¿Alguna vez se preguntó cómo los científicos saben la distancia a los planetas, estrellas, galaxias? O mejor aún, ¿cómo medir el tamaño del universo y su expansión? Bueno, ciertamente no tienen una regla gigante, pero tienen otras herramientas, como velas y escaleras.

El paralaje y 1 parsec = 3,26 años luz. Créditos: astronomy.com

La forma más fácil de medir cosas lejos de la Tierra se llama paralaje y fue descubierta por científicos antiguos, no solo los griegos (que generalmente son responsables de descubrir cosas), sino varias otras sociedades antiguas con conocimientos de astronomía.

La idea es simple: si miramos una estrella en una parte del año, mientras nos movemos alrededor del Sol seis meses después, estaremos viendo el ángulo relativo a nuestra órbita. Con el triángulo que forma, la trigonometría hará bien el trabajo de encontrar la distancia a la estrella.

Pero, ¿qué sucede cuando la distancia es tan grande, no importa cómo nos movamos alrededor del Sol que los ángulos no parecen ayudar y es imposible hacer un triángulo con ellos? ¿Cómo es posible ver el panorama general, el universo expandiéndose para siempre? Para eso, necesitaremos óptica, nivel de paciencia de Henrietta Leavitt y explosiones.

El de la portada del disco de Pink Floyd

Nada de lo que sabemos hoy sobre el universo sería posible sin el trabajo de Joseph von Fraunhofer. Y no era astrónomo, era lo que hoy llamaríamos un físico experimental especializado en óptica. En 1814 inventó el espectroscopio, un instrumento capaz de decirnos la composición química de objetos lejanos, así como su temperatura y distancia.

Fraunhofer notó que mirar un rayo de luz solar a través de un prisma no solo produce el efecto de prisma del lado oscuro de la luna de Pink Floyd, sino también un patrón extraño de líneas negras entre el arcoíris. Estas líneas son las llamadas líneas de Fraunhofer, y otros dos investigadores famosos (Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Kirchhof) descubrieron que representan la absorción de energía por parte de una sustancia química.

  • Créditos de imagen: Adam Hart-Davis

Este invento lo cambia todo para la astronomía. Con un espectrógrafo, los científicos pueden saber si un objeto se acerca o se aleja de nosotros. Por lo general, una sustancia química en particular medida en un laboratorio tiene sus líneas negras bien colocadas, pero si algo se aleja, las líneas se cambian a rojo. Al moverse hacia nosotros, las líneas se vuelven azules, el llamado Efecto Doppler.

Creditos: expliquexkcd.com

Pero esto es solo el comienzo y aquí es donde las cosas comienzan a ponerse muy interesantes.

Variables cefeidas

En 1907, Henrietta Swan Leavitt descubrió 1777 estrellas variables, 47 de las cuales clasificó meticulosamente como estrellas variables cefeidas. Las cefeidas son estrellas que parpadean y se inflan/desinflan, su patrón oscilatorio varía de 2 a 50 días para las cefeidas clásicas, esto las convierte en lo que los científicos llaman una vela estándar, objetos que tienen el mismo patrón en cuanto a sus luminosidades.

Variable Cefeida M31_V1: Primera Cefeida del Hubble. Créditos: AAVSO.

Leavitt notó que cuanto más brillante era la cefeida, más largo era su período de inflado/desinflado. Solo en 1912 confirmó la relación utilizando 25 cefeidas, relación que hoy se denomina Ley de Leavitt.

Esto es útil porque los astrónomos podrían estimar las distancias a ellos. Funciona así: imagina una bombilla, si está cerca de ti parece bastante brillante, pero desde la distancia es tenue. Harlow Shapley usó la ley para medir el tamaño de nuestra galaxia, estimó que tiene 300.000 años luz de diámetro, hoy sabemos que posiblemente tenga 170.000 años luz.

Galaxias que se desplazan hacia el rojo

No son solo los comienzos los que se mueven hacia o desde nosotros, sino también las galaxias.

El astrónomo estadounidense Vesto Slipher trabajó en el Observatorio Lowell en Arizona. Hace casi un siglo, recopiló datos de 41 galaxias, en ese entonces se las llamaba nebulosas porque los astrónomos no sabían exactamente qué eran. Sus hallazgos fueron aún más intrigantes ya que el espectro de la mayoría de las galaxias se desplazó a rojo, lo que significa ir a longitudes de onda más largas. Solo cuatro de esas galaxias se desplazaron hacia el azul, viniendo hacia nosotros.

Una de las galaxias que se mueve en nuestra dirección es la galaxia de Andrómeda, y no sabíamos que venía hacia nosotros hasta entonces. Con la ayuda del telescopio espacial Hubble, sabemos con precisión qué tan rápido se mueve, 110 km/seg (68,35 millas/seg). En 4 mil millones de años chocará con la Vía Láctea.

El universo mismo se expande

Pero el descubrimiento más extraño provino de dos observaciones independientes: una en Bélgica en 1927 por George Lematre y la otra en 1929 por Edwin Hubble. Los dos descubrieron que cuanto más lejos estaba una galaxia, mayor era también su corrimiento al rojo. En otras palabras, las cosas que están más lejos de nosotros también parecen estar alejándose de nosotros. Solo hay una explicación razonable para esto, basada en lo que sabemos: el universo mismo se está expandiendo.

Resulta que no solo el universo se está expandiendo, sino que se está expandiendo cada vez más rápido. Con los datos recopilados, los dos astrónomos concluyeron que existía una relación entre la velocidad (v) de las galaxias y sus distancias (D) simplificada por una ecuación: v=H0D.

Esto se llama la ley de Hubble-Lematres. H0 es la constante de Hubble, la velocidad a la que el universo se expande por distancia.

El valor que encontró Hubble fue 500 (km/s)/Mpc (160 km/seg por millón de años luz) y Lematres 625 (km/s)/Mpc (160 km/seg por millón de años luz) pero hay todavía hay mucha investigación en curso y controversia con respecto a estos valores.

Créditos: Ann Feild (STScI)

supernovas

Existe un tipo de supernovas aptas para medir distancias: las supernovas de Tipo Ia. Se forman por la acreción de materia en un sistema binario, una enana blanca se traga a una compañera.

Las enanas blancas tienen alrededor de 1,4 masas solares, aunque a veces absorben a sus vecinas, lo que les permite traspasar el límite de 1,4, produciendo una cantidad de luz común a todas las supernovas de Tipo Ia. La acumulación hace que la explosión de la supernova sea tan violenta que el brillo puede eclipsar a su propia galaxia anfitriona.

Sabiendo cómo cambia su luminosidad con el tiempo justo después de la explosión, los científicos pueden usar estos objetos como velas estándar y estimar distancias.

En 1998, dos equipos independientes, el Proyecto de cosmología de supernovas y el Equipo de búsqueda de supernovas de alta z, descubrieron que la expansión de los universos se está acelerando utilizando supernovas de tipo Ia. Los científicos involucrados esperaban lo contrario, buscaban evidencia de que la expansión del universo se estaba desacelerando. Este resultado cambió todo para la cosmología, ahora sabemos que hay un componente misterioso llamado energía oscura que domina la composición del universo, lo que hace que se expanda más y más. Aproximadamente el 68,3% del universo actual está hecho de energía oscura, el 26,8% está hecho de materia oscura y el resto es materia regular, lo que hace que los planetas existan y tú lees/escuchas este texto.

Telescopio espacial Hubble: imagen de la supernova 1994D (SN1994D) en la galaxia NGC 4526 (SN 1994D es el punto brillante en la parte inferior izquierda). Créditos: HST.

Escalera de distancia cósmica

El método final incorpora casi todos los demás métodos; esto es lo que hizo el equipo SH0ES, por ejemplo. Obtuvieron las cefeidas, supernovas que se midieron con la técnica de cefeidas y supernovas en el enfoque estándar. Entonces construyeron una escalera cósmica, yendo desde las distancias más cercanas a las más remotas que podían medir. El resultado fue un valor muy diferente al encontrado por Edwin Hubble: 73,24 (km/s)/Mpc con un pequeño error.

Otros métodos, menos directos que el presentado aquí, pueden estimar H0, como el fondo de microondas cósmico (CMB), las sirenas estándar y las oscilaciones acústicas de bariones (BAO). Dan diferentes valores de H0, un debate candente en la cosmología actual.

A lo largo de la historia, hemos logrado obtener distancias con la trigonometría de la escuela secundaria y lo hemos sofisticado todo a medida que la óptica se convirtió en la madre de la mecánica cuántica. Al final, no se puede medir la expansión sin distancias, algo desafiante cuando el universo se expande para siempre, pero la carrera por la precisión nunca debe detenerse, quién sabe qué nos traerá el próximo método.

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