La astrofísica Alice Pisani recuerda con fascinación cómo una vez se puso un casco de realidad virtual y miró fijamente a la nada, específicamente a uno de los muchos espacios vacíos gigantes que salpican el cosmos y se llaman vacíos. «Era un espectáculo increíble», recuerda Pisani, que estudia la estructura a gran escala del universo en la Universidad de Princeton. Al principio, un revoltijo de puntos brillantes flotaba ante ella, cada uno de ellos una galaxia. Cuando Pisani prácticamente dio un paso hacia el interior, se encontró en una gran cavidad rodeada por un caparazón de galaxias. La descripción no era una especulación sobre cómo podría verse un vacío cósmico; más bien, los propios datos de Pisani se manifestaron aquí.
La visualización de 2022 fue un proyecto de la estudiante de informática Bonny Yue Wang de Cooper Union para el Avance de la Ciencia y el Arte en Nueva York. Allí Pisani impartió conferencias sobre cosmología. Los vacíos pueden abarcar entre decenas y cientos de millones de años luz. Wang había utilizado los datos de Pisani sobre las burbujas oscuras y había creado una visión de realidad aumentada de ellas.
Un proyecto así habría sido inimaginable diez años antes, cuando Pisani inició su investigación sobre los vacíos. La existencia de zonas tan grandes y extremadamente pobres en materiales se conoce desde los años 1980. Debido a la falta de datos de observación y a la insuficiente potencia informática, los vacíos no fueron el foco de la investigación astronómica durante mucho tiempo. Recientemente, este campo ha atraído una atención cada vez mayor debido a los enormes avances.
Pisani y un número cada vez mayor de expertos están convencidos de que los vacíos podrían proporcionar pistas sobre importantes misterios de la física, como la naturaleza de la materia oscura o la causa de la energía oscura. Con la ayuda de los vacíos ya fue posible confirmar la suposición de que la teoría de la relatividad general de Einstein funciona igualmente en escalas muy grandes y en escalas más pequeñas. «Ahora es el momento adecuado para utilizar los vacíos en cuestiones de cosmología», afirma el astrofísico David Spergel, presidente de la Fundación Simons, que promueve la investigación científica básica. Benjamin Wandelt, del Instituto Lagrange de París, que dirigió la tesis doctoral de Pisani, opina también: «Los vacíos se están convirtiendo en un tema candente».
»Ahora es el momento adecuado para utilizar los vacíos en cuestiones de cosmología«El astrofísico David Spergel, presidente de la Fundación Simons
Los primeros descubrimientos de vacíos cósmicos tomaron por sorpresa a los astrónomos originalmente a finales de los años 1970 y mediados de los 1980. Aparentemente, el universo no se vio como él pensaba durante mucho tiempo. Hasta entonces se sabía que las estrellas se agrupan en galaxias y éstas, a su vez, a menudo se agrupan en decenas o incluso cientos. Pero si te alejas lo suficiente, según la teoría, la agregación local eventualmente se nivelará nuevamente. A escalas mayores, el cosmos debería parecer homogéneo. Se trataba de una hipótesis bien fundada, como sugerían las mediciones de la radiación cósmica de fondo de microondas. Esta luz, emitida unos 380.000 años después del Big Bang, se distribuye de forma muy uniforme por el cielo. Esto refleja la disposición uniforme de la materia inmediatamente después de su creación. Aunque esto ocurrió hace unos 14 mil millones de años, el universo actual debería haber seguido siendo fundamentalmente bastante homogéneo.
De la Tierra a las profundidades del espacio
Simplemente no se puede saber con sólo mirar si ese es realmente el caso. Al fin y al cabo, el cielo nocturno parece inicialmente bidimensional: sólo vemos cómo se distribuyen las galaxias a lo largo del firmamento. Para confirmar la hipótesis de la homogeneidad fue decisivo no sólo este conocimiento, sino también cómo se ve el universo en la tercera dimensión. El objetivo era explorar las profundidades del espacio y medir la distancia a muchas galaxias cercanas y alejadas de la Tierra.
En 1978, Laird Thompson, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y Stephen Gregory, de la Universidad de Nuevo México, emprendieron una campaña de observación de este tipo. Descubrieron la primera evidencia de espacios vacíos gigantes, lo que hizo añicos la hipótesis de una distribución razonablemente uniforme de la materia. En 1981, un equipo dirigido por Robert Kirshner de la Universidad de Harvard encontró un vacío especialmente impresionante, con un diámetro de unos 400 millones de años luz, en dirección a la constelación del Bootes. Gregory Scott Aldering, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, ilustró su increíble extensión con la siguiente comparación: si la Vía Láctea estuviera situada en el centro del vacío del barco, no nos habríamos dado cuenta de la existencia de otras galaxias en el universo hasta los años ’60.
Los primeros vacíos descubiertos no fueron sólo hallazgos raros y afortunados. Margaret Geller, John Huchra y Valérie de Lapparent, que entonces trabajaban en Harvard, lo demostraron en 1986. El equipo de investigación examinó meticulosamente las distancias a cientos de galaxias que abarcaban una gran parte del cielo y descubrió que parecía haber espacios vacíos en todas partes. . «Fue muy emocionante», recuerda de Lapparent, ahora director de investigación del Instituto de Astrofísica de París (IAP). Luego, como estudiantes, ella y Geller buscaron comprender la estructura a gran escala del universo. Una sección transversal del universo cercano creada previamente había mostrado evidencia de una estructura en forma de hilo con regiones más concentradas de galaxias. «Margaret pensó que se trataba simplemente de un error de observación», resume de Lapparent, «pero teníamos que comprobarlo». “Después de una noche de entrenamiento con este telescopio, me quedé solo”, dice de Lapparent. Cuando terminó, ubicó las galaxias registradas en un mapa junto con Geller y Huchra. «Había estas enormes cavidades circulares, y alrededor de ellas había muchas galaxias extendidas a lo largo de paredes afiladas».
Como escribieron los tres en su publicación, esto «planteó enormes desafíos a los modelos para la formación de estructuras a gran escala». Posteriormente, estudios más detallados revelaron una gigantesca red de galaxias y cúmulos de galaxias, en las que regiones ricas en materia están conectadas entre sí mediante filamentos más delgados. Hay un vacío en el medio. Mientras que Cosmos todavía era suave como el queso crema cuando emitía radiación de fondo de microondas, hoy se parece más al queso Emmental.
Empuje oscuro de formación de estructuras.
¿Qué fuerzas llevaron al universo a madurar de esta manera? Es casi seguro que un factor fue la materia oscura. La existencia de esta sustancia invisible fue aceptada gradualmente en la astrofísica en los años 80 basándose en pruebas indirectas. En general, la materia oscura constituye aproximadamente seis veces la masa de la materia visible ordinaria. Esto significa que la atracción en las regiones algo más densas del universo primitivo habría sido más fuerte de lo que se pensaba anteriormente. Las estrellas y galaxias se habrían formado preferentemente en esas zonas, mientras que las regiones de baja densidad habrían permanecido prácticamente vacías.
Por lo tanto, la mayoría de las observaciones y teorías se centraron en los filamentos ricos en materia de la red cósmica y no en los vacíos. Esto no fue por falta de interés; simplemente no había mucho que ver allí. Sin embargo, los huecos no son menos importantes precisamente porque no contienen casi nada. Su propia existencia, su forma y tamaño, y sus distancias entre sí deben ser el resultado de las mismas interacciones que dan estructura al universo en su conjunto.
Para utilizar los vacíos para comprender cómo funcionan estas fuerzas, se necesitaban análisis estadísticos. Al principio simplemente había muy pocos ejemplos para sacar conclusiones útiles. La situación fue similar al principio con la investigación de exoplanetas: los primeros especímenes identificados en la década de 1990 fueron evidencia de que realmente hay planetas más allá del sistema solar que orbitan alrededor de otras estrellas. Pero fue el telescopio espacial especializado Kepler, lanzado en 2009, con sus miles de descubrimientos, el que permitió hacer afirmaciones fiables sobre cuántos y qué tipos de planetas pueblan la Vía Láctea.
Otro problema en el estudio de los vacíos fue destacado en 1995 por Barbara Ryden de la Universidad Estatal de Ohio y Adrian Melott de la Universidad de Kansas. Las observaciones del cielo de las galaxias se realizan en el “espacio de corrimiento al rojo” en lugar del sistema de coordenadas al que estamos acostumbrados en nuestra vida diaria. ¿Qué quiere decir con esto? A medida que el universo continúa expandiéndose, las ondas de luz se estiran desde sus colores originales hasta longitudes de onda más largas y rojas. Cuanto más lejos está un objeto de nosotros, más se distorsiona su luz. Por ejemplo, el telescopio espacial James Webb fue diseñado para registrar el brillo de las primeras galaxias del universo, desplazado del espectro visible al infrarrojo. La radiación del fondo cósmico de microondas (la luz más antigua que aún se puede registrar) tiene una longitud de onda aún más larga.
Como escribieron Ryden y Melott: «Es mucho más fácil medir el corrimiento al rojo que la distancia física de las galaxias». Pero el fenómeno puede causar distorsiones en las galaxias alrededor de un vacío, dando una idea engañosa del tamaño y la forma de los vacíos. Nico Hamaus, de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich, explica la causa: A medida que el vacío se expande, la mitad más cercana se acerca a nosotros y la otra mitad se aleja de nosotros. La diferencia reduce el corrimiento al rojo en el lado cercano y lo aumenta en el lado lejano. Esto hace que el vacío parezca demasiado alargado.
vacío omnipresente
A pesar de estas dificultades, a finales de la década de 2000, estuvieron disponibles mejores herramientas para estudiar los vacíos. Estudios del cielo como el Sloan Digital Sky Survey habían cartografiado el cosmos con mucho más detalle y confirmado la ubicuidad de los vacíos. Mientras tanto, observaciones independientes realizadas por dos grupos han revelado la existencia de energía oscura. Actúa como una especie de gravedad negativa sobre el universo en su conjunto, haciendo que se expanda cada vez más rápido, en lugar de desacelerar gradualmente su expansión, como se esperaría de la atracción gravitacional mutua de innumerables galaxias. Los vacíos parecían ofrecer un enfoque prometedor para investigar qué podría haber detrás de esta energía del espacio vacío.
