(Casi) un siglo de Cosmología I

Este post (que publicaré en tres partes) es el texto, con mínimas revisiones y alguna pequeña adición, de un artículo publicado en el número 21 de ALKAID, con el amable permiso de su directora. He reemplazado las imágenes del artículo original por fotografías (de dominio público) de los personajes más destacados en esta historia.

ALKAID es una revista cultural independiente. Cubre múltiples facetas del conocimiento, “desde la Lingüistica hasta la Astronomía”: divulgación científica, ensayo, historia, arqueología, medio ambiente, poesía, arte, wargames, montaña, etc. Si no la conocen, probablemente no se imaginen la calidad y el cuidado que se percibe en cada uno de su detalles: no solo el papel, el formato, la maquetación y la impresión, sino también la enorme variedad, amplitud e interés de los temas que trata. Así que se la recomiendo sin ninguna reserva. Merece la pena.

Stonehenge, nocturno

Stonehenge Nocturno ca. 2800-1500 B.C., Wiltshire, England, UK — Stonehenge at Night — Image by © M. Dillon/CORBIS

La historia de la Astronomía es una historia de horizontes en retirada.                                                                                                 Edwin Hubble

La observación del cielo, rastreable desde hace varios miles de años, es la primera empresa colectiva humana que sin duda contiene el germen de la ciencia. En ella surgen preguntas: ¿qué sabemos sobre el Universo?, ¿cuándo y cómo hemos comenzado a saberlo?, ¿cómo empezó el Universo? o ¿cómo evolucionó hasta el estado que vemos hoy? En la breve historia de nuestra búsqueda de respuestas veremos que esta empresa se describe bien en la frase de Hubble que encabeza el artículo: el borde de nuestro conocimiento es también un horizonte, que se aleja de nosotros conforme vamos aprendiendo más y más.

¿Que se sabía de Cosmología hace cien años?

Comparado con lo que hoy sabemos con razonable certeza, lo que se sabía era tan poco que bien puede decirse que la Cosmología aún no ha cumplido cien años.

Retrocedamos dos o tres siglos en el tiempo, hasta la época de Kepler, Galileo y Newton. La estructura de nuestro sistema solar, con planetas orbitando alrededor del Sol y satélites alrededor de los planetas, todos ellos en una danza perpetua regida por las leyes de Kepler, se conoce razonablemente bien desde entonces. El tamaño absoluto del sistema solar se determinó por vez primera en el último tercio del S. XVIII. La teoría de la gravitación de Newton, inicialmente recibida con incredulidad y desdén por parte de los científicos del continente, fue asentándose tras muchas confirmaciones, algunas  espectaculares, como la predicción del nuevo planeta Neptuno a mediados del S. XIX.

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Heinrich Olbers

Fuera de este excelente conocimiento a gran escala del Sistema Solar, en 1900 apenas conocíamos nada más sobre el resto del Universo. Tan sólo habíamos identificado una gran estructura, nuestra Galaxia, pero no se tenía ninguna idea de cual era su diámetro, ni de la posible evolución de sus estrellas.

De hecho, se pensaba que el Universo era estático, a pesar de que algunas mentes preclaras en los siglos anteriores (desde Kepler, Halley, Cheseaux, Olbers) intuyeron que el que la noche deba ser oscura no es algo tan evidente; hoy sabemos que es realmente una profunda paradoja que, debidamente analizada (desde nuestro punto de vista ventajosamente moderno) conduce a concluir que el Universo no puede ser estático.

Cosmología observacional a principios del S. XX

Las dos primeras décadas del siglo XX son testigos del primer avance para responder a las preguntas anteriores, comenzando por la más directa: ¿a qué distancias se encuentran los diferentes objetos astronómicos que se pueden observar? En el S. XIX Olbers había medido la paralaje de algunas estrellas, lo que permite una determinación trigonométrica directa de la distancia a la estrella, al compararla con el radio de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. Este método solo es aplicable a estrellas muy cercanas.

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Henrietta Leavitt

El siguiente escalón en la escala de determinación de distancias se debe a Henrieta Leavitt, en 1908, quien con los datos de observación de un tipo de estrellas de luminosidad variable (Cefeidas) en la Nube de Magallanes notó una relación entre su periodo de variabilidad y su luminosidad.

Como todas esas estrellas estaban más o menos a la misma distancia ‘absoluta’ (todas en la Nube de Magallanes), la idea de Leavitt es que la relación se daba entre el periodo de cada ciclo completo de variabilidad con la luminosidad (relativa, que observamos nosotros) podía traducirse a la absoluta (la potencia total que emite la estrella), ya que para estrellas a las mismas distancias, el cociente entre luminosidad absoluta y relativa es el mismo. Y ahora, aplicada a otras Cefeidas más cercanas o más lejanas, a partir de la luminosidad relativa que de ellas observamos, se hace posible estimar la distancia absoluta a la que tales estrellas se encuentran.

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Harlow Shapley

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Heber  Curtis

 

 

 

 

 

 

 

Aún se tardaron unos años en llegar a un consenso sobre la escala absoluta de la Vía Láctea, objeto en 1920 de la polémica Shapley-Curtis, hoy casi olvidada. El resultado final de este proceso fue descubrir, con cierto asombro, que la vía Láctea era solamente una galaxia entre muchas, y que el conjunto de todas estas galaxias era un Universo de escalas sobrecogedoramente grandes. Tan grandes que se describen mejor mediante el tiempo que la luz tarda en recorrerlas. La luna está a poco mas de un segundo-luz de la Tierra, el Sol está a 8 minutos-luz de nosotros, el diámetro del sistema solar son unas 10 horas-luz, nuestra vecina estelar, Próxima Centauri está a 4 años luz, y nuestra propia galaxia, la vía Lactea, tiene un diámetro de 100.000 años luz. Y, como veremos, ésto es solamente el principio, pues ahora estimamos que el Universo contiene tantas galaxias como estrellas hay en una sola galaxia: ambos números son del mismo orden de magnitud que el número de neuronas en nuestro cerebro. Y, otra curiosa coincidencia, el número de estrellas en el Universo observable resulta ser del mismo orden de magnitud que el número de Avogadro.

Vesto Slipher

Vesto Slipher

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Edwin Hubble

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En los primeros 1920 Edwin Hubble, continuando trabajo anterior de Vesto Slipher, se embarcó en un programa de observación de Cefeidas en otras Galaxias, determinando sus distancias y el desplazamiento Doppler de sus espectros. En 1929 llegó a la conclusión de que el Universo, además de ser inimaginablemente grande, se expandía: las distancias entre galaxias aumentaban a un ritmo proporcional a sus distancias. Esta observación, que hoy es el primer pilar indiscutido de nuestra moderna Cosmología, se conoce como Ley de Hubble.

La ciencia necesita al menos dos apoyos: la observación (o la experimentación) y la teoría. ¿Disponíamos en 1929 de una teoría en la que encajar y entender las observaciones de Hubble? La respuesta simple es: sí, la teoría de la gravedad de Einstein. Pero solo unos pocos, Einstein excluido, lo habían percibido.

La teoría de la gravitación de Einstein.

Hace cien años, Albert Einstein, por entonces aun desconocido para el gran público, pero ya muy respetado por sus colegas académicos, estaba enfrascado en encontrar una descripción de la gravitación.

¿Porqué Einstein entendió que era necesaria una nueva teoría de la gravedad? La respuesta breve es ‘consistencia’  El fenómeno de la gravitación estaba descrito por la teoría de Newton que acumulaba éxito tras éxito en sus predicciones. Pero esta teoría era inevitablemente inconsistente con la Relatividad Especial.

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Max Planck y Albert Einstein

Con esta base, de índole  casi filosófica, y sin indicios observacionales claros que apuntaran a discrepancias con las predicciones de Newton, Einstein persiguió durante ocho años este objetivo prácticamente en solitario: se conserva el testimonio de lo que Planck, el padre de la Física Cuántica, le dice a Einstein a quien visita en Zurich en 1913: “como un viejo amigo, debo aconsejarte que no sigas, pues, de entrada, no tendrás éxito, y si lo tienes, nadie te creerá“.

Sommerfeld

Arnold Sommerfeld

Pero Einstein era obstinado, y su confianza en sus propias intuiciones grande. El final de esta aventura llegó en Noviembre de 1915, cuando tras un esfuerzo auténticamente extenuante, Einstein llega a su teoría definitiva de la gravedad. Desde el comienzo, aún antes de que las observaciones la confirmaran, un Einstein eufórico escribe en Febrero de 1916 a Sommerfeld diciendo: “sobre la teoría general de la relatividad, te convencerás en cuanto la estudies. Por ello, no emplearé ni una sola palabra en defenderla“.

Francis Bacon habla de la “extrañeza en la proporción” como una de las características de la “belleza excelente”. La teoría de la gravedad de Einstein la tiene, y en muy gran medida. Casi nadie duda en considerarla como la más bella de todas las teoría físicas, y ciertamente, una vez que se la conoce, es casi imposible resistir a su hechizo. Y como una orgullosa dama casi centenaria, no hay hoy en día ninguna observación que difiera de manera significativa de las predicciones de la Relatividad General.

Cosmología Teórica: Einstein, Friedmann, Lemaître

Apenas acabada su teoría, Einstein publica en 1917 el artículo fundacional de la Cosmología, que contiene las bases teóricas de toda nuestra cosmología actual. Por entonces, el prejuicio a favor de un Universo estático y eterno era tan fuerte que incluso el intelecto libre de Einstein sucumbió a él. Con lo cual desperdició la oportunidad de enunciar la que habría sido la predicción más espectacular de su vida: que el Universo no puede ser estático, y que necesariamente debe estar cambiando. Hoy vemos esta necesidad como consecuencia inevitable de las ecuaciones básicas de la cosmología. Pero Einstein, que fue quien escribió por vez primera estas ecuaciones, confrontado a esta dificultad, optó por introducir una modificación, la famosa constante cosmológica, que con un ajuste fino de su valor y solo en este caso permitía eludir tal consecuencia.

Alexander Friedmann

Alexander Friedmann

Georges Lemaitre

Georges Lemaitre

En la década siguiente Friedman en 1922, y luego Lemaître en 1927 estudiaron por su cuenta el mismo problema, llegando a la inevitable conclusión a que las ecuaciones conducían y aceptándola: que el universo debía estar en expansión, y por tanto, que el Universo había tenido un comienzo —Lemaître, sacerdote, hablaba de ‘un día sin ayer’—. Einstein inicialmente consideró abominable la física tras el análisis de Lemaître. Pero las cosas iban a cambiar pronto.

La pelota en el campo observacional: la expansión de Hubble

Como resultado final de la larga serie de observaciones astronómicas de las que hablamos en un párrafo anterior, Hubble concluye en 1929 que el universo se encuentra en expansión. Así, las observaciones y la teoría desarrollada por Friedmann y Lemaître convergen.

Percy Robertson

Howard Percy Robertson

Arthur Walker

Arthur Walker

La hipótesis ad-hoc introducida por Einstein para asegurar una cosmología estática se abandona y en la década siguiente, Robertson y Walker completan el modelo cosmológico de Friedmann y Lemaître, conocido a partir de entonces con las iniciales FLRW, basado en el llamado Principio cosmológico, la hipótesis de que el Universo, a muy gran escala, es espacialmente homogéneo e isótropo.

La expansión observada del Universo pasa así a verse como la otra cara de una predicción teórica, consecuencia inescapable de las ecuaciones básicas de la cosmología. Y esta expansión, retrotraída hacia el pasado, conduce de manera inevitable a una situación inicial en la cual toda la materia y energía del Universo debería haber estado concentrada en una región que las ecuaciones determinan como un punto. Aunque no parece que Einstein viera esta predicción con gran simpatía, se sabe que retiró el calificativo de ‘abominable’ que había adjudicado al análisis de Lemaître; visto desde hoy resultó ser Lemaître quien estuvo completamente acertado desde el principio.

Excepto en los momentos iniciales, en donde sería necesario tener en cuenta efectos cuánticos, tenemos una gran confianza en las predicciones que el modelo cosmológico efectúa para la evolución posterior, incluyendo hasta el momento actual, y presumiblemente para la evolución futura del Universo. Pasemos revista a los momentos destacados en el desarrollo de nuestra imagen actual del Universo.

…… (continuará)

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