6 - Estructuras mayores y destino cósmico

 6 - Estructuras mayores y destino cósmico

6.1 Del aislamiento a la pertenencia

Ninguna galaxia existe sola, cada una forma parte de un sistema jerárquico.
Las más cercanas se agrupan en cúmulos galácticos (como el Grupo Local), que a su vez se integran en supercúmulos conectados por filamentos de materia oscura. En conjunto, estos entramados forman la red cósmica, cuya escala excede los 100 Mpc y define la geometría visible del universo.

La atracción gravitatoria que mantiene cohesionadas estas estructuras se equilibra con la expansión cósmica, descrita por la métrica de Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker.
La ecuación fundamental que gobierna esa expansión es:

​donde a(t) es el factor de escala, k el parámetro de curvatura y Λ la constante cosmológica.

 

6.2 Cúmulos galácticos

Los cúmulos contienen de decenas a miles de galaxias ligadas gravitacionalmente y su masa total está dominada por:

• Materia oscura (~85 %),
• Gas intergaláctico caliente (~12 %), visible en rayos X,
• Galaxias (~3 %), que orbitan en el potencial colectivo.

El equilibrio de un cúmulo obedece al teorema del virial:

2 T+U=0

donde T es la energía cinética total y U la energía potencial gravitatoria.
De aquí se deduce la masa total del cúmulo a partir de las velocidades observadas de las galaxias miembros.

 

6.3 Supercúmulos y red cósmica

A escalas mayores, los cúmulos se enlazan formando filamentos, muros y vacíos. Las simulaciones ΛCDM reproducen esta estructura en espuma, donde la materia se concentra en regiones lineales y nodos que corresponden a supercúmulos. Entre ellos se extienden vacíos cósmicos con densidad extremadamente baja.

Una forma simple de estimar el contraste de densidad en una región es:

donde ρˉ​ es la densidad media universal.

En filamentos y cúmulos, δ>0; en vacíos, δ<0.

 

6.4 El Grupo Local y su destino

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, junto con Andrómeda (M31) y más de 80 galaxias enanas, forman el Grupo Local. El conjunto está cayendo lentamente hacia el Supercúmulo de Virgo, con una velocidad de unos 600 km/s respecto al CMB. Dentro de unos 4.5 mil millones de años, Vía Láctea y Andrómeda se fusionarán en una galaxia elíptica gigante (Milkomeda), mientras las enanas orbitantes serán absorbidas o expulsadas.

 

6.5 Destino cósmico a gran escala

El futuro del universo depende de los parámetros cosmológicos Ω_m​ y Ω_Λ​.
Las observaciones actuales del fondo cósmico de microondas y las supernovas Ia indican un universo plano y dominado por energía oscura (Ω_Λ≈0.7). En ese escenario, la expansión continuará acelerándose indefinidamente, provocando aislamiento gravitacional de los cúmulos donde cada cúmulo quedará separado por horizontes causales. Además habrá un oscurecimiento progresivo del cielo pues la luz de las galaxias lejanas dejará de llegarnos y ocurrirá entonces la muerte térmica cósmica, cuando toda la materia visible se transforme en objetos degenerados y la radiación de fondo alcance el equilibrio térmico.

 

6.6 Ecuación de energía crítica y densidad

La densidad crítica que separa un universo en expansión eterna de uno colapsante es:

donde H₀​ es la constante de Hubble. Entonces, definiendo Ω=ρ/ρ_c​, se distinguen tres posibles situaciones:

• Ω<1, que produce un universo abierto en expansión eterna.
• Ω=1, universo plano en expansión que tiende a cero asintóticamente.
• Ω>1, un universo cerrado y una  posible recaptura gravitacional.

El caso observado hoy es Ω≈1, con energía oscura dominante.

 

6.7 Reflexión final

A medida que el tiempo cósmico avanza, las galaxias dejan de ser entidades activas y se integran en un paisaje cada vez más estático.
La historia galáctica culmina en una etapa donde el espacio mismo, no las estrellas, dicta su destino. Así, el universo se expande más rápido que su capacidad para formar nuevas estructuras y la red cósmica, congelada en el espacio-tiempo, se convierte en el registro fósil de la dinámica gravitacional universal.

Figura 6.1 — Red cósmica: cúmulos, filamentos y vacíos. Representación sintética de la estructura a gran escala del universo, basada en la distribución filamentaria de la materia predicha por el modelo ΛCDM. Los puntos claros simbolizan galaxias y cúmulos galácticos; su concentración define los nodos de la red. Las regiones alargadas de densidad intermedia corresponden a filamentos conectores, mientras las áreas oscuras representan los vacíos cósmicos. A medida que el universo se expande, la materia se concentra gravitacionalmente en esta red, que conserva la huella de las fluctuaciones primordiales detectadas en el fondo cósmico de microondas.

Recuadro: Energía oscura y aislamiento cósmico

En el modelo cosmológico actual, la energía oscura domina la dinámica del universo y provoca una aceleración de la expansión. Con el paso de los miles de millones de años, los filamentos de la red cósmica permanecerán gravitacionalmente ligados, pero se aislarán entre sí. Las galaxias dentro de cada cúmulo seguirán orbitando bajo su propia gravedad, mientras el espacio entre cúmulos crecerá exponencialmente. Eventualmente, la luz de los cúmulos más lejanos quedará desplazada fuera del rango visible y
el universo observable se reducirá al cúmulo local, mientras el resto del cosmos se volverá inaccesible. En esa era lejana, la red cósmica -que hoy nos permite reconstruir la historia de la materia- será sólo un recuerdo congelado en la geometría del espacio-tiempo.

 

 Nota final

La evolución galáctica, desde las fluctuaciones primordiales hasta la red cósmica, revela que el universo no crece de forma caótica, sino siguiendo leyes simples que amplifican pequeñas diferencias iniciales. La gravedad, actuando sobre esas irregularidades, teje el patrón cósmico que observamos hoy, una telaraña de materia, luz y vacío que se expande y se enfría lentamente hacia el silencio térmico final.