechanical, but what the devil is it? And, you know, everybody has their own idea about what it is, but there's no coherent final consensus on why there is space.”

“The frightening thing—frightening, I don’t know if it’s frightening—frustrating, frightening, fascinating thing is we know with virtual certainty that the universe is at least a thousand times bigger in volume than the horizon, than we can ever, ever, ever in principal ever see. So we know there’s stuff out there that we will never be able to detect. And we can’t tell what it is. We can’t tell if it’s similar to us.” 

(Leonard Susskind)

La imagen de arriba supone un descubrimiento bastante reciente para la moderna astrofísica y la cosmología. A partir de la década de los 90 se comenzó a constatar experimentalmente que la distribución de materia en el Universo no seguía una distribución homogénea y aleatoria, sino que las galaxias se distribuían en "nodos" de cúmulos que agrupaban luego las galaxias dando al conjunto del cosmos la apariencia de una especie de gran red cósmica de filamentos.

Desde aquellos primeros descubrimientos se ha avanzado mucho y hoy día tenemos pruebas muy claras y firmes que confirman este extraño comportamiento astronómico. Unos de los estudios que más y mejor han retratado este hecho fue realizado en el año 2014, ofreciendo con una maravillosa precisión la imagen de una de tales estructuras filamentosas de materia y radiación:

Comprendiendo lo que estos filamentos representan.

Como hemos dicho, desde hace bien poco sabemos que las galaxias no se distribuyen de manera uniforme por el Universo, y que por el contrario aparecen repartidas sobre una colección de filamentos o nodos interconectados que conforman una especie de red de araña. Unos filamentos que se encuentran separados por enormes burbujas de (casi) absoluto vació.

Es decir; que los filamentos que vemos en las ilustraciones de arriba son aglomeraciones ocupadas por una gran cantidad de estrellas y galaxias, siendo todo lo que queda fuera de la red filamentosa un espantoso vacío. Vastos páramos que a menudo se extienden por un espacio de más de 100 millones de años luz en donde no hay más (con suerte) que algún un ocasional átomo de hidrógeno.

La densidad de materia en estas regiones vacías del espacio (las que se encuentran entre los filamentos de los cúmulos galácticos) alcanza la desoladora cifra de 0.00000002 átomos por centímetro cúbico. Y lo que es más, varios rastreos masivos del cosmos realizados por astrónomos en los últimos 20 años han revelado que estos vacíos ocupan alrededor del 90% del volumen total del universo, constituyendo el resto esos filamentos que aglutinan toda la materia.

El origen de esta compleja distribución material en forma de red. 

El hecho de que las galaxias y las estrellas no ocupen de manera homogénea el Universo constituye un hecho asombroso. ¿Cómo es posible que a partir de un supuesto origen material caótico y "explosivo" como se supone que fue el Big Bang todo se distribuya en estas redes interconectadas en lugar de observarse una distribución uniforme y desordenada? La fuerza de la gravedad por sí sola no es capaz de explicar este comportamiento, puesto que una fuerza central de atracción no puede dar cuenta de esas extrañas configuraciones filamentosas. Si por la gravedad fuese, todo serían galaxias y cúmulos distribuidos sin ton ni son por todo el cosmos, pero en absoluto puede explicar la compleja formación de estas fibras, "caminos" o "cuerdas" de galaxias "conectadas".

La explicación más ortodoxa de hoy día. 

Desde el campo de la cosmología tienen una teoría que pretende explicar este hecho. Se basan para ello en la idea del proceso inflacionario. Una idea que fue inicialmente propuesta para explicar otros hechos diferentes, pero que rápidamente se descubrió que también cuadraba con estos estudios sobre la extraña distribución de la materia por el cosmos (en este otro artículo ya hablamos con más detalle sobre lo que supone la hipótesis del proceso inflacionario).

Lo que voy a explicar a continuación es un breve esquema de lo que el profesor Leonard Susskind enseñó al respecto en una de las 10 clases sobre cosmología que impartió hace pocos años para la Universidad de Stanford. Puedes encontrar estas clases en Youtube.

Pues bien, lo primero a lo que nos invita el profesor es a comparar estas dos imágenes. Una de ellas se corresponde a la distribución filamentosa de la materia en el Universo, y la otra...es la imagen del fondo de una piscina cualquiera. Según el profesor la similitud visual no es casual y guarda en realidad una estrecha relación fenoménica:

Comencemos primero por el fondo de la piscina: ¿por qué presenta esa clara distribución luminosa en forma de red de filamentos? Pues simple y llanamente debido a los procesos de interferencia de la luz. Conforme la luz penetra desde arriba sobre el agua de la piscina lo hace según ángulos (y momentos) muy diversos y aleatorios, siendo la naturaleza ondulatoria de la misma luego responsable de que existan picos y valles que se amplifican o destruyen según sean las circunstancias.

Finalmente, después del proceso mecánico ondulatorio ocurrido desde que la luz entra por la superficie y va luego bajando; al fondo de la piscina llegará más luz donde previamente se han producido más interferencias constructivas, y llegará menos luz donde ocurrieron más procesos destructivos.

Es decir, que los lugares "vacíos" del fondo de la piscina son aquellos que muestran el resultado de un mayor patrón destructivo previo, mientras que las zonas más luminosas son resultado de procesos ondulatorios constructivos.

Pero claro, ¿qué pueden tener que ver estos procesos ondulatorios particulares con la distribución espacial de galaxias en el cosmos? La respuesta es como poco asombrosa, y responde al hecho de que el propio origen del Universo tiene (muy probablemente) un crucial fundamento ondulatorio...¡de ondas de probabilidad!

¿Ondas de probabilidad?

La naturaleza ondulatoria y probabilista de la materia a niveles microscópicos es un conocimiento que viene ya de lejos, en concreto de los primeros pasos científicos que se dieron en lo que se llamaría luego la mecánica cuántica. En concreto se dice que la materia es y se desplaza como una onda (de probabilidad) y nunca como el sentido común nos indica: como una partícula siguiendo trayectorias exactas y predecibles. 

Pero claro, una cosa es que las partículas microscópicas se muevan e interfieran como ondas (de probabilidad) y otra cosa son las estructuras macroscópicas que forman esos filamentos de galaxias. ¿Donde se encuentra la conexión? Y de nuevo la respuesta es en realidad sencilla: si damos marcha atrás en el tiempo, el Universo comienza a "enconger" y a "encoger" hasta alcanzar por completo (justo en su origen) un rango de tamaño microscópico (y una densidad gigantesca).

Especificando un poco más.

Se dice que en el momento previo al proceso inflacionario TODO lo que había era un campo cuántico denominado inflatón. Ese campo cuántico grosso modo no era más que una distribución matemática de probabilidades con pocas referencias físicas imaginables. No había radiación ni materia, ni fuerzas ni interacciones, ni nada en general que podamos entender o relacionar con fenómenos contemporaneos.

El inflatón no era realmente mucho más a parte de una función de distribución. Una distribución que, como campo cuántico escalar que era, suponía para cada punto infinitesimal x una función (matemática) representada por el equivalente de un movimiento ondulatorio armónico simple.

Es decir; que previamente a que el Universo fuese macroscópico (antes de que la inflación actuase), todo lo que había era una distribución cuántica de ondas. Y esa distribución simplemente indicaba (o devolvía) un valor numérico (escalar) para cada punto infinitesimal de dicho campo Φ(x). Un valor para cada punto x del campo que variaba, o mejor dicho fluctuaba, de manera probabilista siguiendo procesos mecánico cuánticos similares a los descritos por la física moderna para el fenómeno que observamos hoy día.

Pues bien. En cierto momento (antes de lo que conocemos como Big Bang), y por motivos que se desconocen en la actualidad, el campo escalar Φ sufrió un proceso de rápida (exponencial) expansión espacial. Lo que inicialmente no era nada (al menos nada macroscópico), en apenas un instante (0.00000....0001 segundos) creció más de 90 órdenes de magnitud hasta alcanzar un tamaño astronómico...¡finalmente este crecimiento exponencial paró brúscamente, y como resultado el Big Bang aconteció!

Durante los 0.00000....0001 segundos que duró el crecimiento del espacio el campo escalar cuántico Φ (el inflatón) quedó "congelado" con el preciso valor que tuviese en el momento en que este exponencial "genesis" aconteció. Y cuando el proceso de inflación abruptamente finalizó (momento arriba ilustrado con el pozo de la función), todo el potencial almacenado se transformó en la materia y la radiación que conocemos...¡pero lo hizo a un ritmo variable! Porque sabemos que según fuese el valor para Φ(x) antes de que la inflación comenzara, antes o después acabaría transformándose ese potencial concreto almacenado en x en la materia y radiación "común" que conocemos. 

Una forma de visualizarlo es suponiendo que, según fuese el valor escalar inicial en Φ(x), antes o después decaerá ese potencial dentro del pozo de la ilustración anterior. Caer al pozo supone transformar el inflatón en partículas "ordinarias", y por tanto las fluctuaciones cuánticas previas a la inflación suponen una clara diferencia temporal en el momento en que cada lugar x del ya astronómico espacio macroscópico (tras la inflación) se llenaría de partículas.

Por lo tanto, lo que se conoce como Big Bang no fue en realidad un proceso explosivo de homogénea creación instantánea y simultánea, sino que en realidad supuso que, tras el crecimiento exponencial de ese campo escalar "fantasma" denominado inflatón, todo se fue "llenando" de partículas a diferente cadencia y ritmo en cada posición del espacio.  Finalmente la clave para entender todo lo tratado hasta ahora es entender que este proceso de "llenado" ocurrió siguiendo la primigenia función de distribución cuántica del inflatón Φ ¡lo cual supuso un proceso de interferencia ondulatoria muy similar al del caso de la piscina!

La manera en que el comentado potencial ("congelado") del campo escalar Φ fue decayendo en materia y radiación "ordinaria" dio lugar a un proceso de interferencia ondulatoria en donde ciertos lugares sufrieron procesos de destrucción mientras que otros sufrieron un proceso constructivo. De esa manera, y de modo similar a cómo se forman los patrones luminosos en el fondo dela piscina, fue la función concreta en la distribución matemática cuántica previa a la inflación lo que determinó toda esta dinámica posterior (la forma estructural concreta de la red filamentosa que hoy vemos).

El inflatón decayó por lo tanto en diversos modos y momentos, y eso supuso un proceso de interferencia que todavía hoy podemos observar. ¡Y eso es algo asombroso! Cuando los astrónomos miran al cielo y observan esos brillantes filamentos de galaxias rodeados de enormes espacios vacíos, lo que están viendo no es ni más ni menos que el eco de lo que un día no fue NADA (al menos nada identificable hoy día como fenómeno físico) a parte de una función matemática.¡Contemplamos un fenómeno cuya causa va más allá del mismísimo Big Bang!