Cúmulos de Galaxias - auladeastronomia.es · Galaxias , y estos en muros y filamentos. • Nuestro grupo local, junto con otro centenar de grupos, forma parte del Supercúmulo Local

Cúmulos de Galaxias

• Las galaxias tienden a formar grupos ligados por la fuerza gravitatoria: los cúmulos de galaxias.

• La Vía Láctea, la galaxia de Andrómeda (M31), la del Triángulo (M33) y una treintena de galaxias enanas, forman el llamado Grupo Local de galaxias.

Grupo Local

La galaxia de Andrómeda, M31, es visible a simple vista en una noche oscura.

La galaxia del Triángulo, M33, es visible con prismáticos.

Cúmulo de Virgo

Contiene unas 2000 componentes

Situado a unos 18 Mpc de la Vía Láctea

2000 componentesLa mayor parte de la materia bariónica ordinaria se encuentra bajo la forma de gas frío intracúmulo (4 veces más que la bariónica ordinaria). Bajo ciertas circunstancias está muy caliente y podemos detectar su emisión en rayos x.

Gracias a las lentes gravitacionales y al estudio de la dinámica de las galaxias, podemos estimar su masa e inferimos la presencia de materia oscura, no bariónica, entre cinco y diez veces más que la bariónica.

Cúmulo de Virgo (60 millones a.l.)

Cúmulo de Coma (400 millones a.l.)

• Los cúmulos de galaxias se agrupan en estructuras mayores: los Supercúmulos de Galaxias, y estos enmuros y filamentos.

• Nuestro grupo local, junto con otro centenar de grupos, forma parte del Supercúmulo Local (o de Virgo), que se extiende 200 millones de años luz y está dominado por el cúmulo de Virgo.

• El Universo a escala local teje una estructura similar a la de una esponja o una piedra pómez. En una escala superior a 200 Mpc se vuelve homogéneo.

En 1912, Vesto Slipher, se dio cuenta de que el espectro de casi todas las nebulosas espiralespresentaba corrimiento al rojo, es decir, se alejaban de nosotros a altísimas velocidades.

Años después, Hubble fue capaz de medir la distancia a M31 buscando en su interior estrellas variables cefeidas. Obtuvo una distancia de 800.000 años luz. M31 (y el resto de nebulosas espirales) eran otras galaxias como la Vía Láctea !

Hoy en día estimamos que en nuestro Universo observable (región del Universo de la que puede llegarnos información) hay unas 1011 galaxias. Es decir, 100.000.000.000 galaxias.

Hubble Ultra Deep Field

Universo en expansión

• Se observa que todas las galaxias parecen alejarse de la nuestra (corrimiento al rojo, redshift, z).

• Además la velocidad es mayor cuanto más lejos estéla galaxia observada. Hubble reflejó este hecho en su famosa ley: V=H0*d. H es el parámetro de Hubble.

• Siendo capaces de determinar correctamente H0podríamos saber la distancia a la que está una galaxia simplemente midiendo su velocidad de alejamiento... Aceptamos H0 ~ 70 km/s/Mpc.

• Hubble señaló que la Vía Láctea no ocupa un lugar privilegiado. El corrimiento al rojo observado podría explicarse con un Universo en expansión, en el que todas las galaxias estuvieran alejándose unas de otras (corrimiento al rojo cosmológico).

• ¿Cómo interpretar que todas las galaxias parezcan alejarse de la nuestra y además lo hagan más rápido cuanto más lejos estén?

• Esta expansión ha de tener lugar en los espacios entre los cúmulos de galaxias, no dentro de los cúmulos, ni mucho menos dentro de las galaxias, donde prevalece la gravedad y hay movimientos peculiares.

• Por eso algunas galaxias del grupo local se acercan a la Vía Láctea y presentan un corrimiento al azul.

Con anterioridad Einstein desarrolla su teoría de la Relatividad General, en la que expone una interpretación geométrica de la gravedad. La presencia de masa o energía curva el entramado del espacio - tiempo, obligando a otras masas a moverse sobre ciertas trayectorias privilegiadas. Aparece el concepto de curvatura del espacio - tiempo.

Si aplicamos las ecuaciones de la RG a la totalidad del Universo, podemos hablar de una geometría global del mismo según su contenido en masa – energía. Esto se apoya sobre el Principio Cosmológico: a gran escala el Universo es homogéneo e isótropo.

Las soluciones a las ecuaciones de la RG para el Universo yadescriben un Universo dinámico, en expansión o contracción, en contra de lo que Einstein pensaba. Por ello introdujo la constante cosmológica, que posteriormente retiró por las evidencias observacionales de la expansión.

En la actualidad volvemos a introducir esa constante cosmológica…

H2 = (8πGρ/3)- (K/a2)+ (Λ/3)

H es el parámetro de Hubble.

Λ es la constante cosmológica, que compensaría la ρ, obteniendo k=0 y H=0, un Universo plano y estático.

ρ es la densidad media del Universo. Definimos Ω = ρ/ ρc. Es el parámetro de densidad.

En función de Ω el Universo será abierto o cerrado, y también tendrá una u otra geometría.

K es la curvatura del Universo (relacionada con Ω).

a es el parámetro de escala.

Si el contenido de materia y energía del Universo fuera tal que la gravedad frenara la expansión, la detuviera e iniciara un colapso, tendríamos un Universo cerrado. Big Crunch.

Universo cerrado

Ω >1 (ρ > ρc); K >0

Un Universo así sería finito (y sin bordes, claro). Sería el análogo en tres dimensiones a la superficie de una esfera. ¡Aquí la geometría ya no es euclídea, hay curvatura!, los ángulos de un triángulo cosmológico suman más de 180º.

Si el radio de curvatura fuera lo suficientemente grande podríamos estar en un Universo así y no darnos cuenta (parecería euclideo). Si fuera pequeño podríamos estar viendo varias veces las mismas galaxias con diferentes edades y no darnos cuenta!

Universo plano (euclídeo)

Si el contenido de materia y energía del Universo fuera justo el necesario para que la gravedad frenara y equilibrara la expansión, alcanzando un Universo estático, tendríamos un Universo Plano (euclídeo).

Ω =1 (ρ = ρc); K =0

A gran escala, la geometría del Universo sería la euclídea a la que estamos habituados (la suma de los ángulos de un triángulo cosmológico resulta 180º).

Un Universo plano exige ser infinito (no puede tener bordes, el Principio cosmológico exige homogeneidad). Aunque hay variedades topológicas finitas con geometría euclídea (toro).

Universo plano

La figura presenta una región del Universo de un tamaño de 90.000 millones de años luz, cuando el Universo tenía 1000 millones de años (ya entonces era infinito, nuestro Universo observable era mucho más pequeño (círculo verde) y la densidad era más alta. A la derecha se ve la misma sección de 90.000 millones de años luz de lado en la actualidad. La expansión ha rebajado la densidad y la temperatura y nuestro Universo observable ha crecido.

En el momento t=0 el Universo seguía siendo igualmente infinito, con una densidad y temperatura extremadamente caliente. Nuestro Universo observable sería un punto verde! ¿Hay un centro para la expansión? ¡ NO !

La infinitud sería una propiedad del Universo, ojo, que también se cumple en la

singularidad inicial. Así que de huevo primigenio nada…

Si el contenido de materia y energía del Universo fuera tal que la gravedad no fuera capaz de detener la expansión, tendríamos un Universo abierto.

Ω <1 (ρ < ρc); K < 0

Universo abierto

Universo abierto

Un Universo abierto sería curvado y, como en el caso plano, infinito. Análogo en tres dimensiones a la superficie de una silla de montar. En esta geometría la suma de los ángulos de un triángulo cosmológico es menor de 180º.

Nuestro Universo tiene varios ingredientes, dos de los cuales son la materia y la radiación (*).

En sus primeros compases, el Universo era tan denso y caliente que la radiación no podía viajar libremente ya que era continuamente absorbida por la materia. Podíamos decir que nuestro Universo era oscuro…

Hoy en día tenemos el modelo cosmológico estándar, que describe cómo era el Universo temprano, la nucleosíntesisprimordial, la creación de macroestructuras… El modelo predice que a una edad de 300.000 años el Universo alcanzóuna temperatura del orden de 3000 K. Entonces la radiación se desacopló de la materia y viajó libremente.

(*) Por radiación no entendamos la emitida desde las estrellas, nebulosas, etc; pensemos en la radiación primitiva.

A los 300.000 años, se desacopla la radiación, y de todos los puntos del Universo, y hacia todos los puntos, comienzan a viajar esa radiación (fotones) primigenia.

El punto blanco simboliza la región primigenia que acabaría originando la Vía Láctea. Fijémonos justo en la radiación que parte hacia las regiones interiores de la esfera.

A causa de la expansión, esos fotones que empezaron a viajar en el Universo bebé, procedentes justo de esa región, nos llegan ahora, 13.700 millones de años después! La expansión los ha enrojecido tanto que nos llegan bajo la forma de microondas(fotones con mucha menos energía que cuando partieron).

Bóveda celeste en microondas (misión Planck). Es extremadamente homogéneo (junto con la planitud, el problema del horizonte y otros, es la base de la inflación); las diferencias de color simbolizan minúsculas anisotropías muy importantes de cara a la posterior formación de macroestructuras.

El modelo cosmológico estándar predecía la existencia del fondo de microondas, que se encontró accidentalmente en 1965 con las características exactas a las predichas. Esto, junto con otras predicciones (abundancias de elementos primordiales) indica que el modelo no ha de ir muy desencaminado.

Universo Observable. Su límite lo marca el fondo de microondas.

Las regiones de las que partió esa radiación que hoy vemos como fondo de microondas, ahora mismo se encuentran a una distancia de 45.000 millones de años luz (radio del U.O.), y habrán originado estructuras (estrellas, galaxias, etc), que no vemos en su estado actual.

En regiones más próximas, en estos 13.700 millones de años ya ha habido tiempo suficiente para que se hayan formado galaxias y su luz nos haya alcanzado. Vemos luz de galaxias jóvenes, muy enrojecida en su viaje.

Fuera de nuestro Universo observable no podemos ver nada ya que ni siquiera la radiación primigenia, emitida a los 300.000 años de edad, ha podido alcanzarnos. Presumimos que habrá más estructuras.

Al hacerse el Universo más viejo, podrá alcanzarnos la radiación primigenia emitida desde regiones más alejadas. Al ser el viaje más largo, llegará aun menos energética que las microondas actuales. El U.O. crecerá. Cuando alcance un radio de 60.000 millones de años luz la expansión superará a la velocidad de la luz y estaremos desconectados del exterior.

Las anisotropías del fondo de microondas nos dan información sobre la geometría del Universo. Casi con total seguridad es euclideo (infinito, o al menos mucho mayor que el observable). Esto implica que la densidad del Universo es justo la crítica. Ya es casualidad, ¿no?

Pero sólo somos capaces de detectar el 27% de la masa –energía necesaria para que la densidad sea la crítica, necesaria en un Universo plano… (y encima el 23% es materia oscura !!)

Recordemos que el modelo clásico de un Universo plano describe un Universo que se expande cada vez más lentamente por la acción de frenado de la gravedad… Pues bien, el estudio de supernovas lejanas arroja que el Universo se expande aceleradamente desde que alcanzó una edad de unos 9.000 millones de años (aprox).

Para explicar la geometría plana necesitamos un ingrediente que aporte el 75% de la masa - energía del Universo.

Además ha de tener un carácter repulsivo, que explique la expansión acelerada. Y esa acción repulsiva tiene que haber empezado a dominar cuando el Universo alcanzó una edad de unos 9.000 millones de años.

La explicación más sencilla es que ese ingrediente, la energía oscura, está asociada al propio espacio. Un volumen de espacio ha de tener una energía mínima asociada (de presión negativa y por lo tanto opuesta a la acción de la gravedad). Aparece en el modelo actual como una reintroducción de la Constante Cosmológica Λ que Einstein forzó para obtener un Universo estático.

H2 = (8πGρ/3)*- (K/a2)+ (Λ/3)