44 La ley de Hubble

Edwin Hubble fue el primero en darse cuenta de que todas las galaxias que están más allá de la nuestra se alejan de nosotros al mismo tiempo. Según la ley de Hubble, cuanto más lejos están, más rápido se alejan. Esta diáspora galáctica fue la primera evidencia de que el universo se expande, un descubrimiento asombroso que cambió nuestra perspectiva del universo entero y de nuestro destino.

La deducción de Copérnico en el siglo XVI de que la Tierra gira alrededor del Sol provocó una gran consternación. Los seres humanos ya no moraban en el centro mismo del cosmos. Pero en la década de 1920, el astrónomo norteamericano Edwin Hubble efectuó una serie de mediciones telescópicas que resultaron aún más inquietantes. Demostró que el universo no era estático, sino que se expandía. Hubble reflejó en un mapa las distancias hasta otras galaxias y su velocidad relativa comparada con nuestra Vía Láctea; descubrió que se retiraban de nosotros a toda velocidad. Éramos tan impopulares desde el punto de vista cósmico que sólo unos pocos vecinos cercanos avanzaban con lentitud hacia nosotros. Cuanto más distante era la galaxia, más rápido se alejaba, siendo su velocidad proporcional a la distancia a la que se encuentra (ley de Hubble). La razón entre la velocidad y la distancia es siempre el mismo número y se denomina constante de Hubble. Actualmente los astrónomos han determinado que su valor se aproxima a unos 75 kilómetros por segundo por megaparsec (un megaparse, o un millón de parsecs, es equivalente a 3.262.000 años luz o 3 × 10²² m). Por lo tanto, las galaxias se alejan continuamente de nosotros en esta magnitud.

El gran debate Antes del siglo XX, los astrónomos apenas conocían nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Habían medido cientos de estrellas en su interior, pero también observaron que estaba salpicada de numerosas manchas tenues, las nebulosas. Algunas de estas nebulosas eran nubes de gas asociadas con el nacimiento y la muerte de las estrellas. Pero unas cuantas parecían diferentes. Algunas tenían forma de espiral u óvalo, lo cual sugería una regularidad mayor que la de una nube.

En 1920, dos famosos astrónomos sostuvieron un debate sobre el origen de esas manchas. Harlow Shapley argumentaba que todo lo que había en el cielo formaba parte de la Vía Láctea, la cual constituía la totalidad del universo. En el otro extremo, Herber Curtis proponía que algunas de estas nebulosas eran «universos aislados» independientes o «universos» externos ajenos a la Vía Láctea. El término «galaxia» fue acuñado más tarde para describir estos universos de nebulosas. Ambos astrónomos citaban pruebas para respaldar sus respectivas ideas, y el debate no se resolvió en un día. El trabajo posterior de Hubble demostró que el punto de vista de Curtis era correcto. Estas nebulosas en espiral eran realmente galaxias externas y no se encontraban en la Vía Láctea. El universo se abría repentinamente en un inmenso panorama.

Volar por los aires Hubble utilizó un telescopio Hooker de 254 cm en el Monte Wilson para medir la luz parpadeante de las estrellas de la nebulosa de Andrómeda, que según sabemos actualmente es una galaxia espiral muy similar a la Vía Láctea, y también una hermana del grupo de galaxias que se asocian con nosotros. Estas estrellas parpadeantes se denominan estrellas variables Cefeidas, por el prototipo de estrella descubierto en la constelación de Cefeo, y aún hoy constituyen inestimables fuentes de información sobre las distancias. La cantidad y la frecuencia del parpadeo aumentan en proporción a la luminosidad intrínseca de la estrella, así que una vez que sabemos cómo varía su luz sabemos lo brillante que es. Conociendo su luminosidad se puede calcular la distancia a la que se encuentra, pues aquélla se debilita con la distancia. Ocurre lo mismo que cuando observamos una bombilla colocada a una cierta distancia, y sabemos que su potencia es de 1.000 vatios, y luego calculamos la distancia a la que se encuentra comparando su luminosidad con una bombilla de 100 vatios que tenemos enfrente.

De esta forma Hubble midió la distancia hasta la galaxia Andrómeda. Estaba mucho más lejos que lo que mide nuestra Vía Láctea, tal y como había sido determinado por Shapley, así que debía de estar fuera de ella. Este hecho tan simple fue revolucionario. Significaba que el universo era inmenso y que estaba lleno de otras galaxias iguales que la Vía Láctea.

A continuación, Hubble se dispuso a recoger en un gráfico las distancias a otras muchas galaxias. También descubrió que la luz en ellas estaba en su mayor parte desplazada hacia el rojo en una proporción que aumentaba con la distancia. El desplazamiento hacia el rojo es similar al desplazamiento Doppler de un objeto giratorio (véase Capítulo 19). Descubrir que las frecuencias de la luz, como las transiciones atómicas del hidrógeno, eran todas más rojas de lo esperado significaba que esas galaxias se alejaban a toda velocidad de nosotros. Era muy extraño que todas las galaxias se alejaran velozmente, y que sólo las «locales» se movieran hacia nosotros. Cuanto más lejos mirábamos, más rápidamente se retiraban. Hubble observó que las galaxias no se alejaban simplemente de nosotros, lo que habría convertido nuestra posición en el universo en un lugar privilegiado. En lugar de eso, se alejaban a toda velocidad unas de otras. Hubble llegó a la conclusión de que el propio universo se expandía, inflándose como un globo gigante. Las galaxias son como puntos en el globo, y se apartan unas de otras a medida que el aire entra en él.

¿Cuán lejos y cuán rápido? Incluso los astrónomos actuales utilizan las estrellas variables Cefeidas para trazar un mapa de la expansión local del universo. Medir la constante de Hubble con exactitud ha sido un paso muy importante. Para hacerlo, hay que saber lo lejos que está algo y conocer su velocidad o desplazamiento hacia el rojo. Los desplazamientos hacia el rojo son sencillos de medir en el espectro atómico. La frecuencia de una transición atómica particular en la luz de una estrella se puede comprobar en el laboratorio en relación con su frecuencia de onda conocida; la diferencia nos da su desplazamiento hacia el rojo. Las distancias son más difíciles de determinar porque hace falta observar algo en la distante galaxia, ya sea porque su verdadera longitud es conocida o porque lo es su verdadera luminosidad, una «candela estándar».

Hay diversos métodos para inferir las distancias astronómicas. Las estrellas Cefeidas funcionan con las galaxias cercanas cuando se pueden separar las estrellas individuales. Pero en distancias más largas hacen falta otras técnicas. Las diferentes técnicas se pueden unir una tras otra para constituir una barra medidora gigante o «escalera de distancias». Pero como cada método tiene sus propias peculiaridades, todavía hay muchas incertidumbres acerca de la exactitud de la escalera extendida.

Actualmente, se conoce la constante de Hubble con una precisión de aproximadamente el 10%, en gran medida gracias a las observaciones de las galaxias por medio del telescopio espacial Hubble y a la radiación de microondas del fondo cósmico. La expansión del universo se inició con el big bang y desde entonces las galaxias han ido alejándose. La ley de Hubble establece un límite para la edad del universo. Como está en continua expansión, si nos remontamos hasta su punto de partida, podemos calcular cuándo se produjo. El resultado se cifra en alrededor de 14.000 millones de años.

Cronología:

1918 d. C.: Vesto Slipher mide el desplazamiento hacia el rojo de las nebulosas.

1920 d. C.: Shapley y Curtis discuten el tamaño de la Vía Láctea.

1922 d. C.: Alexander Friedmann publica el modelo del big bang.

1924 d. C.: Se descubren las estrellas variables Cefeidas.

1929 d. C.: Hubble y Milton Humason descubren la ley de Hubble.

La idea en síntesis: el universo en expansión