La aceleración del universo

Pilar Ruiz Lapuente

• Editorial: Los Libros de La Catarata
• Año: 2019
• ISBN:
  9788490976777
• Categoría: Ciencias biológicas
• Categoría: Ciencias en general

El descubrimiento de la aceleración de la expansión del universo ha abierto uno de los capítulos más extraordinarios en nuestro conocimiento del mismo. Se trata de un hecho que afectará a nuestro devenir en los próximos miles de millones de años y también a nuestro conocimiento de la física. Si continúa expandiéndose de forma acelerada, su materia será cada vez más dispersa e incapaz de formar galaxias y sistemas estelares. El panorama que surge es el de un universo que va apagando sus luces al acabarse la vida de las estrellas y va enfriándose. Pero puede haber otro destino para él, todo depende de la naturaleza de la causa de la aceleración, la llamada "energía oscura". Esta obra recorre el camino desde las primeras ideas cosmológicas hasta la construcción de telescopios gigantes para desvelar la naturaleza de la energía oscura.

Capítulo 1

La expansión del universo. Cómo se descubrió

Es común a la historia de los descubrimientos que un cúmulo de circunstancias dé lugar a un avance que cambia la perspectiva de lo que conocemos. El descubrimiento de la expansión del universo fue una de estas ocasiones. En ella se cruzan decenas de trabajos importantes, tanto teóricos como observacionales.

La escala de las distancias en el universo tenía que establecerse tras salir de dudas sobre si estábamos en un universo donde tan solo existía nuestra galaxia o si, por el contrario, nuestra galaxia era una entre muchas, como había predicho el filósofo Immanuel Kant en el siglo XVIII. El debate sobre esta cuestión tuvo lugar en 1920, pero solo se pudo cerrar gracias a un trabajo anterior, de 1914, que proporcionaba una forma de medir distancias de modo muy preciso, la cual todavía se utiliza.

Además, tenía que entenderse lo que significaba el espectro de la luz emitida por las galaxias: el porqué del corrimiento hacia el rojo de las rayas características de los mismos; tenían que obtenerse los espectros de muchas de ellas.

Einstein tenía que desarrollar su idea rompedora de la gravitación: la relatividad general. En ella, la atracción gravitatoria se produce por la deformación de la geometría del espacio-tiempo debido a la presencia de masa y energía; y tenían que establecerse las consecuencias cosmológicas de la relatividad general. Varios teóricos ya alertaron a Einstein de que entre las soluciones cosmológicas más sencillas estaba la de la expansión del universo.

Tuvo que haber un encuentro entre lo observacional y lo teórico para que se estableciera la evidencia de la expansión del universo.

A continuación, veremos cómo tuvo lugar cada uno de estos pasos.

Henrietta Leavitt: la posibilidad de medir distancias astronómicas

Antes de que Henrietta Leavitt descubriera el uso de las estrellas cefeidas para medir distancias, solo se podían medir distancias a estrellas cercanas a la nuestra por el método de la paralaje (figura 1). Este consiste en medir el cambio de posición aparente de las estrellas cuando se ven en tiempos separados por medio año solar. Conociendo el ángulo de observación y la distancia Tierra-Sol, se puede obtener la distancia a la estrella.

Este método, hasta las últimas décadas del pasado siglo, solo se podía usar hasta estrellas a distancia menor que 100 años-luz1. Teniendo en cuenta que el diámetro de nuestra galaxia es de 100.000, este método resultaba poco esclarecedor en el debate que se sostenía sobre las distancias astronómicas a principios del siglo XX. Las posibilidades de medir distancias cambiarían radicalmente cuando Henrietta Leavitt diera a conocer su relación periodo-luminosidad de las estrellas cefeidas, un método que se sigue utilizando en la actualidad para medir distancias extragalácticas con mucha precisión.

Figura 1

Ilustración del método de la paralaje para determinar distancias a estrellas relativamente cercanas. La estrella O se proyecta en posiciones diferentes, sobre el fondo de estrellas lejanas, en 1 y en 2.

Si uno tiene un objeto de luminosidad intrínseca constante a lo largo del universo, se puede medir su luminosidad aparente y deducir cuál es la distancia a ese objeto de brillo patrón. Imaginemos que sabemos que un faro contiene una bombilla de unos miles de vatios y que tenemos faros iguales que ese colocados a lo largo de la costa; podemos saber a qué distancia se encuentran si medimos el brillo que nos llega a nosotros. A ese concepto se le llama “candela estándar”. Si todos los objetos de una clase dada no tienen la misma luminosidad intrínseca pero siguen una relación que sí es la misma para todos ellos se dice que son “candelas calibrables”. Henrietta Leavitt descubrió que las estrellas cefeidas son candelas calibrables, pues siguen un patrón básico de periodo-luminosidad intrínseca.

Henrietta Leavitt trabajaba en el Observatorio de Har­­vard como “calculadora”. Este término agrupaba a mujeres que se dedicaban a hacer mediciones, en principio rutinarias, sobre placas fotográficas, bajo la tutela del director del observatorio, Edward Pickering. De la labor de estas asistentes salieron estudios importantes, como la clasificación de estrellas de Harvard, que todavía se utiliza, o el descubrimiento de la relación periodo-luminosidad de las cefeidas, que ya hemos mencionado.

Figura 2

Esquema en el que se observa que cuanto más luminosa es una estrella variable cefeida tanto más largo es el periodo de variación de su luminosidad (el tiempo transcurrido entre dos máximos o dos mínimos consecutivos de la misma). Aquí, la escala de luminosidades (eje vertical) es arbitraria, mientras que en el eje horizontal los tiempos vienen dados en días (contados a partir de uno de los máximos).

Las cefeidas son estrellas que cambian en su brillo, pues sufren expansiones y contracciones periódicas en su tamaño. Son un tipo de estrella variable en luminosidad. Henrietta Leavitt encontró que las cefeidas seguían una relación periodo-luminosidad muy precisa: la relación consiste en que cuanto más luminosa es la estrella en el máximo de brillo, tanto más largo es su periodo de fluctuación en luminosidad (figura 2). Llegó a esta conclusión estudiando cefeidas en la Nube Pequeña de Magallanes. En aquel tiempo no se sabía si las Nubes Pequeña y Grande de Magallanes, al igual que otras llamadas nebulosas, estaban dentro o fuera de nuestra galaxia. La Nube Pequeña de Magallanes es, de hecho, una pequeña galaxia-satélite de la nuestra, que pertenece a lo que se llama el Grupo Local de galaxias, del que también forma parte nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, así como la galaxia de Andrómeda. Pero eso no se sabía aún. Faltaba calibrar esa relación midiendo la distancia a algunas cefeidas por otro método.

La calibración vino de la mano del astrónomo danés Ejnar Hertzsprung, en 1915, utilizando el método de la paralaje. Tal calibración tuvo que ser revisada más tarde, pues cometió un descuido al poner las cefeidas de la Nube Pequeña de Magallanes 10 veces más cerca de lo que realmente estaban.

También en 1915, Harlow Shapley usó las cefeidas para poner restricciones al tamaño y forma de nuestra Vía Láctea y al lugar que ocupa el Sol en ella. Descubrió que la Vía Lác­­tea era mucho más grande de lo que se creía hasta entonces y que el Sol no ocupaba un lugar privilegiado dentro de ella. Se equivocó con que las llamadas nebulosas estaban dentro de nuestra galaxia y no fuera.

El Gran Debate y la aparición en escena de Edwin Hubble

En los años veinte aún se debatía si nos encontrábamos en un universo hecho tan solo de nuestra galaxia o si, por el contrario, nuestra galaxia era una isla más en un universo hecho de muchas galaxias. A este debate se le llamó el Gran Debate, pues era sin duda crucial para nuestra concepción del cosmos. Con ese nombre recordamos aquel momento de gran trascendencia para la cosmología y la astronomía.

Pese al uso de cefeidas por parte de Harlow Shapley, se siguió cuestionando el que las nebulosas estuvieran fuera de nuestra galaxia, cosa que Heber Doust Curtis, por el con­­trario, señalaba como necesario para explicar que algunos hechos observacionales como el de que los estallidos estelares en la nebulosa de ...

Índice

• La aceleración del universo
• Dedicatoria
• Prólogo
• Capítulo 1. La expansión del universo. Cómo se descubrió
• Capítulo 2. La relatividad general de Einstein
• Capítulo 3. La cosmología surgida de la relatividad general
• Capítulo 4. El segundo gran debate, el valor de H0
• Capítulo 5. La aceleración de la expansión del universo
• Capítulo 6. El otro componente: la materia del universo
• Capítulo 7. Modelos de gravedad alternativos. Evidencias del principio cosmológico
• Capítulo 8. Principio antrópico, el ajuste fino de nuestro universo y el multiverso
• Capítulo 9. La frontera del futuro: 2020-2030
• Epílogo
• Recapitulación
• Bibliografía
• Notas
• Imágenes