El Universo alberga alrededor de 2 billones de galaxias, organizadas en grupos, cúmulos y supercúmulos. Estas estructuras se extienden a lo largo de millones de años luz, formando una red cósmica compleja. Sin embargo, esta jerarquía de estructuras no se repite indefinidamente.
Un modelo de la red cósmica, mostrando galaxias luminosas agrupándose donde los filamentos de gas se encuentran.
Imagen: ESA / Springel et al., Virgo Consortium
Benoit Mandelbrot popularizó el concepto de fractales a mediados del siglo XX. Una fractal es una estructura definida por una fórmula matemática única, que conserva su forma a todas las escalas. Mandelbrot se preguntó si el Universo podría ser una fractal.
Las fractales son omnipresentes en la naturaleza, desde las ramas de un árbol hasta los contornos de un copo de nieve. Mandelbrot exploró si el Universo, al alejarse, revelaba estructuras repetitivas. De hecho, observamos una jerarquía de estructuras a diferentes escalas.
Sin embargo, esta jerarquía tiene un límite. A una escala de aproximadamente 300 millones de años luz, el Universo se vuelve homogéneo, sin estructuras más grandes. Por lo tanto, el Universo no es una fractal, aunque algunas partes de la red cósmica presentan propiedades fractales.
Los halos de materia oscura, que albergan galaxias y sus cúmulos, forman estructuras anidadas, con subhalos y sub-subhalos. Del mismo modo, los vacíos del Universo no están completamente vacíos, conteniendo algunas galaxias enanas dispuestas en una versión sutil de la red cósmica.
Así, aunque el Universo en su conjunto no es una fractal, las propiedades fractales son omnipresentes en sus estructuras complejas. Las simulaciones por computadora revelan sub-vacíos que contienen sus propias redes cósmicas, mostrando la riqueza y complejidad del Universo.
¿Qué es una fractal?
Una fractal es una figura geométrica o un conjunto natural que posee una estructura compleja y detallada a todas las escalas. El concepto fue popularizado por Benoit Mandelbrot, quien mostró cómo estas formas aparecen en la naturaleza, desde las costas marítimas hasta las estructuras de las plantas.
Las fractales se definen mediante fórmulas matemáticas que generan patrones repetitivos. Estos patrones son auto-similares, lo que significa que conservan su apariencia independientemente de la escala a la que se observen.
En el contexto cosmológico, las fractales se han considerado como un modelo posible para la estructura del Universo. Sin embargo, las observaciones muestran que el Universo se vuelve homogéneo a gran escala, lo que limita la aplicabilidad del modelo fractal al conjunto del cosmos.
¿Y la materia oscura en todo esto?
La materia oscura juega un papel crucial en la formación y evolución de las estructuras cósmicas. Invisible y sin radiación, ejerce una atracción gravitacional que moldea la distribución de las galaxias y los cúmulos de galaxias.
Los halos de materia oscura, vastas nubes de esta sustancia aún misteriosa, rodean las galaxias y sus cúmulos. Estos halos contienen subestructuras, como subhalos, que albergan galaxias más pequeñas.
Las simulaciones por computadora muestran que la materia oscura forma una red cósmica compleja, con filamentos y vacíos. Esta red influye en la distribución de la materia visible, como las estrellas y las galaxias, y juega un papel clave en la estructura a gran escala del Universo.