Hace más de 11.000 millones de años, en una región del cielo que hoy los astrónomos llaman campo COSMOS, diez grupos densos de galaxias estaban formando juntos una de las mayores estructuras del universo joven. Un equipo internacional dirigido desde la Universidad de Purdue ha reconstruido en tres dimensiones esa agrupación, llamada COSMOS-z3.1-A, y ha confirmado que es un protosupercúmulo con una masa unas 5000 veces mayor que la de la Vía Láctea.
Un protosupercúmulo es el antepasado de un supercúmulo, es decir, de un «cúmulo de cúmulos» de galaxias. Según NSF NOIRLab, el centro de astronomía óptica e infrarroja de la Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos, que anunció el hallazgo el 8 de septiembre, es el más lejano y temprano de su clase encontrado hasta ahora, ya que se observa tal como era cuando el universo tenía solo unos 2100 millones de años.
El trabajo lo dirigió Vandana Ramakrishnan, que se doctoró en Física en Purdue en mayo de 2026 y era estudiante de doctorado durante la investigación. La segunda autora es Ashley Ortiz, que participó en el proyecto como estudiante de grado de Purdue, y Kyoung-Soo Lee, profesor de Física y Astronomía de la Facultad de Ciencias de Purdue, supervisó la parte del estudio hecha en esa universidad.
«Con este proyecto esperamos entender el crecimiento de las estructuras masivas del universo y cómo influyen en la evolución de las galaxias que hay dentro de ellas», dijo Ramakrishnan en la nota de prensa de NOIRLab. «También esperamos hacernos una idea más clara de cómo se conectan estos protocúmulos con la red cósmica a mayor escala».
Cúmulos de galaxias que todavía se estaban formando
Los cúmulos de galaxias son las mayores estructuras del universo que se mantienen unidas por la gravedad. Pueden reunir miles de galaxias, se extienden a lo largo de millones de años luz y contienen enormes cantidades de materia oscura, que no se puede ver pero se detecta por la atracción que ejerce sobre la materia visible.
Los cúmulos cercanos son estructuras maduras que proceden de los llamados protocúmulos, agrupaciones enormes y poco ligadas de galaxias que se están fusionando pero que todavía no se han asentado en un cúmulo estable. Por eso, estudiar protocúmulos muy lejanos permite ver cómo crecieron los cúmulos actuales.
«Cuando miramos los cúmulos de galaxias del universo cercano, estamos viendo el producto terminado», explicó Eric Gawiser, profesor distinguido del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Rutgers y coautor del estudio. «Esta estructura lejana nos lleva a una etapa mucho más temprana, cuando las piezas individuales todavía se estaban juntando. Nos permite estudiar cómo construyó el universo sus estructuras a las escalas más grandes».
El sondeo ODIN encontró 150 protocúmulos lejanos
COSMOS-z3.1-A apareció primero en el sondeo ODIN (One-hundred-deg² DECam Imaging in Narrowbands), que dirigen Lee y Gawiser. Usa la Cámara de Energía Oscura (DECam), de 570 megapíxeles, montada en el telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros del Observatorio Interamericano de Cerro Tololo, en Chile, y ha dedicado más de 100 noches en tres años a fotografiar a fondo una gran parte del cielo austral.
ODIN usa filtros de banda estrecha para localizar galaxias emisoras de Lyman alfa, una luz característica del hidrógeno que delata a galaxias jóvenes en el universo temprano. Con esos datos, el equipo identificó unos 150 protocúmulos que se formaron cuando el universo tenía entre 1000 y 3000 millones de años, y se centró en COSMOS-z3.1-A y COSMOS-z3.1-C porque ambos mostraban concentraciones de galaxias inusualmente grandes.
Los nombres tienen su lógica. Según explica NOIRLab, COSMOS es el campo del cielo donde se hallaron, que apunta lejos del plano abarrotado de la Vía Láctea, y «z3.1» indica su desplazamiento al rojo, una medida relacionada con el tiempo que ha tardado su luz en llegar hasta nosotros.
El desplazamiento al rojo añadió la tercera dimensión
Las primeras imágenes mostraban dónde aparecían las galaxias en el cielo, pero no a qué distancia estaban de la Tierra. Dos galaxias separadas por distancias enormes pueden verse una al lado de la otra simplemente porque quedan alineadas desde nuestro punto de vista.
Para resolverlo, Ramakrishnan, Byeongha Moon, del Instituto Coreano de Astronomía y Ciencias Espaciales (KASI), y Nicole Firestone, estudiante de doctorado de Rutgers, dirigieron observaciones de seguimiento con espectrógrafos. Estos instrumentos descomponen la luz de cada galaxia y miden su desplazamiento al rojo, el estiramiento de la luz causado por la expansión del universo, lo que permite calcular su distancia.
«Las primeras imágenes nos dijeron que estas regiones del universo estaban excepcionalmente llenas de galaxias», dijo Firestone a Rutgers. «Al medir las distancias precisas a estas galaxias, pudimos confirmar que pertenecen a las mismas estructuras y revelar la verdadera forma de esas estructuras en 3D».
La mayoría de los espectros procede del instrumento DESI, instalado en el telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros del Observatorio Nacional de Kitt Peak, en Arizona, que puede medir la distancia a 5000 galaxias a la vez. El equipo sumó datos del espectrógrafo GMOS del telescopio Gemini Sur, en Chile, y del DEIMOS del telescopio Keck II, en Maunakea (Hawái).
En COSMOS-z3.1-A, los investigadores confirmaron 249 de unas 400 galaxias emisoras de Lyman alfa. Para el resto, el método asigna distancias de forma probabilística a partir de las confirmadas, y el proceso se repite 500 veces para obtener un mapa estadísticamente sólido.
«Para mí, lo más interesante fue poder visualizar de verdad estas estructuras en 3D», dijo Ortiz a Purdue. «Cuando miras una imagen normal del cielo, puede ser difícil saber cómo se relacionan las galaxias entre sí, porque todo está proyectado en dos dimensiones. Al incluir la información del desplazamiento al rojo y añadir la tercera dimensión, empiezas a ver galaxias que se agrupan e incluso rasgos filamentosos que conectan las regiones más densas».
Diez picos de densidad en COSMOS-z3.1-A y cuatro en COSMOS-z3.1-C
Los mapas revelaron diez concentraciones separadas de galaxias en COSMOS-z3.1-A y cuatro en COSMOS-z3.1-C. Ambas estructuras eran grumosas, irregulares y estiradas en el espacio, muy distintas de los cúmulos más redondeados y asentados que se ven en el universo cercano.
Los autores escriben en el estudio que los mapas muestran que ambos complejos son «irregulares y alargados a lo largo de un único eje», lo que pone de relieve «el impacto de la línea de visión en nuestra percepción de la morfología de las estructuras». También describen varias «colas» unidas a los núcleos de los picos, que «probablemente representan filamentos cósmicos que alimentan estas regiones extremadamente sobredensas».
Ese aspecto encaja con la idea de que el universo creció de abajo arriba, con estructuras pequeñas que se forman primero y se van fusionando en otras mayores. «Es probable que la subestructura grumosa que vemos en nuestros mapas 3D sea una prueba de este crecimiento ascendente», dijo Ramakrishnan. Según NOIRLab, esos grumos acabarán colapsando juntos y darán lugar a cúmulos de forma mucho más redondeada, como los actuales.
Los mapas 3D aportan además un detalle sobre las nubes gigantes de gas que brillan en Lyman alfa, conocidas como «blobs». Según los autores, hay «pruebas sólidas» de que estas nubes «residen preferentemente en las afueras de las regiones de mayor densidad», aunque el propio estudio admite que el origen físico de esa distribución sigue sin estar claro. Es otra pieza para entender cómo se forman las galaxias en los entornos más densos del universo temprano.
Menos de uno por cada 10.000 cúmulos de galaxias
«COSMOS-z3.1-A representa las regiones más extremas y más sobredensas del universo», dijo Ramakrishnan a NOIRLab. «¡Creemos que debería haber menos de un objeto así por cada 10.000 cúmulos de galaxias!».
Según el estudio, la masa que alcanzarán sus diez picos, sumados, será aproximadamente el doble que la del cúmulo de Coma. Los investigadores calculan que tanto COSMOS-z3.1-A como COSMOS-z3.1-C acabarán siendo más masivos que Coma, el mayor cúmulo de galaxias conocido del universo cercano.
El único otro protosupercúmulo conocido a gran distancia, Hyperion, se observa en una época posterior. El equipo tampoco encontró ninguna estructura comparable en la gran simulación por ordenador que usó para probar su método, y los autores escriben que encontrar análogos simulados «probablemente requerirá una caja de simulación mucho mayor».
«Creo que la distancia y la enorme escala de las estructuras que estudiamos son realmente extraordinarias», dijo Ramakrishnan a Purdue. «Son estructuras que contienen de cientos a miles de galaxias; ¡el protosupercúmulo tiene una masa 5000 veces la de la Vía Láctea!».
Lo que el mapa todavía no puede confirmar
Las masas futuras son estimaciones basadas en cuánto se concentran las galaxias, y los autores les atribuyen una incertidumbre de entre 0,2 y 0,3 dex, lo que significa que la cifra real podría ser aproximadamente hasta el doble o la mitad. Además, corrigieron a la baja esas masas por un factor de 2, porque en una estructura que colapsa el movimiento propio de las galaxias hace que la densidad parezca mayor.
No todas las galaxias tienen la distancia medida directamente: en COSMOS-z3.1-A faltan unas 150 de las 400, que el método coloca de forma probabilística. Las zonas de menor densidad que unen los picos pueden estar peor representadas que los núcleos, y según el estudio, confirmar que son estructuras realmente conectadas «requeriría espectroscopia adicional».
El grosor del mapa de COSMOS-z3.1-A a lo largo de la línea de visión viene fijado por completo por el filtro de ODIN, y no por la propia estructura, según precisan los autores. Y el número de nubes de Lyman alfa confirmadas todavía es demasiado pequeño, reconocen los autores, para demostrar tendencias estadísticas.
Por último, los telescopios captan una fotografía del pasado. Lo que estas agrupaciones llegarán a ser se deduce de modelos y simulaciones, porque nadie puede ver directamente su evolución durante miles de millones de años.
Seis protocúmulos más y el relevo del observatorio Rubin
Ortiz tuvo un papel importante en la creación y comprobación de las reconstrucciones 3D, y en particular en medir con qué fiabilidad recupera el método estructuras a partir de distribuciones simuladas de galaxias. Como parte de una asignatura de informática, creó además una web interactiva que permite explorar en tres dimensiones los protocúmulos reconstruidos.
«El trabajo que hice en las reconstrucciones 3D llevó de forma natural al artículo de seguimiento», dijo Ortiz. Ese segundo estudio, que ella dirigió, amplía el análisis a seis protocúmulos adicionales, de modo que entre los dos trabajos ya hay información detallada sobre ocho de estas estructuras.
Por su extensión y profundidad, ODIN está en buena posición para descubrir más estructuras de este tipo. «La metodología de reconstrucción 3D presentada en este trabajo será un componente vital de estos esfuerzos, ya que nos permitirá distinguir con claridad los núcleos y las afueras de los protocúmulos, así como los filamentos cósmicos que los alimentan», dijo Ramakrishnan. El equipo espera más hallazgos cuando el Observatorio Vera C. Rubin fotografíe todo el cielo austral cada pocas noches, unos datos que, combinados con los de ODIN, permitirán seguir el crecimiento de las grandes estructuras cósmicas a lo largo del tiempo.
El estudio completo se ha publicado en The Astrophysical Journal.
Imagen: CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA; procesado: T. A. Rector, M. Zamani y D. de Martin (NSF NOIRLab)
