El Vacío de Bootes: cómo los astrónomos encontraron un agujero de 330 millones de años luz en el universo

En 1981, un equipo de astrónomos que cartografiaba las distancias a las galaxias esperaba encontrar más de lo mismo: galaxias repartidas de forma bastante uniforme por el cielo, igual que las estrellas se reparten en una noche despejada. En cambio, cuando miraron hacia la constelación de Bootes (el Boyero), no encontraron casi nada. Una región del espacio de unos 330 millones de años luz de extensión albergaba apenas una pequeña fracción de las galaxias que debería haber tenido. El equipo había tropezado con uno de los lugares más vacíos que se conocen en el universo, hoy llamado el Vacío de Bootes (Bootes Void).

La historia suele contarse con una célebre frase atribuida al astrónomo Greg Aldering, usada para transmitir la escala del vacío: si la Vía Láctea hubiera estado en el centro del Vacío de Bootes, no habríamos sabido que existían otras galaxias hasta la década de 1960. Sea exacta o no la cita, la idea se sostiene. El vacío es tan grande y tan vacío que una civilización dentro de él podría haber pasado décadas creyendo que su propia galaxia estaba sola.

Cómo se descubrió el vacío

El descubrimiento surgió de un sondeo de corrimiento al rojo (redshift survey) dirigido por Robert Kirshner y sus colegas, que entonces trabajaban en construir un mapa tridimensional del universo local. El corrimiento al rojo de una galaxia -cuánto se estira su luz hacia longitudes de onda más largas por la expansión cósmica- sirve como aproximación a su distancia. Al medir los corrimientos al rojo de muchas galaxias, los astrónomos pueden reconstruir dónde se sitúan esas galaxias en profundidad, no solo dónde aparecen sobre el cielo plano.

Cuando el equipo de Kirshner representó sus resultados en la dirección de Bootes, apareció una vasta región de baja densidad. El artículo de 1981 en The Astrophysical Journal, titulado "A million cubic megaparsec void in Bootes" ("Un vacío de un millón de megapársecs cúbicos en Bootes"), dio cuenta del hallazgo. El descubrimiento fue en parte accidental, un subproducto de un sondeo diseñado con otros fines, lo que en parte explica por qué se recuerda como una sorpresa genuina y no como la confirmación de una teoría.

El trabajo posterior, en los años siguientes, afinó la imagen. En lugar de estar perfectamente vacío, resultó que el vacío contenía una modesta población de galaxias, muchas de ellas dispuestas en un filamento con forma de tubo que atraviesa la parte central. Las estimaciones sitúan el recuento en unas 60 galaxias dentro de una región donde la densidad galáctica estándar predeciría algo más cercano a 2.000. Así que el Vacío de Bootes no es un vacío absoluto. Es una región donde las galaxias son extraordinariamente escasas, del orden de una décima parte o menos del promedio cósmico.

Cuán grande y cuán vacío

Algunos números ayudan a fijar la escala:

• Diámetro: unos 330 millones de años luz de extensión, lo que lo convierte en uno de los vacíos más grandes que se conocen (algunas fuentes lo describen como un "supervacío", o supervoid).
• Distancia: aproximadamente 700 millones de años luz de la Tierra, en dirección a la constelación de Bootes.
• Recuento de galaxias: del orden de 60 galaxias confirmadas en su interior, frente a las ~2.000 que albergaría un volumen poblado comparable.

Conviene ser precisos sobre lo que significa "vacío" aquí. La región tiene baja densidad, no está desprovista de toda materia. Todavía contiene gas difuso, materia oscura y el puñado de galaxias mencionado antes. Lo llamativo es el contraste con su entorno, no una ausencia absoluta de materia.

Por qué existen los vacíos

Aquí está el punto crucial que a menudo se pierde en los relatos dramáticos: la existencia de grandes vacíos no es un misterio. Es una predicción. La cosmología moderna espera que el universo tenga este aspecto.

En el modelo estándar de la cosmología, conocido como Lambda-CDM, el universo comenzó casi uniforme, con solo diminutas fluctuaciones de densidad impresas en el universo muy temprano. A lo largo de miles de millones de años, la gravedad amplificó esas fluctuaciones. Las regiones ligeramente más densas atrajeron más materia y se volvieron aún más densas, mientras que las regiones ligeramente menos densas cedieron materia a sus vecinas y se vaciaron cada vez más. El resultado final es lo que los astrónomos llaman la red cósmica (cosmic web): una estructura esponjosa de filamentos densos y láminas de galaxias que rodean burbujas enormes y casi vacías.

Los vacíos son las burbujas. No son anomalías en este cuadro. Son el complemento natural de los filamentos, el espacio vacío entre las hebras de la red. Las simulaciones cosmológicas que parten del universo temprano y dejan que la gravedad avance en el tiempo producen vacíos de forma fiable, incluidos algunos muy grandes.

Entonces, ¿por qué sigue recibiendo atención el Vacío de Bootes? En parte porque su enorme tamaño lo coloca hacia el extremo grande de lo que los modelos producen con comodidad. Un vacío de este tamaño no es imposible bajo Lambda-CDM, pero es poco común, y su existencia es una prueba útil de cuán bien encaja nuestra teoría de la formación de estructuras con la realidad. Estudiar los vacíos más grandes ayuda a calibrar los modelos.

Lo establecido frente a lo abierto

Vale la pena separar lo que se sabe con solidez de lo que sigue siendo incierto.

Establecido:

• El Vacío de Bootes es real, confirmado repetidamente por múltiples sondeos desde 1981.
• Tiene una densidad muy baja, con muchas menos galaxias que el promedio.
• La existencia general de grandes vacíos cósmicos queda bien explicada por el crecimiento gravitatorio de la estructura en Lambda-CDM.

Aún en discusión:

• Si el tamaño del Vacío de Bootes es plenamente típico para el modelo estándar, o si se sitúa en la rara cola de la distribución.
• Las propiedades detalladas de las pocas galaxias de su interior, incluido si las galaxias de vacío forman estrellas de manera diferente por evolucionar en relativo aislamiento.

Esa última cuestión es genuinamente interesante y es objeto de investigación activa. Las galaxias que crecen dentro de vacíos tienen pocas vecinas con las que interactuar o fusionarse. Estudios que utilizan grandes sondeos como el Sloan Digital Sky Survey han examinado si las galaxias de vacío son más azules, más ricas en gas o forman estrellas a ritmos distintos que las galaxias de entornos más densos. Las diferencias halladas son reales pero por lo general modestas, lo que sugiere que el entorno moldea las galaxias en cierta medida, pero no reescribe su naturaleza básica.

Lo que el vacío no es

Como el Vacío de Bootes resulta espectacular, a veces da pie a exageraciones. Algunas aclaraciones:

• No es un agujero negro ni un desgarro en el espacio. Es simplemente una región con muy poca materia. Nada está siendo engullido.
• No es prueba de ingeniería alienígena. No hay base científica para esa idea, y nada en el vacío exige una explicación exótica. La gravedad ordinaria actuando durante miles de millones de años lo explica.
• No rompe la física. En todo caso, los grandes vacíos son una confirmación de que nuestro cuadro general de la formación de la estructura cósmica funciona.

El misterio honesto, en la medida en que lo haya, es cuantitativo más que cualitativo. La pregunta no es "¿cómo puede existir un vacío?", sino "¿es un vacío de este tamaño plenamente compatible con las estadísticas que predicen nuestros mejores modelos?". Esa es una cuestión de detalle fino, del tipo que los cosmólogos ponen a prueba comparando muchos vacíos a lo largo de grandes sondeos con simulaciones.

Cómo los astrónomos cartografían el vacío

Puede parecer extraño hablar de medir una región definida por lo que no hay, pero los cosmólogos han desarrollado herramientas cuidadosas precisamente para esto. El primer ingrediente es un sondeo de galaxias: un catálogo de posiciones y corrimientos al rojo de cientos de miles o millones de galaxias. Proyectos como el Sloan Digital Sky Survey y los anteriores sondeos de corrimiento al rojo de galaxias convirtieron el cielo bidimensional en un mapa tridimensional, con el corrimiento al rojo haciendo las veces de profundidad.

Una vez que tienes ese mapa, los algoritmos de búsqueda de vacíos rastrean regiones donde la densidad de galaxias cae muy por debajo del promedio cósmico. Distintos algoritmos definen los vacíos de manera ligeramente diferente -algunos hacen crecer esferas hacia afuera a partir de puntos vacíos hasta toparse con galaxias, otros usan la propia geometría de la distribución de galaxias-, lo que es una de las razones por las que los tamaños citados de los vacíos pueden variar entre estudios. La cifra de cabecera del Vacío de Bootes, de unos 330 millones de años luz, refleja este tipo de análisis aplicado a una región de densidad sorprendentemente baja.

Un matiz que vale la pena señalar: el corrimiento al rojo no es una medida perfecta de la distancia. Las galaxias tienen movimientos propios además de la expansión cósmica general, lo que difumina ligeramente sus posiciones aparentes en profundidad. Los astrónomos tienen en cuenta estas "distorsiones en el espacio de corrimiento al rojo" (redshift-space distortions) al caracterizar los vacíos, y las correcciones se comprenden bien. Ninguna de ellas hace desaparecer el Vacío de Bootes; solo afinan su forma y sus límites.

Vacíos por toda la red cósmica

El Vacío de Bootes es el más famoso, pero está lejos de ser el único. El universo está plagado de vacíos de muchos tamaños y, en conjunto, ocupan la mayor parte de su volumen. Las galaxias, en cambio, se concentran en las finas paredes y filamentos que hay entre los vacíos. Si pudieras alejar la vista lo suficiente, el cosmos se parecería menos a un mar de galaxias y más a una espuma de burbujas, con las galaxias trazando las películas de jabón entre ellas.

Esta arquitectura espumosa es precisamente lo que se espera que produzca la gravedad actuando sobre las pequeñas fluctuaciones del universo temprano. Se han catalogado otras regiones de baja densidad muy grandes en distintas partes del cielo, y los sondeos siguen encontrando más. La idea es que los vacíos son una característica genérica y esperada, y que el Vacío de Bootes se entiende mejor como un ejemplo particularmente grande y bien estudiado de un fenómeno totalmente ordinario, y no como un enigma único.

Por qué importa

Los vacíos no son meras curiosidades. Se están convirtiendo en herramientas cosmológicas serias. Como tienen baja densidad, la forma en que la luz y la materia se comportan en su interior es sensible a las propiedades de la energía oscura y a las leyes de la gravedad a las escalas más grandes. La historia de la expansión dentro de un vacío difiere sutilmente del promedio cósmico, y el potencial gravitatorio que un vacío labra puede dejar una tenue huella en el fondo cósmico de microondas a medida que la luz lo atraviesa.

Ese último efecto conecta el estudio de los vacíos con otras cuestiones de frontera en cosmología, incluidas las anomalías en el propio fondo de microondas. Cartografiar los vacíos en detalle, y comparar su abundancia y tamaños con las predicciones, ofrece una verificación independiente del modelo que también se apoya en las supernovas, el fondo de microondas y la agrupación de galaxias.

El Vacío de Bootes, hallado por accidente en 1981, resultó ser una ventana temprana a la verdadera arquitectura del cosmos: no un espolvoreo uniforme de galaxias, sino una vasta red estructurada que envuelve enormes burbujas de casi vacío. Esa arquitectura es uno de los auténticos triunfos de la cosmología moderna, y el vacío de Bootes fue una de las primeras pistas espectaculares de que el universo está construido de esa manera.

Fuentes y lecturas adicionales

• Wikipedia - Vacío de Bootes - https://en.wikipedia.org/wiki/Bo%C3%B6tes_Void
• Kirshner et al. 1981, A million cubic megaparsec void in Bootes, The Astrophysical Journal - https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1981ApJ...248L..57K/abstract
• NASA/IPAC Extragalactic Database - The Void in Bootes - https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Bothun2/Bothun3_5_3.html
• BBC Sky at Night Magazine - The Bootes Void - https://www.skyatnightmagazine.com/space-science/bootes-void
• Wikipedia - Void (astronomy) - https://en.wikipedia.org/wiki/Void_(astronomy)
• Wikipedia - Lambda-CDM model - https://en.wikipedia.org/wiki/Lambda-CDM_model