Pedes in terra ad sidera visus | Los pies en la tierra y los ojos en el firmamento
A lo largo de casi toda su historia la humanidad tuvo un único punto de referencia para observar el universo. La contemplación del cielo nocturno engañó a nuestras mentes haciéndonos creer que éramos el centro de un cosmos infinito organizado en forma de matrioska rusa en el que esferas de cristal trazaban el camino de los planetas y las estrellas.
La curiosidad nos llevó a cuestionar no solo de qué estaban hechas esas esferas y nuestro propio planeta, sino también a qué distancia podrían estar los objetos celestes. Para un astrónomo del siglo X en Bagdad el universo conocido (la distancia hasta la esfera de las estrellas) no sería más grande que la actual distancia a Neptuno, sin embargo, pensaría que más allá podría haber un cielo totalmente desconocido para llenar con dioses y esferas de fuego que, en principio, sería infinito.
La pregunta por el tamaño del universo es un tema recurrente en la construcción de casi todas las cosmogonías alrededor del mundo, pero ha sido la observación sistemática y el cuestionamiento permanente lo que nos ha llevado a construir la imagen que hoy tenemos de nuestro universo.
Un Gran Debate
El 26 abril de 1920 es recordado como uno de los episodios más emocionantes de la cosmología moderna. Harlow Shapley, un afamado astrónomo que trabajaba en el Observatorio del Monte Wilson, y Heber Curtis del Observatorio de Lick, enfrentaron sus visiones del cosmos en el que es conocido como el Gran Debate sobre la escala del universo.
Shapley había trabajado en la implementación de un método para medir la distancia desde la Tierra hasta los cúmulos globulares y como resultado llegó a la conclusión de que la Vía Láctea, nuestra galaxia, era muchísimo más grande de lo que se pensaba hasta la época y que en ella estaban contenidos todos los objetos del universo, en otras palabras, que la Vía Láctea era el universo.
Por otro lado, Heber Curtis defendía la idea de que la Vía Láctea era menor de lo que afirmaba Shapley y sus observaciones además revelaban que las llamadas nebulosas espirales como la de Andrómeda eran grupos de estrellas muy lejanos y separados de nuestra galaxia.
Ésta polémica entre un universo único y múltiples universos isla fue zanjada por el astrónomo y abogado Edwin Hubble a mediados de la década de 1920. Hubble usó un método creado por Henrietta Leavitt para medir la relación entre el cambio en el brillo de las estrellas cefeidas y su distancia para calcular qué tan lejos estábamos de la nebulosa de Andrómeda. Con esto, Hubble encontró que esta galaxia estaba al menos tres veces más lejos que el tamaño estimado por Shapley para la Vía Láctea, lo que implicaba que no podría ser parte de ella sino un universo isla como lo afirmó Curtis.
Según los cálculos de Hubble, Andrómeda estaba a 900.000 años luz de la Tierra. Las medidas actuales la sitúan a 2,5 millones de años luz, un error en la medida que, hoy sabemos, fue ocasionado por la absorción de la luz en el medio interestelar no conocido en la época.
Foto actual de la galaxia de Andrómeda tomado por el telescopio espacial Hubble en la que se destaca la región en la que Edwin Hubble y Milton Humason observaron la estrella variable que permitió medir la distancia a esta galaxia crédito NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA). Foto: www.hubblesite.org
Pero el aporte de Hubble no concluyó ahí. Años después de demostrar que vivíamos en un universo enorme, descubrió que las galaxias parecían alejarse unas de otras a gran velocidad y que cuanto más lejos se encontraban más rápido se alejaban unas de otras. Había observado, por primera vez, la expansión del universo.
Modelos y observaciones
A pesar de lo revolucionario de las observaciones de Hubble ya dos décadas antes habría surgido una teoría capaz de dar cuenta de un universo en movimiento: la relatividad general. En 1915 Albert Einstein publicó su teoría de la gravedad que explicaba no solo el movimiento de los cuerpos en la vecindad de la Tierra sino también en el cosmos entero. Uno de los conceptos más poderosos que emergen de la relatividad es que las masas cambian los caminos en el espacio-tiempo, lo deforman y determinan su geometría. El físico ruso Alexander Friedmann usó las ecuaciones de Einstein para pensar el problema a gran escala y mostrar que si pudiéramos estimar la masa total del universo conoceríamos su futuro. El universo podría expandirse, contraerse o estar estático con la combinación precisa de ingredientes.
La observación de la radiación cósmica de fondo de microondas, los cálculos de abundancia de los elementos químicos primordiales, el alejamiento progresivo de las galaxias y la teoría de la relatividad general son las bases del modelo del Big Bang que afirma que el universo surgió hace 13.820 millones de años y que se ha venido expandiendo hasta la actualidad.
El tamaño del universo, un debate actual
A partir de la construcción de grandes telescopios como el célebre telescopio Hale, con un espejo de 5 metros de diámetro, situado en Monte Palomar, California, los astrónomos han sondeado más profundamente el universo. Cito a Palomar porque allí se hicieron observaciones de galaxias y cuásares que permitieron refinar las medidas de distancia conocidas hasta el momento. Para los años 60 el objeto más lejano en el universo visible estaba a 2.200 millones de años luz: 3C273, el primer cuásar descubierto.
En la década de los 90 fueron lanzadas dos de las misiones espaciales más revolucionarias de todos los tiempos: el telescopio espacial Hubble y la sonda COBE (Cosmic Background Explorer). En las llamadas fotografías del Campo Profundo del telescopio espacial los astrónomos encontraron galaxias a más de 10 mil millones de años luz, algunas de ellas se estaban ensamblando y podría ser visto allí el nacimiento de sus primeras estrellas.
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Las fotografías del Hubble Deep Field (a) norte (b) y sur. Fotos: www.esahubble.org
El COBE permitió reconstruir la cara del universo temprano revelando por primera vez las semillas mismas de las galaxias en la radiación de microondas. Segundos después del Big Bang, el universo consistía en gran cantidad de energía empaquetada en fotones y algunas partículas subatómicas que chocaban constantemente unas con otras. Tras una rápida expansión, comenzó a existir espacio disponible para que los fotones se movieran más libremente. Aproximadamente 300 mil años después del Big Bang esas partículas de radiación pudieron viajar libremente por el universo llegando hasta nuestros días con una temperatura muy baja.
En los mapas de la radiación cósmica de fondo (RCF) se observa la diferencia de temperatura entre regiones del cielo. El COBE midió diferencias de tan solo una cien mil millonésima de grado entre las regiones verdes y azules en la radiación de microondas, mostrando que al inicio del universo esas pequeñas diferencias se convertirían en las grandes estructuras de cúmulos y supercúmulos de galaxias.
Evolución de la resolución (capacidad de distinguir entre dos puntos diferentes) de las misiones espaciales que han explorado la radiación cósmica de fondo. Imagen: www.astrobites.org
Las medidas de la RCF sumadas a las observaciones de los grandes telescopios en tierra y en el espacio nos permiten estimar que el Big Bang ocurrió hace cerca de 13.820 millones de años, es decir, que la luz más antigua del universo que ha llegado hasta nosotros ha viajado una distancia de 13.820 millones de años luz. ¿Pero esto significa que el tamaño del universo es ese? ¡La respuesta es no!
Toda la información que tenemos de nuestro universo es revelada por la luz. La luz no se desplaza instantáneamente sino que se mueve a sorprendentes 300.000 km/s. Eso hace que solo podamos ver lugares desde los que la luz ha tenido tiempo para llegar hasta nosotros, a esto lo llamamos conexión causal.
La región de la que partió esa luz que hoy recogen nuestros telescopios se ha movido gracias a la expansión acelerada. A partir de la información que tenemos actualmente los cosmólogos calculan que esa misma región debe estar ahora a 46.500 millones de años luz de nosotros. ¿Cabe la posibilidad de que haya regiones del universo de las que no nos ha llegado luz? ¿Es posible que vivamos en una región minúscula de un universo aún más vasto? Estas preguntas hacen que hoy también entender las dimensiones de nuestro universo sea uno de los campos más vibrantes de la cosmología.
Glosario
Año luz: es una medida de distancia usada por practicidad para medir la separación de cuerpos celestes. Es equivalente a 9 460 730 472 580,8 km. La llamada nube de Oort exterior, un conjunto de cometas y asteroides que nos rodean, está aproximadamente a un año luz del Sol.
Cúmulos globulares: conjunto compacto de estrellas gravitacionalmente unidas.
Estrella variable cefeida: es un tipo de estrella que puede cambiar su brillo debido a procesos evolutivos. La primera de su clase fue descubierta por John Goodricke en 1784. Toman su nombre de la estrella Delta Cephei, la segunda descubierta de su clase, que se ubica en la constelación de Cefeo en el hemisferio norte celeste.
Galaxia: sistema de estrellas, gas, polvo y materia oscura que se mantiene unido gracias a la gravedad.
Nebulosas espirales: antiguo nombre que se daba a las galaxias antes de 1923.
Radiación cósmica de fondo: es un tipo de emisión luminosa que se detecta en las longitudes de microondas. Según el modelo del Big Bang es radiación que fue emitida hace 13500 millones de años por el espacio siendo detectada por primera vez en 1964. Es una de las evidencias del inicio muy caliente y concentrado del universo.
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