capitulo3 - Departamento de Matemática Aplicada y Estadística

3.1.- EN EL FONDO
Como hemos visto, el fondo cósmico de microondas es una de las tres pruebas fundamentales de la teoría
del Big Bang. Su existencia, predicha por la teoría, y su perfecta forma de espectro de cuerpo negro, indican
que, cuando la radiación se desacopló de la materia, el Universo estaba en equilibrio térmico. Del fondo
cósmico podemos obtener mucha información. La radiación es extremadamente homogénea e isótropa. Su
medida es idéntica, independientemente de dónde miremos. Extremos opuestos del Universo nos ofrecen el
mismo panorama. De aquí se deduce que el Universo, en su conjunto, no gira, carece de rotación. Por lo
que sabemos, todos los cuerpos astronómicos (galaxias, planetas, estrellas, sistemas solares...) que existen
en el Universo están girando. Si el Universo girara como un todo, esto se apreciaría en la radiación de fondo
como un corrimiento Doppler (véase capítulo 1). Por el mismo motivo, podemos también deducir que la
expansión del Universo es homogénea. No hay zonas del Universo que se expandan más deprisa que otras.
Si así fuera, la radiación nos lo contaría.
El fondo de microondas nos dice que el Universo no gira y que se expande homogéneamente. Pero si
afinamos el oído, escucharemos más cosas. Para ello es necesario que avancemos un poco en la siguiente
etapa de la formación del Universo. Antes, durante y tras el desacoplo, la materia llenaba todo el Universo,
de una forma sorprendentemente uniforme. No obstante, esta uniformidad no era absoluta. Las
fluctuaciones estadísticas, propias de un gas en equilibrio térmico, hacían que en algunas regiones hubiera
una densidad de materia ligeramente superior a la densidad media, de tan sólo unas partes entre un millón
como mucho. Mientras que en otras partes era ligeramente inferior a la media. Las regiones ligeramente
más densas fueron las simientes para la posterior formación de las galaxias. Al expandirse el Universo, esas
zonas ejercieron una atracción gravitatoria ligeramente superior, de tal forma que poco a poco fueron
atrayendo materia a sus cercanías. Conforme estas zonas atraían más materia, adquirían más y más masa y
por tanto aumentaba su fuerza de atracción gravitatoria atrayendo más y más materia. De no ser porque el
Universo se estaba expandiendo al mismo tiempo, el efecto multiplicador hubiera acabado en una gran bola
de materia. La expansión se oponía a este proceso, de forma que estos núcleos de atracción gravitatoria
sólo atrajeron la materia de las zonas más cercanas. De resultas de ello se formaron las galaxias,
concentraciones de materia, a pesar de la expansión, nada despreciables.
Aquellas minúsculas perturbaciones en la densidad de materia, que actuaron como semillas galácticas,
deberían haber dejado sus huellas fósiles en la radiación de fondo. Tras el Desacoplo, la radiación
electromagnética que escapaba de las zonas con una densidad de materia mayor, perdió, a resultas de una
mayor atracción gravitatoria, más energía que la que abandonaba otras zonas. Si lo expuesto ocurrió
realmente, deberían observarse hoy día "manchas" en el fondo cósmico de microondas.
El COBE
¿Hemos podido detectar los vestigios de las semillas galácticas, manchas en el fondo de microondas? Para
intentarlo se lanzó el satélite COBE, acrónimo de su nombre en inglés COsmic Background Explorer
(explorador del fondo cósmico), proyecto dirigido por el astrofísico estadounidense George Smoot. El
detector principal del COBE no medía la radiación directamente. Se trataba de un radiómetro diferencial, es
decir, medía diferencias de radiación. Comparaba la radiación que provenía desde dos direcciones del
firmamento distintas y medía la diferencia de temperatura entre ellas.
Representación artística del satélite COBE
El COBE fue puesto en órbita el 18 de noviembre de 1989. Inicialmente no cumplió sus expectativas. El
fondo de microondas es sorprendentemente uniforme en todas las direcciones, y las manchas, de existir,
deberían ser muy tenues. Era necesario acumular gran cantidad de datos del fondo durante mucho tiempo
para mejorar la sensibilidad de detección y determinar un resultado definitivo. Conforme las señales se iba
acumulando, la sensibilidad aumentaba y lentamente comenzó a discernirse un patrón. Finalmente, en 23 de
abril de 1992, dos años y medio después de su lanzamiento, el patrón detectado por el COBE se mostró
claro más allá de toda duda y el equipo de George Smoot hizo públicos sus resultados: el COBE había
encontrado las manchas esperadas en el fondo cósmico, las señales de las fluctuaciones de densidad
primigenias que serían las semillas primordiales para la formación de las galaxias. Habían detectado esto:
Las diferencias de temperatura entre las zonas más calientes y las zonas más frías resultaron ser
increíblemente bajas: tan sólo de una parte entre cien mil. Estas variaciones se corresponden con unas
fluctuaciones en la densidad de materia de tan sólo un 0.01% por encima de la media. El Universo primitivo
era realmente muy homogéneo.
3.2.- UN UNIVERSO SONORO
En el mapa obtenido por el COBE, observamos que las manchas dejadas en el fondo cósmico por las
variaciones de densidad originarias se distribuyen en todas las escalas. Hay manchas grandes, manchas
pequeñas, manchas minúsculas, etc... Para comprender la naturaleza de esta distribución, los teóricos
emplean una herramienta matemática denominada contribuciones multipolares. Veamos en síntesis su
significado.
Vamos a definir una variable llamada momento multipolar y representada por la letra L que enumera las
diferentes contribuciones a las manchas. Si en el fondo cósmico existe una contribución con un cierto valor
L, eso significará que existe una clara variación entre los valores del fondo de regiones que se hallan
separadas por un ángulo de 180º/L. Un ejemplo: cuando en el fondo cósmico exista una contribución para L
= 1, encontraremos que hay una clara variación entre los valores de regiones que están separadas por un
ángulo de 180º, es decir, que se hallan en direcciones opuestas. Para este ángulo particular sólo pueden
existir dos regiones opuestas, las correspondientes a los dos polos, así que una será fría y la otra caliente.
En este caso decimos que tenemos un dipolo. Imagine una naranja partida por la mitad con una mitad rojiza
y la otra azulada y tendrá una imagen clara de un dipolo perfecto.
Cuando exista una contribución para L = 2, tendremos un cuadrupolo. Imagine ahora la naranja cortada en
cuatro trozos idénticos: rojo-azul-rojo-azul: un cuadrupolo perfecto si los rojos y los azules son de la misma
intensidad. Si el promedio de rojo-azul de dos de los trozos es más azulado que el promedio rojo-azul de los
otros dos trozos, tendremos una contribución dipolar añadida a la cuadrupolar. Las sucesivas contribuciones
se asocian siempre a 2L trozos. El caso L = 0 puro, la contribución monopolar, tiene también un sencillo
sentido: una única intensidad. Como hemos visto, esta es de hecho la contribución que predomina en el
ruido de fondo debido a su gran homogeneidad e isotropía.
En resumen, podemos considerar al momento multipolar L como una forma de medir el tamaño angular de
las anisotropías. En el fondo cósmico real se dan todas estas contribuciones al mismo tiempo, sumadas y
superpuestas y esto es lo que se muestra en el mapa del COBE. No obstante, COBE no podía detectar
diferencias de temperatura si las regiones celestes estaban separadas por una distancia menor de 7º. En
argot físico, esto quiere decir que la resolución angular del COBE era de 7º, pudiendo discernir manchas de
tamaños mayores, pero no menores. Por tanto, las contribuciones para valores de L mayores que 25 (que
corresponde a una escala angular de 180º/25 = 7.2º) no aparecen en el mapa del COBE, no porque no
estén ahí, sino porque el instrumento no era capaz de detectarlas.
A pesar de que en el fondo cósmico vemos que existen contribuciones a todas las escalas angulares, no
todas deberían contribuir de la misma manera. Justo antes del Desacoplo, antes de que la radiación
electromagnética se desacoplara del denso plasma de materia que llenaba todo el Universo, la luz no podía
moverse con libertad. Estaba interaccionando continuamente con la materia eléctricamente cargada, de tal
forma que su movimiento, en el mejor de los casos, era un continuo zigzag. La radiación electromagnética
no servía, por tanto, para transmitir eficazmente información de una parte del Universo a otra, como sí
ocurre hoy en día. Sorprendentemente este papel de transmisión de información lo detentaba el sonido. En
un medio tan denso como aquel de 10 millones de átomos por litro, las ondas de sonido jugaban un
importante papel y su velocidad era mayor cuanto más denso era el medio. No se trata de una mera
especulación, por extraordinario que parezca, el sonido tiene una actuación substancial en el interior de las
estrellas. Actualmente se estudia con medidas precisas en el plasma solar.
Recordemos que tras el Desacoplo, los núcleos atómicos absorbieron los electrones del entorno y la materia
del Universo se volvió eléctricamente neutra. A medida que el Universo, debido a su expansión, se hacía
cada vez menos denso, las ondas de sonido perdían su papel preponderante. Las tinieblas cedían el paso a
la luz, que por fin, independizada de la materia, podía viajar con libertad en “línea recta” por el espacio.
¿Quedan huellas fósiles también de este fenómeno de tintes mitológicos? Como nos muestra COBE, en el
Universo había fluctuaciones en la densidad de materia en una amplia gama de tamaños. Esas fluctuaciones
estaban siendo continuamente atravesadas por ondas sonoras de diferentes longitudes de onda que las
alteraban y cambiaban. A su paso dejaban nuevas fluctuaciones, cuyos tamaños estaban relacionados con
sus longitudes de onda. La teoría nos dice que en ese momento del Universo existía un modo de vibración,
una longitud de onda, predominante. Este armónico principal destacaba sobre las demás notas de la música
de la Creación. Dominaba porque los modos de vibración no podían coordinarse entre sí más allá de la
distancia que había recorrido el sonido desde el origen del Universo. La mayor longitud de onda con la que
podía vibrar el sonido en el Universo estaba limitada por el horizonte acústico, que directamente depende de
la velocidad del sonido. Y a su vez, la velocidad del sonido depende de la densidad del material por el que
viaja. Como dicha longitud de onda era predominante y como tales ondas sonoras afectaban al tamaño de
las fluctuaciones de densidad, las fluctuaciones en la densidad causadas por ese modo de vibración principal
debían ser más frecuentes. Por tanto, si fuera posible detectar en las manchas del fondo de microondas ese
pico cuyo responsable fue el sonido predominante, podríamos hacer estimaciones sobre la densidad de
materia del Universo.
Un Universo plano
La relación matemática entre el momento multipolar Lpico de esas fluctuaciones de densidad más probables,
causadas por la longitud de onda predominante, y el parámetro de densidad del Universo  (ver capítulo 1)
que determina entre otras cosas la velocidad del sonido, viene dada por la sencilla ecuación:
Para valores típicos de la densidad  entre 0.25 y 4 (recordemos que la Inflación predecía que este valor
debería ser igual a 1), obtenemos valores de Lpico entre 400 y 100 respectivamente, que corresponden a
distancias angulares entre 0.45º y 1.8º. Es decir, a mayor densidad del Universo, la velocidad del sonido
será mayor, con lo que el horizonte acústico será más grande (el sonido podía viajar más lejos) y la longitud
de onda del armónico principal también será más grande. También por tanto las fluctuaciones de densidad,
y con ello su tamaño angular actual. Desgraciadamente estas anisotropías están totalmente fuera del
alcance de la resolución angular del satélite COBE de sólo 7º. Para poder encontrar el pico de sonido
necesitamos resoluciones angulares más bajas.
Para estudiar el fondo de microondas con el detalle exigido por las predicciones anterirores, se construyó el
detector Boomerang (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geomagnetics), un
detector de mayor sensibilidad que COBE y con mejor resolución angular (0.16º). El Boomerang se lanzó en
diciembre de 1998 a bordo de un globo sonda desde la Antártida y estuvo estudiando el fondo cósmico
durante 11 días. Su estudio cubrió un 1% del cielo, lo que fue mucho dada su fina resolución angular y el
tiempo que estuvo trabajando. Posteriormente, una vez recuperado el detector, se analizaron las
anisotropías del fondo cósmico correspondientes a la región de estudio. En abril del 2000 se publicaron en
Nature los resultados que a continuación mostramos:
Resultados de la misión Boomerang. Puntos rojos: datos experimentales. Línea: ajuste de los mismos al modelo teórico.
Claramente se aprecia un pico para el valor Lpico = 200. Es decir, las anisotropías con un momento multipolar
de 200 son más probables que las otras. Si volvemos a la ecuación:
despejamos
y sustituimos por el valor experimental 200 de L pico, obtenemos:
Es decir, las medidas de Boomerang del fondo cósmico dan como resultado que la densidad de materia del
Universo durante el Desacoplo, y por tanto también en estos momentos, es exactamente igual a la densidad
crítica. ¡El Universo es plano! Su métrica espacial a gran escala es euclídea ¡tal y como predice la teoría de la
Inflación! Este es un resultado extremadamente importante, de la misma categoría que las abundancias del
helio e hidrógeno, que la expansión del Universo o que la existencia de la radiación de fondo. Con todas las
de la ley, se puede le considerar como un cuarto puntal que sustenta la credibilidad del Big Bang y la
Inflación.
3.3.- ¿ENTROPÍA
MENGUANTE?
Tras la época del Desacoplo, el Universo, que era homogéneo y uniforme, empieza a hacerse cada vez más
tenue y comienzan a surgir por primera vez huecos en su estructura. Se corresponden a las zonas que
poseían una densidad de materia más baja que la media. La materia presente en estas migra por atracción
gravitatoria hacia las zonas de mayor densidad. Como describimos previamente, conforme más material se
evacua de las zonas de menor densidad y se acumula en las zonas de mayor densidad, mayor es la
atracción gravitatoria de éstas últimas. Con este efecto multiplicador las diferencias de densidad se
intensifican y el proceso se acelera poco a poco. Por primera vez en el Universo, los más ricos se hacen más
ricos todavía, a costa de que los pobres se hagan cada vez más pobres.
Este curioso comportamiento de agresivo libre mercado de la gravitación parece implicar una suerte de
paradoja. Aparentemente, a partir de una situación muy uniforme y sin ninguna estructura, la
homogeneidad e isotropía del Universo, llegamos a otra donde se están formando estructuras. Dicho de otro
modo: parece que a partir de una situación desordenada alcanzamos una situación aparentemente más
ordenada. ¿No va esto en contra del segundo principio de la termodinámica? ¿Acaso la atracción gravitatoria
puede invertir el crecimiento de la entropía?
Estamos inconscientemente acostumbrados a relacionar el concepto de entropía con la mecánica de los
gases. Pero entre los gases ideales y el plasma original que llenaba el Universo hay una importantísima
diferencia: las moléculas de los gases ideales no se atraen entre sí. Esa diferencia es vital. La segunda ley de
la termodinámica es estadística. Nos cuenta que un sistema tiende a evolucionar hacia el estado más
probable. De esta manera, si tenemos humo en una habitación, cuyas moléculas se mueven de forma
errática, es extremadamente improbable, pero no imposible, que esas moléculas se agrupen en un rincón de
la habitación. Estadísticamente hay mayor probabilidad de que poco a poco se dispersen por toda la
habitación. Ese es el estado más probable, con mayor entropía. El estado con todas las moléculas
apelotonadas en una esquina y sin moverse sería un estado de muy baja entropía, es decir, muy
improbable. Sin embargo con la gravitación ocurre lo contrario, precisamente porque la materia es atraída
por la materia. Si tenemos dos masas en reposo en el espacio, comenzarán a atraerse mutuamente hasta
que queden juntas. Ese es el estado más probable. La materia sometida a (y generadora de) campos
gravitatorios se atrae continuamente. No puede moverse erráticamente como lo hacen las moléculas de un
gas. Tiende a atraerse.
Una situación con un Universo lleno de materia neutra, sin carga eléctrica, distribuida de forma
absolutamente uniforme, de tal manera que ninguna parte atraiga más que otra (recordemos la paradoja de
Olbers del capítulo 1), es extremadamente improbable. Cualquier pequeña perturbación que aumentara
ligeramente la densidad, provocaría que comenzara a agruparse la materia. Por tanto, cuando sólo actúa la
gravedad, es muy improbable tener una distribución homogénea. Para conseguir que ese estado fuera
estable tendríamos que ordenar la materia de una forma muy concreta, muy improbable. Ese sería un
estado muy ordenado, y por tanto con baja entropía. El estado más probable, es decir, agregados de
materia, tendrá mayor entropía. Estará más desordenado. Casi cualquier configuración al azar de la materia
nos llevaría a él.
Pero no es necesario que demos más explicaciones cuando, afortunadamente, lo podemos amasar con
nuestras propias manos y ver con nuestros propios ojos. Sin necesidad de ningún kit especial, podemos
jugar a Dios fabricándonos un Big Bang personal en la cocina de nuestra casa. Y comprobar cómo se
formaron estructuras en el Universo conforme éste se expandía. Lo primero que necesitamos es la materia
primigenia, una materia densa y muy uniforme que llene todo el Universo. Esta materia debe sentir una
fuerza de atracción equivalente a la gravitatoria, que la dote de una especie de "pegajosidad". Usaremos
como sustituto la miel: la miel es una sustancia homogénea y sus diferentes moléculas sienten entre ellas
una atracción eléctrica, llamada fuerza de Van der Waals, que la convierte en pegajosa. Esta atracción será
nuestro sustituto de la gravedad. Lo segundo que necesitamos es un Universo en expansión, un espacio que
esté inicialmente lleno de miel y que se agrande. Ese universo será el espacio entre nuestros dedos pulgar e
índice. Llenemos ese espacio con miel, y al grito de "hágase el Big Bang" separemos lentamente nuestros
dedos. Lo que ocurrirá será algo similar a esto:
Un Big Bang en la cocina
Podemos observar cómo, a medida que el espacio aumenta, la estable situación homogénea inicial se hace
cada vez más inestable. Las zonas con una densidad menor comienzan a vaciarse debido a la atracción que
ejercen sobre ella las zonas de los alrededor. Poco a poco empiezan a formarse huecos en la estructura, que
se van haciendo cada vez mayores, hasta que llegamos a una situación en la que toda la materia se ha
distribuido en una compleja estructura de filamentos. Tal y como ocurre en la realidad.
3.4.- UN UNIVERSO
DESHILACHADO
¿Tal y como ocurre en la realidad? ¿Es que la materia se distribuye acaso en filamentos? El Universo real,
cuando se lo considera a gran escala, se distribuye como la miel entre nuestros dedos. ¿Qué pasa entonces
con las estrellas y las galaxias? El Universo, como lo conocemos en la actualidad, es grumoso. Está
compuesto por diversos tipos de estructuras que se distribuyen en diferentes niveles de tamaño. Cada una
de estas estructuras se agrupa creando "grumos" que forman sucesivos niveles. Por ejemplo: las estrellas se
agrupan para formar galaxias y las galaxias se agrupan formando grupos de galaxias. La causa de esta
jerarquía de tamaños tiene su origen en el Universo primitivo. Como vimos en la descripción multipolar del
fondo de microondas, las perturbaciones de densidad originales del Universo se distribuían en diferentes
escalas de tamaños. Al tener perturbaciones de todas las tallas, perturbaciones que actuaron como centros
de condensación, las estructuras que surgieron presentan tamaños que se distribuyeran también en varias
escalas semejantes.
El nivel básico de esta jerarquía está constituido por las estrellas, planetas y sistemas solares. Este nivel se
agrupa, gracias a la gravedad, para formar el siguiente nivel, esas enormes estructuras que son las galaxias,
compuestas por miles de millones de estrellas y planetas. Ocasionalmente un pequeño conjunto de galaxias
están asociadas entre sí gravitatoriamente. Este es por ejemplo el caso de las Nubes de Magallanes, dos
pequeñas galaxias que se hallan orbitando nuestra Vía Láctea. Las fuerzas de marea ejercidas por nuestra
galaxia en las dos Nubes de Magallanes dan lugar a la llamada Corriente de Magallanes, una corriente de
hidrogeno arrancado de las Nubes, formando un puente de materia que las une a nuestra Galaxia. Estas
agrupaciones pequeñas se llaman grupos de galaxias.
El grupo al cual pertenece nuestra galaxia es en realidad bastante mayor. Tanto la Vía Láctea como las
Nubes de Magallanes forman parte de un grupo mayor formado por unas veinte galaxias llamado Grupo
Local, entre las que se incluye también la conocida Galaxia de Andrómeda. No obstante, no todas las
galaxias forman parte de un grupo; algunas se hallan aisladas y se las conoce con el nombre de galaxias de
campo. Pero las galaxias de campo y los grupos de galaxias se agrupan a su vez en estructuras mucho
mayores, llamadas cúmulos de galaxias; agrupaciones de galaxias unidas entre sí por su atracción
gravitatoria mutua.
Finalmente, llegamos al último peldaño de esta jerarquía de tamaños. Los cúmulos de galaxias se agrupan
también, creando las mayores estructuras del Universo, llamadas supercúmulos, estructuras usualmente en
forma de cadena, constituidas por pocas decenas de cúmulos de galaxias. Nuestro Grupo Local se agrupa
junto con varios cúmulos de galaxias, entre ellos el gigantesco Cúmulo de Virgo, para formar el Supercúmulo
Local.
Jerarquía de estructuras en el Universo:
a) sistema planetario (el Sistema Solar)
b) pequeño grupo de galaxia (Galaxia de Andrómeda con pequeñas galaxias satélite)
c) cúmulo de galaxias (Cúmulo Abell 2218)
d) supercúmulo de galaxias (El Super Cúmulo Local)
Pero cuando subimos un escalón más en la escala de tamaños del Universo, desaparece la tendencia a
formar agrupaciones y nos encontramos con la verdadera estructura a gran escala. En el reino de los
gigantes, descubrimos que no existen los cúmulos de supercúmulos. Pero tampoco observamos una
distribución uniforme de supercúmulos llenándolo todo. A estas escalas, la materia se distribuye en forma de
filamentos, formando grandes ristras de supercúmulos con enormes huecos vacíos. Como la miel entre los
dedos de los dioses. Estos vacíos, prácticamente absolutos, son de hecho la característica principal del
Universo a gran escala. Ocupan el 90% del espacio con diámetros típicos del 25 Mpc, unos 80 millones de
años luz. Esa especie de espuma cósmica, con la materia distribuida en filamentos alrededor de los huecos,
es la última escala con estructura. Contemplado el Universo a una escala mayor, encontramos que es
uniforme, homogéneo e isótropo. Una masa uniforme de espuma cósmica, prácticamente hecha de vacío,
llenándolo todo. Estirando nuestra anología culinaria: el Universo es un gran mouse.
Universo a gran escala, tal y como aparece en el muestreo de galaxias del CfA
(CfA: Center for Astrophysics, del Harvard-Smithsonian), hasta una distancia de 150 Mpc.
Las dos zonas oscuras corresponden al plano de nuestra galaxia, que obstaculiza la visión.
El secreto está en la masa
El experimento con la miel en nuestra cocina se puede considerar, a parte de una cochinada, una simulación
física de la evolución del Universo. Como cochinada no es gran cosa, como simulación tampoco. No
reproduce con fidelidad las características reales del Universo primitivo en expansión. Por ejemplo, la
expansión de los dedos se da en una única dirección, de arriba a abajo, y no en todas a la vez. Además, la
fuerza de atracción de Van der Waals no disminuye con la distancia al cuadrado, como la gravitatoria, sino
que es más bien una interacción de contacto. Aun así, como símil, reproduce muy bien las características
observadas del Universo. Pero si queremos hacer ciencia sobre la evolución del Universo, tenemos que salir
de la cocina y hacerlo mejor. Desde hace unas décadas los físicos se han dedicado a simular en sus
ordenadores la evolución del Universo. Básicamente estas simulaciones numéricas consisten en llenar un
espacio virtual con millones de puntos, a los que se les dota de una masa también virtual. El sistema
comienza a evolucionar en pasos de tiempo discretos. A cada paso, el sistema:
a) Hace que el espacio se expanda según los modelos de Friedmann-Robertson-Walker que vimos
en el primer capítulo 1.
b) Calcula la fuerza de atracción gravitatoria que cada partícula sufre, debido a la presencia de las
demás partículas
c) Computa a partir de esa atracción las nuevas posiciones que tendrán las partículas.
d) Y vuelta a empezar.
Dado que estos programas requieren mucho tiempo de cálculo, sólo desde que los ordenadores tuvieron
suficiente potencia han podido ser utilizados eficientemente para investigar la evolución del Universo. Los
resultados cualitativos que se obtienen son análogos a la estructura real del Universo observable. Aparecen
formaciones filamentosas y estructuras complejas. Pero algo no encaja. Si tan sólo tenemos en
consideración la masa que detectamos en el Universo, es imposible reproducir en las simulaciones con
fidelidad las estructuras observadas. Es decir, a partir de las estrellas y galaxias que podemos contemplar,
no hay bastante masa para que las simulaciones puedan generar estructuras similares, en cuanto a densidad
y distribución de la materia, a las del Universo real. Para poder conseguir un buen grado de bondad con la
realidad, es necesario como mínimo diez veces más masa que la observada. ¿Significa esto que las
simulaciones matemáticas no son tan buena herramienta como pensábamos? ¿O significa que existe más
masa en el Universo de la que parece?
3.5.- MATERIA OSCURA
Un conocido teorema físico-matemático llamado Teorema del Virial, aplicable a los sistemas gravitatorios
ligados que están en equilibrio, permite relacionar la energía cinética promedio de las galaxias con la energía
potencial gravitatoria promedio. El teorema dice que:
A partir del corrimiento Doppler de las galaxias de un cúmulo podemos tener una estimación de las
velocidades promedio de las galaxias en el cúmulo, y por tanto de su energía cinética. Por otro lado, a partir
de la estimación de la masa observada del cúmulo podemos asignarle una energía potencial gravitatoria.
Pero cuando allá por los años 30 el astrofísico búlgaro-suizo Fritz Zwick comparó ambas magnitudes,
comprobó con sorpresa que se violaba el teorema del Virial. La energía cinética de las galaxias era
muchísimo más alta de la que debería ser si toda la masa del cúmulo fuera la que observamos. Tan sólo se
podía llegar a dos conclusiones, o esos cúmulos no son realmente sistemas ligados y están condenados a
desintegrarse, cosa que no parece probable. O son sistemas ligados y en los cúmulos existe mucha más
masa de la que vemos. De hecho, considerando esta segunda opción, que parece la correcta, a partir del
teorema del Virial se llega a que la masa real de los cúmulos de galaxias es, como poco, diez veces mayor
que la masa observada. Zwicky postuló por primera vez la existencia real de una materia "oscura" que no
era observable directamente por los telescopios.
En los años sesenta, la observación telescópica de las galaxias de tipo espiral mostró claramente cómo la
mayor parte de su masa se halla distribuida en el bulbo central. En comparación, la masa que hay en los
brazos espirales es relativamente pequeña. Por tanto, si queremos describir cómo giran las estrellas de
estos brazos espirales, podemos tranquilamente usar las leyes de Kepler. En cambio, para las estrellas sitas
en el bulbo central tendremos que considerar alrededor de cuánta masa están girando para calcular su
velocidad de giro. En términos físicos, deberemos utilizar el teorema de Gauss. Con esto se obtiene un
modelo matemático que predice la velocidad a la que giran las estrellas de una galaxia espiral en función de
su distancia al centro. Expresión conocida como curva de rotación.
Pero cuando comparamos el modelo teórico con los datos experimentales, obtenemos una llamativa
discrepancia:
Curva de rotación de una galaxia espiral. En rojo, la predicción teórica. En azul, los valores reales.
El radio del bulbo central es de unos 15 kpc.
Como podemos ver, las estrellas situadas a mayor distancia del centro de la galaxia no giran según las leyes
de Kepler. Esas estrellas giran mucho más deprisa de lo que deberían, si fuera cierto que la mayor parte de
la masa galáctica está concentrada en el bulbo central. La explicación más plausible es que hay una gran
cantidad de materia no visible y que además se distribuye de forma distinta a la materia visible al no
concentrarse en el bulbo central. Por tanto, en el comportamiento de las galaxias encontramos también
pruebas de que en el Universo existe mucha más masa de la que se observa.
La guinda al problema de la materia oscura la pone la Inflación. Vimos que el modelo inflacionario predecía
que el Universo debía ser plano, sin curvatura. Y que la densidad de materia real del Universo sería por
tanto igual a la densidad crítica. Hemos comentado también cómo el reciente experimento Boomerang nos
ha mostrado que, en efecto, el Universo real es plano o prácticamente plano. Pero si calculamos la densidad
crítica de materia, usando la fórmula que vimos en el capitulo primero (=3H2/8), empleamos para ello la
mejor estimación de que disponemos de la constante de Hubble, y comparamos el resultado con la densidad
de materia que se puede inferir a partir de la materia visible, vemos que en el Universo debe existir casi cien
veces más materia que la que vemos. ¡Prácticamente el 99% de la masa del Universo debería existir en
forma de materia no visible!
3.6.- MATERIAS EXOTICAS
La curva de velocidad de las galaxias, el comportamiento de los cúmulos, la planaridad del Universo y las
simulaciones por ordenador de la dinámica de su expansión nos llevan a concluir que la mayor parte de la
materia del Universo no es visible. Pero además, en su mayor parte debe de ser de un tipo diferente a la
que compone las estrellas, los planetas y a nosotros mismos. No puede estar formada por protones,
neutrones, átomos o moléculas, es decir, por materia bariónica. Esta sorprendente conclusión resulta del
perfeccionamiento de los modelos de nucleosíntesis primigenia, iniciados por Gamow, Alpher y Herman. Los
modelos actuales son tan precisos que pueden calcular la proporción esperada entre cada uno de los
diferentes elementos formados durante la nucleosíntesis primigenia frente al número total de fotones de la
radiación cósmica. Incluso para los menos abundantes, como He3, deuterio o Li7. Ocurre que estos
resultados son sensibles a la densidad de materia bariónica. Si tal densidad varía, las cantidades de
elementos que se habrían formado durante la nucleosíntesis primigenia acompañan a esta variación.
Los resultados muestran que para obtener proporciones de los elementos ligeros en concordancia con las
proporciones que observamos en el Universo real, es necesario que la cantidad de materia bariónica sea
menor que un 10% de la densidad crítica. Es decir, la materia oscura no puede ser en su totalidad materia
bariónica. De hecho, el modelo que mejor se ajusta a los datos experimentales prevé que la materia
bariónica es tan sólo un 4% de la masa total del Universo. Dado que la materia bariónica luminosa que
constituye las estrellas y galaxias es a su vez un mero 1% del total, existe al menos un 3% de materia
oscura bariónica, en forma de nubes de gas y polvo. Pero el resto de la materia oscura debe ser otra cosa.
Esa inesperada cantidad de materia no bariónica no debería sorprender al lector. Recordemos que durante el
Big Bang ése no fue el único tipo de materia que se creó. Una enorme cantidad de neutrinos se
desacoplaron de la materia allá por el instante t = 0.2 segundos tras el Inicio, llenando todo el Universo.
Hoy por hoy resulta imposible detectarlos pues, debido a la expansión del Universo, han perdido energía.
Pero, como vimos, los resultados del detector SNO muestran que los neutrinos tienen una pequeña masa.
Por tanto su atracción gravitatoria puede sin duda afectar al comportamiento de las galaxias, cúmulos y
estructura a gran escala.
Consideraremos, por tanto, a los neutrinos primigenios como nuestro primer candidato para materia oscura.
Dado que los neutrinos tienen masa de tan solo algunos electrón-volts, les es fácil alcanzar velocidades
altas, cercanas a la de la luz. Por ese motivo, en el contexto de la materia oscura se les da el nombre de
materia oscura caliente (en inglés hot dark matter, HDM).
Además de los neutrinos tenemos otro posible candidato, esas hipotéticas partículas, los WIMP, predichas
por los modelos de Gran Unificación. Al igual que los neutrinos, de existir sólo pueden interaccionar con el
resto del Universo a través de la interacción débil y la gravitatoria. Pero al revés que los neutrinos, los WIMP
tienen mucha masa, de varios cientos de Gigaelectrón-volts, por lo que viajarán a velocidades mucho
menores que los neutrinos. Se les da por ello el nombre de materia oscura fría (o en inglés: cold dark
matter, CDM). Será nuestro segundo candidato.
Los neutrinos tienen una gran ventaja a su favor, y es el hecho de que sabemos que existen y que se
formaron en abundancia en el Universo primitivo, mientras que los WIMP poseen de momento existencia
teórica. Pero cuando se simula la evolución del Universo teniendo en cuenta uno u otro tipo de materia
oscura, las cosas se ponen un poquito peor para los neutrinos. Las siguientes figuras muestran:
a) Una simulación numérica por ordenador en un Universo con materia oscura fría (WIMPs).
b) Una simulación numérica con materia oscura caliente (neutrinos).
c) La distribución observada de galaxias a partir de datos reales del catálogo CfA, para las mismas
escalas.
Las fluctuaciones iniciales de densidad en la materia oscura se simulan de acuerdo con las fluctuaciones del
fondo de microondas. Recordemos que el campo gravitatorio de tales fluctuaciones de materia, tanto
bariónica como no bariónica, es lo que produjo las manchas en el fondo cósmico.
(a) y (b) simulaciones numéricas frente a (c) datos reales (catálogo CfA)
Como podemos inferir de las simulaciones numéricas la materia oscura caliente (no sólo los neutrinos, sino
cualquier otro tipo de HDM que pudiéramos teorizar) tiende a formar estructuras más compactas y densas
que las que se observan en la realidad. Por el contrario, las estructuras formadas a partir de la materia
oscura fría se asemejan más a la estructura real del Universo (a pesar de que en los modelos con CDM no se
forman grandes vacíos como el que hay en la constelación de Boyero).
Además, en las simulaciones por ordenador con materia oscura fría se comprueba que primero se forman las
estructuras más pequeñas como galaxias y estrellas, las cuales posteriormente se van agregando para
formar las grandes estructuras como los cúmulos y supercúmulos. Esto es lo que se conoce como formación
"de abajo hacia arriba". En cambio, en los modelos con materia oscura caliente ocurre lo contrario: aparecen
primero las grandes estructuras, enormes nubes de materia en forma de supercúmulos, dentro de las cuales
se produce una fragmentación posterior para formar las pequeñas estructuras galácticas. La formación se
denomina entonces "de arriba hacia abajo". Las observaciones indican una formación relativamente reciente
de las grandes estructuras, lo que sería más compatible con un modelo "de abajo hacia arriba". Parece por
tanto que los misteriosos WIMPs son mejores candidatos a materia oscura.
Para los neutrinos, las cosas se ponen todavía peor si echamos números. A partir de la intensidad actual del
fondo de microondas, los modernos modelos de nucleosíntesis primigenia pueden predecir con bastante
exactitud la cantidad de neutrinos promedio que debe existir en la actualidad. Esta cantidad es de 115
neutrinos de cada especie por centímetro cúbico. Dado que existen tres especies de neutrinos, el
electrónico, el muónico y el tauónico, esto da un total de unos 350 millones de neutrinos por metro cúbico.
Vimos en el primer capítulo que en la actualidad la densidad crítica del Universo es de unos 5.5 átomos de
hidrógeno por cada metro cúbico, siendo la masa de un átomo de hidrógeno de 938.2 MeV. Supongamos
que toda la materia oscura no bariónica, el 96% de la masa del Universo, fueran realmente neutrinos. Para
que esos 350 millones de neutrinos por metro cúbico dieran exactamente la contribución necesaria a la
densidad crítica, tendrían que tener todos ellos una masa de 5.5 x 938.2 x 0.96 = 4953.7 Megaelectrónvolts. Dividiendo este valor por 350 millones, obtenemos que la masa que debería tener cada neutrino, para
que pudiera considerárseles toda la contribución a la materia oscura no bariónica, debería ser de 14
electrón-volts.
Por supuesto, esa es una masa promedio y es la masa que tendría cada uno si todos pesaran lo mismo. Pero
como comentamos hay tres tipos de neutrinos. De modo que este valor promedio nos sirve para calcular la
suma de las masas de los tres tipos, que sería de 14 x 3 = 42 electrón-volts, independientemente de cual
fuera la masa de cada uno. Pero ya hemos visto que el detector canadiense de neutrinos SNO ha dado
recientemente una cota superior de 8.4 electrón-volts para el valor de la masa de los tres neutrinos juntos.
Los neutrinos son por tanto demasiado ligeros para ser la única contribución a la materia oscura no
bariónica. De hecho, la masa de las tres familias sumadas es cinco veces más pequeña de lo necesario para
que pudieran serlo. Sólo contribuyen a lo sumo en un 20% al total. El otro 80% han de ser los esquivos
WIMPs.
Este resultado nos conduce al perfeccionamiento obvio de modelos de simulación numérica: los modelos
mixtos. En ellos se usa tanto materia oscura fría como caliente. Este tipo de modelos es capaz de predecir
con mayor precisión las estructuras que se observan en la realidad. Mejor incluso que los modelos basados
sólo en materia oscura fría. Las simulaciones más exitosas cuentan con un 70% de materia oscura fría y un
30% de materia oscura caliente, números cercanos a los valores especulados por la vía teórica. Un indicativo
de que los modelos caminan en el buen sentido.
3.7.- EL UNIVERSO EN EL
ORDENADOR
Gracias a los últimos y refinados modelos de simulación numérica de la dinámica del Universo, podemos
comprender con gran lujo de detalles cómo se formaron, paso a paso, las grandes estructuras, incluyendo a
las propias galaxias. Todas las simulaciones recientes tienen una característica común: cuando el Universo
era joven, las primeras estructuras que se formaron en él fueron largos filamentos de materia conectados
por sus extremos en nodos a la manera de una telaraña tridimensional o de una red de neuronas. La
siguiente imagen es el resultado de una reciente simulación a cargo del físico holandés Tom Theuns. En ella
observamos claramente esa característica del Universo joven cuando sólo habían transcurrido 2 mil millones
de años desde la era del Desacoplo.
Simulación numérica por ordenador de un Universo joven.
El color indica densidad de gas. Amarillo: alta; rojo: media; azul: baja.
La evolución dinámica de las simulaciones numéricas muestran que, en las zonas de mayor densidad de los
filamentos (en amarillo), el gas colapsa sobre sí mismo en innumerables puntos por efecto de la gravedad.
La densidad y la temperatura aumentan en el centro de estos objetos en contracción, hasta que alcanza un
valor de "encendido" y empiezan a brillar con luz propia. Se ha formado la primera generación de estrellas
del Universo, que se distribuye por los filamentos de materia como cuentas insertadas en un collar. Esta
primera generación se formó en una fecha tan temprana como el instante 500 millones de años después del
Big Bang.
Con el transcurrir de los millones de años, esas pequeñas zonas de formación de estrellas fueron
gradualmente fusionándose y migrando a lo largo de los filamentos hacia los nodos de mayor densidad por
atracción gravitatoria. Durante ese proceso las estrellas se fueron acumulando poco a poco para dar lugar
primero a pequeñas protogalaxias. Posteriormente, por unión de esas protogalaxias según llegaban a los
nodos, se formaron galaxias y cúmulos de galaxias. En este sentido, aquella primera generación de estrellas
se puede considerar como los ladrillos con los que se formaron las galaxias.
La estructura del Universo pasó de estar dominada por filamentos de materia a poblarse de grandes cúmulos
de galaxias. En algunos casos esos cúmulos todavía están conectados por puentes de materia: los últimos
restos de los filamentos originales de mayor tamaño.
3.8.- UN AGUJERO EN EL
MEDIO
Como vimos en el capítulo 1, la velocidad de escape es la velocidad mínima necesaria para que un cuerpo
logre escapar de la atracción gravitatoria de un astro. Cuanta más atracción gravitatoria tiene el astro,
mayor será la velocidad de escape. Para el caso de la Tierra, la velocidad de escape es de 40.320 km/h.
Cualquier cuerpo que adquiera esa velocidad o una mayor, escapará para siempre de la atracción
gravitatoria de la Tierra. Cualquier velocidad menor que el 71% de la velocidad de escape, volverá a caer
sobre la Tierra. Las velocidades intermedias producirán una órbita estable alrededor del planeta. Por
supuesto, esa velocidad depende de la atracción gravitatoria en la superficie del astro y por tanto cuanto
más masa tenga el astro, mayor será su atracción.
Pero la velocidad de escape no depende sólo de la masa. Es fácil deducir la fórmula para ella. Simplemente
hay que imponer que la energía cinética del cuerpo sea igual o mayor que la energía potencial del campo
gravitatorio que tiene que contrarrestar. Es decir:
siendo m la masa del cuerpo, y M y R la masa y el radio del astro. La condición crítica, que nos dará el valor
de la velocidad de escape, se cumple cuando ambas energías son iguales. Despejando, se obtiene que:
Vemos que la velocidad de escape depende por tanto también del radio del cuerpo. Así, si el radio de la
Tierra fuera menor, aunque su masa fuera la misma, la velocidad de escape sería mayor. Un agujero negro
es un astro con un campo gravitatorio tan intenso que su velocidad de escape es mayor que la velocidad de
la luz, mayor que 299.792.458 m/s o lo que es lo mismo, mayor que 1.000 millones de km/h. Dado que la
velocidad de escape es mayor que la de la luz, la propia luz no puede escapar de la atracción gravitatoria del
agujero negro y vuelve a caer sobre él. De ahí el nombre de agujero negro. Ninguna luz escapa del astro,
con lo que su apariencia es exactamente la de un agujero de color negro. Y como la velocidad de la luz es la
máxima velocidad posible en el Universo, absolutamente nada puede escapar del agujero negro. Cualquier
cuerpo que caiga sobre él desaparecerá para siempre. Es casi como si se saliera del Universo.
En esas circunstancias de intensísima gravitación, el espacio-tiempo alrededor del astro está tan curvado y
distorsionado que el tiempo se congela para aquellos cuerpos que caen dentro del agujero. Desde su punto
de vista nunca llegan a caer, ya que para ellos el tiempo cada vez va más y más despacio, conforme se
acercan al borde del agujero negro. Si comprimiéramos la Tierra lo suficiente, podríamos convertirla en un
agujero negro. Podemos calcular a partir de la fórmula anterior, que deberíamos comprimirla hasta que
tuviera un radio de un centímetro. Toda la masa del planeta concentrada en una canica negra.
Las primeras galaxias aparecieron probablemente 1000 millones de años después del Big Bang. Como hemos
visto, las simulaciones indican que las galaxias se formaron por la fusión y colisión de pequeñas
protogalaxias, a medida que llegaban a los nodos de las estructuras filiformes. Las observaciones apoyan
este resultado. Cuanto más lejos observamos en el cielo, más retrocedemos en el tiempo. La luz procedente
de una galaxia situada a una distancia de 10 millones de años luz nos muestra cómo era esa galaxia hace 10
millones de años. De esa forma, cuanto más lejos miremos, más jóvenes serán las estructuras que veamos.
Y efectivamente, los estudios del cielo más profundo muestran que las galaxias jóvenes eran mucho más
pequeñas e irregulares de lo que son hoy.
Pero a medida que estas pequeñas galaxias irregulares o protogalaxias se fusionaban para formar una
galaxia, sus colisiones y aglomeración en el centro de la galaxia comenzaban a reunir una inmensa cantidad
de materia en una zona relativamente reducida. Llegado a un punto, la atracción gravitatoria de ese
engendro, con la masa de miles de soles, era tan grande que ninguna fuerza de la naturaleza podía
contrarrestarla. Colapsando sobre sí mismo se creaba un superagujero negro. La presencia de esos agujeros
negros centrales fue decisiva para estabilizar las jóvenes galaxias, dotándolas de un centro adecuado
alrededor del cual rotar.
3.9.- QUASARES
Durante varios millones de años después de su formación, la característica principal de una galaxia recién
nacida es su intensa emisión de radiación. Puede llegar a ser miles de veces superior a la energía que emite
una galaxia estándar. Son quásares.
Estos objetos, fuertes emisores de ondas de radio, fueron detectados por primera vez en 1950. Dado que de
ellos sólo se veía un punto, aparentando una estrella, se les llamó quásares, acrónimo del inglés quasi-stellar
radio source (fuente de radio cuasiestelar). Pero no fue hasta 1963 cuando se descubrió su peculiar
naturaleza. El astrónomo estadounidense Marteen Schmidt, al estudiar su espectro, descubrió que
presentaban un fortísimo corrimiento hacia el rojo, mayor que el de las galaxias. Debían ser por tanto
objetos que estaban increíblemente lejos. Eso justificaba que los telescopios sólo mostraran un punto sin
estructura. Pero si a pesar de la distancia podían detectarse como intensos emisores de ondas de radio, la
intensidad con la que emitían era descomunal.
Hoy día está claro que los quásares son una etapa en la formación de las galaxias, en la cual el núcleo
aumenta espectacularmente su luminosidad. Las observaciones nos muestran que todos los quásares están
distantes en el espacio, o lo que es lo mismo, en el tiempo. No existen quásares en las cercanías de nuestra
galaxia. Todos ellos están a distancias mayores de cien millones de años luz, y su número aumenta
conforme nos alejamos, encontrándose su máximo en los doce mil millones de años luz. A esas distancias
los vemos tal y como eran cuando el Universo tenía una edad de sólo unos dos mil millones de años.
Conforme disminuye la distancia y nos acercamos al presente, disminuye la cantidad de quásares que
podemos encontrar. Pero también ocurre al revés: tampoco se encuentran quásares más allá de los catorce
mil millones de años luz. En esas distancias lo que encontramos preferentemente son pequeñas galaxias
irregulares. Semejante disposición indica que los quásares son una fogosa etapa juvenil transitoria de las
galaxias, cuya emisión se va poco a poco extinguiendo a medida que la galaxia madura. El hecho de que
existan galaxias con un núcleo activo a mitad de camino entre los quásares y las galaxias normales, como es
el caso de las galaxias Seyfert y las radiogalaxias, corrobora esta afirmación.
¿Pero a qué se deben estos fuegos de juventud? ¿Qué motiva esta intensa emisión de radiación?
Precisamente la presencia del superagujero negro central de las galaxias. Antes de que la galaxia consiga
estabilizarse, el material de su núcleo continuamente está cayendo en el interior del agujero negro central.
Conforme cae, comienza a girar con velocidad creciente alrededor del agujero negro, acelerándose hasta
llegar a velocidades próximas a la de la luz. Este disco de material cayendo en rápida rotación se convierte
en un poderoso emisor de ondas electromagnéticas. Es el grito de agonía de la materia que muere en el
agujero, mientras destella con intensos fogonazos que iluminan el Universo.
Con el tiempo, las órbitas se estabilizan y el agujero negro acaba engullendo toda la materia de los
alrededores. Capturando cada vez menos materia, sus emisiones van decayendo. Hasta convertirse
finalmente en una galaxia estándar. No obstante, aunque en poca cantidad, sigue cayendo materia en su
interior, y gracias a esto se ha podido detectar el agujero negro que existe en el centro de nuestra propia
galaxia. En el centro de la Vía Láctea, en la dirección hacia la constelación de Sagitario, a 26.000 años luz de
la Tierra, existe una poderosa fuente de radio llamada Sgr A*. Desde hace tiempo se sospecha que ésta es
la localización del superagujero negro central de nuestra galaxia. La confirmación, se obtuvo recientemente,
en 1996. Un equipo liderado por el astrónomo alemán Reinhard Genzel se dedicó a estudiar los movimientos
de 39 estrellas cercanas a Sgr A*. Si sus órbitas hubieran sido irregulares, esto habría sido indicativo de que
estaban orbitando alrededor de un objeto grande y difuso o tal vez con poca masa. Sin embargo
encontraron que sus órbitas en torno al centro de la galaxia no eran circulares. El estudio de sus
movimientos y velocidades les permitió determinar que las estrellas orbitaban en torno a un objeto de
pequeñas dimensiones y extremadamente masivo que se encuentra en el centro de la galaxia: un super
agujero negro, con una masa igual a 2.6 millones de soles y un tamaño menor que la órbita de Marte
alrededor del Sol.
3.10.- GALAXIAS
La clasificación más popular de las galáxias se debe a nuestro
viejo conocido Edwin Hubble. En 1925 las clasificó según su
forma en tres grandes grupos: elípticas, espirales e
irregulares. Las galaxias elípticas (en la clasificación de
Hubble, tipo E) son las de estructura más sencilla. Su materia
se distribuye en forma de un elipsoide muy simétrico. Algunas
de estas galaxias son casi esféricas y se las clasifican como E0.
Conforme su esfericidad sea menor, el número junto a la E
aumenta. De esta manera, las galaxias elípticas más achatadas
se clasifican como galaxias E7. La densidad de estrellas es
mayor en el núcleo, que resulta en comparación muy brillante.
Como regla general, cuanto más joven es una estrella, más
azulada es su luz. Estas galaxias están formadas principalmente
por estrellas viejas (llamadas población II), con más de 12 mil
millones de años, por lo que estas galaxias resultan rojizas.
Prácticamente no presentan manchas oscuras, debido a que
tienen pocas nubes de polvo y gas, lo que imposibilita la
creación de nuevas generaciones de estrellas. Este tipo de
galaxias se encuentra preferentemente en zonas con alta
densidad de galaxias, como el centro de los cúmulos más ricos
en galaxias.
Las galaxias espirales (tipo S) tienen una compleja estructura.
Presentan un bulbo central, compuesto por viejas estrellas
rojizas de población II, que se asemeja mucho a una pequeña galaxia elíptica. Orbitando a su alrededor
encontramos los característicos brazos espirales, que dan nombre a este tipo de galaxias, cuyo grosor es
aproximadamente un 10% de su diámetro. Estas galaxias se clasifican en Sa, Sb, Sc y Sd, dependiendo del
tamaño relativo entre el bulbo y los brazos espirales. Alrededor de todo existe una estructura esférica de
materia, incluyendo materia oscura, llamada halo. Nuestra galaxia, la Vía Láctea, compuesta por 200 mil
millones de estrellas, pertenece a este tipo. A diferencia del bulbo central, los brazos espirales son ricos en
material y en ellos encontramos zonas oscuras de polvo y gas, donde se siguen formando estrellas. Por este
motivo los brazos tienen un color azulado, al abundar en ellos las estrellas jóvenes (población I, estrellas con
menos de 10 millones de años). Los brazos espirales son los auténticos criaderos donde actualmente nacen
las estrellas. Una variedad de galaxia espiral la constituyen las espirales barradas (SB en la clasificación de
Hubble, también subdivididas de la 'a' a la 'd'), muy similares a las espirales, pero con una característica
barra de material que atraviesa el bulbo.
Finalmente tenemos las galaxias irregulares. Parecen
galaxias espirales de tamaño enano, pero que debido a
su pequeño tamaño, no han conseguido desarrollar
correctamente su estructura. Así este tipo de galaxias
no presenta ni bulbo ni brazos en espiral. Por el
contrario, su estructura es desordenada y mal definida.
Tienen una abundante población de estrellas jóvenes y
son poco luminosas. Las Nubes de Magallanes son un
ejemplo típico.
Existen además algunas formas híbridas de galaxia.
Así, a mitad de camino entre las galaxias espirales y las
galaxias elípticas podemos encontrar un tipo de
galaxias llamadas lenticulares. A semejanza de las
galaxias espirales, presenta un bulbo y un disco, pero
el disco no forma una estructura de brazos espirales. En la clasificación de Hubble se las denomina S0. Al
igual que las elípticas, suelen tener poco polvo y gas y su
población de estrellas es vieja y rojiza (población II). Este tipo
de galaxias puede llevarnos a concluir que las galaxias elípticas
serían tan sólo galaxias espirales que han perdido o consumido
su disco. Lo que corroboraría las actuales creencias sobre la
dinámica de formación galáctica. En la actualidad se piensa que
esta dinámica es un proceso continuo y que los diferentes tipos
de galaxias no conservan su identidad y filiación
indefinidamente. Las simulaciones por ordenador indican que
las galaxias cambian su aspecto con el correr del tiempo y que
mutan entre ellas. La fusión y colisión de galaxias irregulares da
lugar a galaxias espirales; las galaxias espirales se agotan y
acaban en galaxias elípticas. Y en ocasiones, las elípticas
pueden volver a desarrollar brazos espirales, bien porque capturan gas al pasar por alguna zona rica, bien
porque colisionan con otras galaxias, como las irregulares.
La evolución galáctica se asemeja al proceso de maduración de un enorme y complejo organismo. La
clasificación de las galaxias nos recuerda a las clasificaciones zoológicas de los naturalistas. Después de 500
millones de años, el Universo de la mano de la gravitación nos presenta su primer 'ecosistema'.