Reseña: “Grandes estructuras del universo” de Eduardo Battaner

Por Francisco R. Villatoro, el 30 enero, 2016. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Física • Libros • Physics • Planck • Recomendación • Science ✎ 7

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“¿Cómo es el universo a gran escala? La respuesta depende de qué entendemos por gran escala. La mayor escala posible accesible a la observación viene dada por el horizonte relativista, [cuyo] radio crece a la velocidad de la luz. [Lo] que está más allá del horizonte no puede verse [y] está desconectado causalmente de nosotros”.

“A esta mayor escala posible, el universo es homogéneo, isótropo y, en términos relativistas, plano. [Desde] el punto de vista de la mecánica de fluidos, el universo como un todo, a escala del horizonte, se comporta como un fluido perfecto, con una evolución isoentrópica. A menor escala, el fluido pierde esta condición ideal, se producen continuos aumentos de entropía: el fluido es imperfecto”.

Un excelente libro del catedrático de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Granada, Eduardo Battaner, “Grandes estructuras del universo. El cosmos a gran escala”, Un Paseo por el Cosmos, RBA Coleccionables (2015) [159 pp.]. “Si este libro se hubiera escrito hace unos quince años, hubiera sido muy diferente. Desde entonces el progreso ha sido espectacular”. Escrito por todo un referente de la divulgación en español, el libro nos describe los cúmulos de galaxias, los supercúmulos galácticos y el fondo cósmico de microondas, tanto cómo se formaron como sus propiedades más importantes.

Todos los aficionados a la cosmología y a la astrofísica disfrutarán de este libro. Uno de los mejores de la colección Un Paseo por el Cosmos (de los publicados hasta ahora). Sin miedo a las fórmulas matemáticas ni a la jerga técnica, pero siempre con buenas explicaciones detrás, nos desvela lo que sabemos sobre cosmología, con énfasis en cómo lo hemos descubierto. Muy recomendable, como siempre, Battaner es toda una garantía. El ritmo anima a seguir leyendo y, al menos en mi caso, el libro deja ganas de más.

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La introducción [pp. 7-13] se inicia hablando de la escala más grande, el horizonte relativista del universo, y luego aclara que “la escala más pequeña que nos va interesar es la de un grupo de galaxias o un cúmulo de galaxias. [Un] cúmulo de galaxias es la mayor entidad que se mantiene unida por autogravitación. [La] Vía Láctea forma parte de un grupo de unas decenas de galaxias, llamado Grupo Local. [Los] cúmulos se agrupan en supercúmulos. El nuestro se llama Laniakea. Y los supercúmulos se agrupan en estructuras filamentosas, dando lugar a lo comúnmente llamada estructura a gran escala del universo” (también llamada web cósmica).

Se inicia el capítulo primero, “El universo a la mayor escala” [pp. 15-48], recordando que “el principio cosmológico [dice] que el universo es homogéneo e isótropo. [Se] supone que la homogeneidad comienza a ser observable a escalas superiores a unos 1000 Mpc”. Y, por supuesto, “la conclusión de que el principio cosmológico implica un universo infinito es excesivamente ingenua. [Este] principio equivale a decir que todos los observadores fundamentales pueden tener el mismo tiempo, [llamado] tiempo cósmico”.

Tras una breve biografía del “astrónomo renacentista Giordano Bruno (1548-1600), [quien] sentó las bases de la cosmología moderna”, se presenta la expansión del universo y la ley de Hubble. “Quien primero escribió la ley de Hubble fue [el] teórico Willem de Sitter (1872-1934) basándose en consideraciones relativistas, [porque] la cosmología es un problema relativista”. Por supuesto, el horizonte cosmológico no implica que el universo sea un agujero negro. “Esta idea no es correcta puesto que [un] universo homogéneo no puede tener singularidades, como las tiene un agujero negro”.

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El contenido del universo según la misión espacial Planck requiere una aclaración: “ni la materia oscura ni la energía oscura son conceptos nuevos. [La] energía oscura fue propuesta por Einstein, mientras que la materia oscura fue descubierta por Fritz Zwicky en un cúmulo de galaxias”. Una “breve historia del universo” destaca cómo cambia la ecuación de estado del universo como un fluido según la teoría del big bang (a partir del recalentamiento tras la inflación cósmica).

“Los cúmulos de galaxias” [pp. 49-96], el segundo capítulo, recuerda que fue Hubble quien reconoció “la diferencia entre nébulas intragalácticas, o nebulosas, y nébulas extragalácticas, o galaxias, [al] haber apreciado las dimensiones reales del universo. [Las] galaxias son esencialmente materia oscura, siendo la materia ordinaria visible una componente minoritaria, de solamente el 10%, en números redondos”.

Tras una buena explicación de la “curva real de rotación de una galaxia espiral”, observada gracias al gas galáctico, “básicamente hidrógeno, [que] tiene una línea de emisión en su espectro a 21 cm, [que] se observa con radiotelescopios. [La] rotación hace que una parte de la galaxia se aleje y otra se acerque [que] se manifiesta en un ensanchamiento de las líneas espectrales. [Para] la raya de 21 cm cuya [esta] anchura será Δv=2v. [Y] se observa una relación de la luminosidad y la rotación de las galaxias espirales del tipo L∝(Δv)α, siendo α≈4″.

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Marshall L. McCall, “A Council of Giants,” MNRAS (2014) doi: 10.1093/mnras/stu199.

Se describe con cierto detalle “el Grupo Local de galaxias” que está en el centro de “el Concilio de Gigantes”, incluyendo figuras explicativas. El Concilio es “un anillo formado por numerosas galaxias entre las que cabe destacar unas 14 galaxias gigantes; muy aplanado, menos de medio Mpc de espesor, [tiene] un radio de mayor densidad de galaxias de unos 3 Mpc”. Los cúmulos de galaxias se caracterizan por “un perfil isotermo. Para alcanzar este perfil, se necesita alcanzar un equilibrio establecido por la autogravitación. Más técnicamente, se dice que el sistema está virializado“.

“Los cúmulos poseen grandes cantidades de materia oscura. La relación masa-luminosidad (M/L) es aproximadamente 400, tomando los valores solares como unidad para L y para M. Este valor es muy superior al encontrado en las galaxias, del orden de 30, pero, aún así, muy inferior al necesario para ‘cerrrar’ el universo, unos 2200”. Tras describir el “efecto Sunyáev-Zeldóvich” se explica cómo se determina “el campo magnético de la Vía Láctea a partir de la emisión sincrotrón medida por la misión espacial Planck”. Finaliza el capítulo dos hablando de “lentes gravitatorias”.

El tercer capítulo, “La estructura a gran escala del universo” [pp. 97-125], nos recuerda “que no existen los super-super-cúmulos. Los supercúmulos se agregan alineándose en grandes filamentos, en ocasiones en grandes paredes. Los filamentos se unen en vértices, formando una red, dejando entre ellos zonas de grandes vacíos. [En] órdenes de magnitud, una galaxia es hoy un millón de veces más densa que la media del universo. Un cúmulo, unas diez mil veces más denso que la media. Un supercúmulo, unas diez veces más denso que la media”.

[youtube=https://www.youtube.com/watch?v=rENyyRwxpHo]

Se describe cómo hemos descubierto a “Laniakea”, nuestro supercúmulo. “[En] un lenguaje un poco más técnico, se dice que los cúmulos ricos están virializados; los supercúmulos, no”. Por ello, Laniakea es un objeto dinámico que converge hacia cierto punto. “Los cúmulos clásicos más conocidos que componen Laniakea son Virgo, Hydra, Centaurus y Ophiuchus, y el punto de convergencia no se encuentra en el cúmulo de Virgo sino en el de Norma”.

“Filamentos y vacíos” nos presenta “el famoso ‘monigote'” que se observa hasta z=0,05, la cartografía galáctica SDSS (Sloan Digitized Sky Survey) hasta z=0,25, incluyendo la “Gran Muralla Sloan”. Los “bosques de Lyman-alfa” se han obtenido gracias a que “la luz de [un] quásar se ve absorbida por nubes de hidrógeno existentes entre él y nosotros. Estas nubes están situadas a distintas distancias y, por tanto, se encuentran rayas de absorción con diferentes desplazamientos al rojo. [En] realidad es solamente la misma raya repetida cientos de veces”.

Me ha gustado la descripción de la “teoría de la formación de estructuras” donde Battaner no tiene miedo de hablar de “la masa de Jeans en el medio interestelar” y su evolución a lo largo de la historia del universo. También se describe la teoría de “el crecimiento de las perturbaciones”, las “oscilaciones acústicas de bariones” y “el efecto de Sachs-Wolfe integrado”. Por supuesto, todo ello a nivel divulgativo.

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El cuarto capítulo, “El fondo cósmico de microondas” [pp. 127-132], que nos da “una idea de cómo es el universo a mayor escala del horizonte. [Este] modelo reducido es mil cien veces más pequeño; tiene una escala de 1/1100. Pero no vemos en él cómo es el universo hoy sino cómo era cuando era muy pequeño. La imagen obtenida es absolutamente fascinante”. Aunque este capítulo está muy bien, me parece el más flojo del libro (parece como si a Battaner le faltaran páginas para contar lo que le gustaría contar). Hubiera estado muy bien que la colección Un Paseo por el Cosmos de RBA incluyera un libro de Battaner sobre el CMB.

Tras contar la historia de la predicción teórica y el descubrimiento experimental, se discute “el cuerpo negro del CMB”. Porque “el observador ideal del cuerpo negro es el que está dentro de él, para no tener que hacer agujeritos innecesarios. En el laboratorio esto es prácticamente imposible. Pero en el cosmos, nosotros, observadores, estamos dentro del cuerpo negro. Todo el universo es el cuerpo negro”.

“La anisotropía dipolar” lleva a “la separación de componentes” para obtener “el espectro de anisotropías angulares”. Se destaca que “la superficie de último scattering, su horizonte, visto desde aquí, hoy, correspondería a un ángulo de 1º, aproximadamente. Por tanto, un ángulo de 1º separa la región de conexión causal de la conexión causalmente desconectada. Así, habrá escalas superhorizonte y escalas subhorizonte. [Las] anisotropías superhorizonte definen lo que se llama región de Sach-Wolfe del espectro, [que] nos llevan al llamado problema del hizonte, solucionado con el concepto de periodo inflacionario del universo”.

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Se menciona la “polarización del CMB” en “inflación y ondas gravitatorias”, donde no faltan menciones a BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) y a QUIJOTE (Q U I JOint TEnerife). La pena es que el libro se acaba y todo se queda en simples menciones. Sin lugar a dudas un libro de Battaner sobre estos temas sería muy de agradecer (Eduardo, si lees esto, ya sabes…).

En resumen, un gran libro que disfrutará todo el mundo. Para quienes hayan estudiado cosmología hace más de quince años se trata de una puesta al día muy necesaria. Todo aficionado a la cosmología debería degustar este libro.



7 Comentarios

  1. Es increíble la cantidad de información que podemos extraer del CMB: la cantidad de masa-energía total del Universo, su curvatura, la constante de Hubble, la cantidad de materia barionica, la cantidad de materia oscura, la “cantidad” de energía oscura… solo hace falta que nos diga quien va a gobernar el país los próximos 4 años 🙂 Por si fuera poco el año pasado Nima Arkani-Hamed y Maldacena publicaron un paper donde indicaban que podriamos conocer la existencia de nuevas partículas de masas enormes analizando las no-gaussianidades del CMB. Es absolutamente increíble el poder de la ciencia. En mi opinión, el misterio más grande y profundo del Universo que sigue sin resolverse es la naturaleza fundamental del espacio-tiempo. Esa entidad 4 dimensional dinámica que se “deforma” en la presencia de masa-energía dista mucho de ser el marco estático y vacío en el que suceden los acontecimientos que nosotros intuimos. De hecho, nosotros estamos continuamente viajando una distancia ct en la dimensión temporal, por eso seguimos sintiendo la “curvatura” que crea la Tierra (la gravedad) aunque no viajemos en el espacio (en el sistema de referencia nosotros-Tierra). Un rayo de luz viaja menos distancia en la dimensión temporal, de hecho viaja igual distancia en el espacio que en el tiempo. 100 años después de la RG y creo que aún no hemos asimilado todas sus increíbles implicaciones. ¿Por que siempre viajamos esa cantidad fija en el espacio-tiempo (ST)? ¿Porqué c? ¿De que está hecho el ST? ¿Es fundamental o emergente? ¿Que sucede dentro de un agujero negro? En el marco de las dualidades y cuerdas existe un “mínimo tamaño de ST” la dualidad T nos dice que R es igual a 1/R. La dualidad ADS/CFT nos dice que la gravedad surge como producto de la interacción de partículas fundamentales que viven en el borde conforme y en una dimensión menor. ¿Como debemos interpretar esto? ¿Que papel juega el entrelazamiento y la complejidad? Las Matemáticas prometen darnos las respuestas. ¿Podrá la Física corroborarlas experimentalmente? ¿Sabremos pronto las respuestas?
    Hace poco leí un paper en el que se especulaba algo increíble: en un espacio dS (como el nuestro aproximadamente) la dirección temporal emergería holograficamente como resultado de la expansión de una esfera que representa la entropía de entrelazamiento de partículas fundamentales en el borde conforme de nuestro espacio. ¿Ciencia ficción o realidad? Con un poco de suerte pronto lo sabremos…

  2. Pues Battaner dará una charla el 6 de mayo en la Universidad de Granada, titulada “Historia del concepto de gravitación”, en el marco del programa de doctorado FisyMat. También habrá otras charlas: “Agujeros negros (cuánticos)” de Roberto Emparan el 22 de abril y “El dilema de la longevidad de los agujeros negros en evaporación” de Carlos Barceló el 29 de abril (según informa el boletín 486 de la RSME).

    ¡Un saludo!

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