Cuando miramos al cielo estrellado, solemos imaginar que las galaxias están repartidas de forma más o menos uniforme por el espacio. Pero nada más lejos de la realidad.
Si pudiéramos alejarnos lo suficiente como para ver el universo en su conjunto, descubriríamos que las galaxias se agrupan formando una inmensa red tridimensional de filamentos, cúmulos y vacíos. A esta gigantesca red se le conoce como la estructura a gran escala del universo y es una de las maravillas más impresionantes de la cosmología moderna.
Instantánea de la simulación lIllustris, centrada en un cúmulo masivo. Muestra la densidad de la materia oscura superpuesta al campo de velocidad del gas. Crédito: Illustris Collaboration
La red cósmica: cómo surgió la estructura a gran escala
La historia de la estructura a gran escala comienza en los primeros instantes después del Big Bang. En esos momentos, el universo era extraordinariamente simple: una sopa caliente y densa de partículas elementales, tan uniforme que cualquier región parecía idéntica a cualquier otra. Pero en esa aparente uniformidad perfecta se escondían las semillas de toda la complejidad que vendría después.
El primer indicio de estas semillas lo encontramos en una de las observaciones más importantes de la cosmología moderna: el fondo cósmico de microondas. Esta radiación es la primera luz que pudo viajar libremente por el espacio cuando el universo tenía apenas 380.000 años de edad. En esa época, la temperatura había bajado lo suficiente como para que los electrones se combinaran con los núcleos atómicos, haciendo el universo transparente por primera vez.
Cuando los científicos cartografiaron esta radiación, con satélites como COBE, WMAP y Planck, descubrieron algo extraordinario. Aunque a primera vista el fondo cósmico de microondas parecía perfectamente uniforme, un análisis más detallado reveló minúsculas variaciones de temperatura, del orden de unas pocas millonésimas de grado. Estas fluctuaciones, aparentemente insignificantes, eran en realidad la huella digital de las primeras irregularidades en la distribución de la materia.
Las regiones ligeramente más calientes correspondían a zonas con un poco más de materia de lo normal, mientras que las regiones más frías marcaban lugares donde había un poco menos. Estas diferencias eran tan pequeñas que representaban variaciones de densidad de apenas una parte en cien mil. Pero fueron suficientes para cambiar el destino del universo.
A partir de ese momento entró en juego la fuerza de la gravedad. Las regiones con algo más de materia ejercían un poco más de atracción gravitatoria, lo que hacía que más materia cayera hacia ellas. Este proceso se retroalimentaba: cuanta más materia se acumulaba, más fuerte se volvía la atracción, y más materia adicional llegaba. Mientras tanto, las regiones que habían empezado con menos materia se fueron vaciando progresivamente y haciéndose cada vez menos densas.
Este proceso, conocido como inestabilidad gravitacional, actuó durante miles de millones de años. Las variaciones casi imperceptibles del comienzo se convirtieron en diferencias dramáticas. Las zonas más densas formaron las primeras estrellas, luego las primeras galaxias, después grupos de galaxias, y finalmente los enormes cúmulos y supercúmulos que vemos hoy. Las regiones menos densas se convirtieron en los vacíos cósmicos, enormes burbujas de espacio casi vacío que pueden tener cientos de millones de años luz de diámetro.
DESI: cartografiando el universo a grandes escalas
En el desierto de Arizona, en la cima de la montaña Kitt Peak, se alza una de las máquinas más ambiciosas jamás construidas para estudiar el cosmos. El Dark Energy Spectroscopic Instrument, conocido simplemente como DESI, representa un salto inmenso en nuestra capacidad para cartografiar el universo.
DESI no es simplemente un telescopio más grande o más sensible. Es una máquina de precisión diseñada específicamente para abordar uno de los mayores misterios de la cosmología moderna: la naturaleza de la energía oscura. Esta misteriosa fuerza, que constituye aproximadamente el 70% de todo lo que existe en el universo, parece estar acelerando la expansión cósmica, pero no tenemos ni idea de qué es realmente.
En esta imagen cada punto representa la distancia desde la tierra (centro) a las galaxias observadas con DESI. Entre los objetos se encuentran galaxias cercanas brillantes (en amarillo), galaxias rojas luminosas (en naranja), galaxias con líneas de emisión (en azul), y cuásares (en verde). La estructura a gran escala del universo es visible en la imagen del recuadro, que muestra la región de estudio más densa y que representa menos del 0,1% del volumen total observado durante los primeros tres años. DESI se encuentra instalado en el en el Telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros del Observatorio Nacional Kitt Peak. Créditos: DESI Collaboration/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/C. Lamman
Para enfrentarse a este problema, DESI necesita medir las posiciones y distancias de decenas de millones de galaxias con una precisión sin precedentes. Y aquí es donde la ingeniería se vuelve verdaderamente impresionante: el corazón de DESI es un sistema de 5.000 pequeños robots que pueden moverse independientemente para apuntar fibras ópticas hacia galaxias específicas en el cielo y obtener sus espectros.
Cada espectro contiene información crucial sobre la galaxia que lo emitió. La clave está en el desplazamiento al rojo: debido a la expansión del universo, la luz de las galaxias distantes se estira hacia longitudes de onda más rojas. Cuanto más lejos está una galaxia, mayor es su desplazamiento al rojo. Al medir este desplazamiento con precisión, DESI puede determinar no sólo dónde está cada galaxia en el cielo, sino también a qué distancia se encuentra, construyendo así un mapa tridimensional del cosmos.
¿Y para qué queremos saber esto con tanto detalle? Porque, al reconstruir el mapa tridimensional del universo con tanta precisión, podemos estudiar con mucha más claridad cómo se agrupan las galaxias, qué formas adoptan los filamentos y vacíos, y cómo ha ido cambiando esa estructura a lo largo del tiempo. DESI está diseñado para observar galaxias a diferentes distancias, lo que equivale a mirar el universo en distintas épocas de su evolución. Es, en cierto modo, una máquina del tiempo cósmica.
El proyecto DESI es verdaderamente internacional, con participación de instituciones de todo el mundo, pero España juega un papel particularmente importante en esta historia. El Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) ha sido clave en el desarrollo de la tecnología que hace posible DESI. Después de más de una década de investigación y desarrollo, el equipo del IAA contribuyó al diseño y desarrollo de los posicionadores robóticos de fibra óptica que son el corazón del instrumento.
Estos pequeños robots, que parecen simples a primera vista, representan un triunfo de la ingeniería de precisión. Cada uno debe ser capaz de moverse a su posición con una precisión de pocas micras, mantener esa posición estable durante largos períodos de observación, y hacerlo de manera fiable noche tras noche durante años. El desarrollo de esta tecnología requirió innovaciones en mecánica de precisión, control robótico y sistemas de calibración, todo desarrollado en colaboración entre el IAA, empresas españolas y socios internacionales.
Desde que comenzó sus operaciones científicas en mayo de 2021, DESI ha superado todas las expectativas. En sus tres primeros años de funcionamiento ha cartografiado más de 30 millones de galaxias y cuásares, creando el mapa tridimensional más grande y detallado del universo jamás realizado. Pero esto es solo el comienzo. Cuando DESI complete su misión de cinco años, habrá observado más de 40 millones de objetos cósmicos, creando un legado de datos que mantendrá ocupados a los cosmólogos durante décadas.
DESI ya ha hecho públicos sus primeros catálogos de galaxias de un año completo de medidas y ha mostrado su potencial para revolucionar nuestra comprensión del universo. En los próximos años, se espera que sus datos se conviertan en una referencia esencial para todos los estudios cosmológicos, ayudando no solo a confirmar teorías actuales, sino, tal vez, también a descubrir desviaciones que nos obliguen a replantearnos algunas ideas fundamentales.
Simulando el universo con Uchuu
Observar el universo es solo la mitad del trabajo. La otra mitad consiste en entender lo que vemos. Y, para eso, los cosmólogos necesitan una herramienta muy poderosa: las simulaciones numéricas del cosmos. Entre ellas, las llamadas simulaciones de N-cuerpos ocupan un lugar central, pues nos permiten recrear, paso a paso, la evolución de la estructura a gran escala desde los primeros instantes del universo hasta la actualidad.
¿En qué consisten estas simulaciones? En esencia, consisten en modelar cómo evoluciona un gran número de partículas que representan la materia oscura —el ingrediente dominante en la formación de estructuras— bajo la influencia de la gravedad. Cada partícula interactúa con las demás y, al integrar sus trayectorias durante miles de millones de años virtuales, los científicos pueden ver cómo se forman cúmulos, filamentos, vacíos y halos de materia que darán lugar a las galaxias.
Una de las simulaciones más ambiciosas jamás realizadas en este campo es Uchuu (que significa “universo” en japonés). Esta colosal simulación, realizada por un consorcio internacional liderado por científicos de Granada y Chiba, en Japón, modela más de dos billones de partículas en un volumen de diez mil millones de años luz de lado. Gracias a su enorme resolución y tamaño, Uchuu nos ofrece un retrato extremadamente detallado de cómo se organiza la materia en el cosmos a gran escala.
La distribución de la materia oscura en una instantánea de Uchuu. Las imágenes muestran el halo de materia oscura del mayor cúmulo de galaxias formado en la simulación a diferentes aumentos. Crédito: Tomoaki Ishiyama
¿Pero por qué son tan importantes simulaciones como Uchuu para proyectos como DESI? Porque sin ellas sería imposible interpretar los datos observacionales con precisión. Por un lado, nos permiten generar catálogos sintéticos de galaxias como las observadas con DESI, donde sabemos con exactitud qué leyes físicas se han aplicado. Estos catálogos sirven como banco de pruebas para nuestras técnicas estadísticas y nos ayudan a estimar los errores y sesgos de nuestros análisis, algo fundamental cuando trabajamos con millones de objetos y queremos medir efectos muy sutiles, como las oscilaciones acústicas bariónicas (BAO) o la distorsión del espacio-tiempo por materia oscura.
Además, las simulaciones permiten explorar distintas cosmologías. Podemos cambiar los parámetros fundamentales —como la densidad de materia, la constante de Hubble o la naturaleza de la energía oscura— y ver cómo cambian las estructuras resultantes. Así, cuando comparamos los datos reales de DESI con los resultados simulados, podemos descartar modelos que no encajan y afinar nuestras teorías sobre el origen y evolución del universo.
Uchuu tiene una ventaja añadida: no solo simula la materia oscura, sino que sus datos se pueden enriquecer con modelos de formación de galaxias y efectos observacionales. Esto permite construir cartografiados que reproducen lo que vería un telescopio desde la Tierra y aplicar errores sistemáticos similares a los que sufre un cartografiado real como DESI. El resultado es un “universo virtual” extremadamente realista, que podemos analizar con las mismas herramientas que usamos en los datos reales.
En resumen, las simulaciones de N-cuerpos son el laboratorio teórico del cosmólogo. Y proyectos como Uchuu son esenciales para que el enorme caudal de datos que genera DESI pueda traducirse en conocimiento. En un sentido muy real, necesitamos simular el universo para entender el que vemos.
Además, el grupo de DESI en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) ha generado cartografiados sintéticos utilizando la simulación Uchuu, replicando con gran precisión las condiciones del cartografiado real. En particular, se han construido catálogos simulados que cubren el 1% del área total del cartografiado DESI, aplicando los mismos errores instrumentales y criterios de selección que afectan a los datos observacionales. Este paso es crucial para validar nuestras metodologías de análisis, ya que nos permite cuantificar sistemáticamente los sesgos y errores en la interpretación de los datos. Actualmente, se está extendiendo este trabajo para generar catálogos de galaxias coherentes con las observaciones tras uno y tres años de datos, lo que proporcionará una base robusta para las futuras comparaciones cosmológicas y la extracción de parámetros fundamentales del universo.
Visualización de una porción del universo simulado usando los catálogos Uchuu-DESI, donde los objetos están coloreados según su tipo: galaxias BGS (azul), LRG (verde), ELG (naranja) y cuásares QSO (rojo). La imagen muestra una cuña de 80 grados de ancho, proyectada en coordenadas que representan distancias reales en el universo, usando un modelo cosmológico basado en las observaciones de Planck. Créditos: PRADA ET AL. 2024.
El futuro del universo
La estructura a gran escala del universo que estamos cartografiando hoy es solo una instantánea de un momento en la historia cósmica. El universo está en constante evolución, impulsado por fuerzas que apenas estamos empezando a entender. La energía oscura continúa acelerando la expansión, estirando el espacio y haciendo que las galaxias distantes se alejen cada vez más rápido.
En el futuro lejano, esta aceleración podría llevar a escenarios dramáticos. Si la energía oscura continúa fortaleciéndose, podría eventualmente superar no solo la gravedad a gran escala, sino también las fuerzas que mantienen unidas a las galaxias, los sistemas estelares e, incluso, los átomos. Este escenario, conocido como el “Gran Desgarramiento”, representa uno de los posibles destinos finales del universo.
Pero también es posible que la energía oscura cambie con el tiempo, como sugieren algunos de los primeros resultados de DESI. Si la energía oscura se debilita, la expansión del universo podría desacelerarse e incluso invertirse, llevando eventualmente a un “Gran Colapso”. O tal vez la energía oscura se comporte de maneras que aún no hemos imaginado, llevando al universo por caminos que ni siquiera podemos predecir.
Lo que es seguro es que cada nuevo descubrimiento nos acerca un paso más a entender nuestro lugar en este cosmos vasto y misterioso. En este gran proyecto de cartografiar y entender el universo, cada observación de DESI, cada partícula simulada en Uchuu, y cada nuevo análisis teórico nos acerca un poco más a responder las preguntas más profundas que la humanidad se ha planteado: ¿cómo surgió el universo que observamos y cuál será su destino final?
Simulación de la estructura a gran escala del universo, mostrando un cúmulo de galaxias masivo, filamentos y vacíos. Créditos: Proyecto Uchuu / Ishiyama et al. (2021)