Cuando Hubble descubrió el universo

Así concluía un camino desde los inicios de la civilización, cuando se creía que todas las estrellas estaban fijas en una esfera que giraba alrededor de la Tierra.

Edwin Hubble y el telescopio Hooker
del monte Wilson con el que descubrió
el corrimiento al rojo de las galaxias.
(Foto de Hubble DP, foto del
telescopio CC de Andrew Dunn,
vía Wikimedia Commons)
 

El 1º de enero de 1925 podría ser considerado como el primer día de la existencia del universo. O al menos el primer día que los seres humanos nos enteramos de ella.

El descubrimiento lo había hecho algo más de un año atrás un joven astrónomo, Edwin Powell Hubble, pero ese día se lo dio a conocer a los ochenta astrónomos de la Sociedad Astronómica Estadounidense que celebraban su reunión anual en la ciudad de Washington.

Los astrónomos sabían que existía el universo, claro, pero el concepto que tenían de él era muy distinto del que se tuvo desde ese día. La Vía Láctea era considerada como el universo entero. Esa banda luminosa del cielo nocturno era objeto de reflexión desde la antigua Grecia, cuando filósofos precursores de la ciencia como Anaxágoras y Demócrito especulaban que la formaban innumerables estrellas, pero Aristóteles discrepaba. Había sido Galileo quien, en 1610, confirmó que estaba formada por millones y millones de estrellas.

El problema lo planteaban ciertos manchones difusos de luz llamados “nebulosas” y que, en 1845, un aristócrata irlandés que se había permitido el mayor telescopio de su época, William Parsons, había descubierto que tenían forma de espiral. ¿Eran tales nebulosas espirales parte de la Vía Láctea o, como suponían algunos pocos, eran otros universos, otras galaxias?

En 1920, el tema fue objeto de un encuentro conocido simplemente como “El gran debate” entre Harlow Shapley y Heber Curtis, dos astrónomos estadounidenses. En ese momento, Estados Unidos ya era la mayor potencia astronómica al tener los mayores y mejor situados telescopios del mundo, y ambos científicos estaban en la vanguardia de la especialidad. El primero argumentaba, basándose en su interpretación de algunos datos, que las nebulosas espirales eran simplemente parte de la galaxia, posición mayoritaria. El segundo usaba otros datos y otras interpretaciones para sostener que eran otras muy lejanas galaxias.

Edwin Hubble estaba del lado de Curtis, y pronto tendría datos para demostrarlo.

El profesor insatisfecho

Edwin Powell Hubble nació en el Medio Oeste de los Estados Unidos, en el estado de Missouri, el 20 de noviembre de 1899. La familia se mudó a Chicago, donde el joven estudió el bachillerato y se enamoró de la joven literatura de ciencia ficción, especialmente del trabajo de Julio Verne y Henry Rider Haggard, además de desarrollar sus habilidades deportivas en el atletismo, el baloncesto y el boxeo.

Pese a haber obtenido su licenciatura en matemáticas y astronomía en 1910, cuando obtuvo una preciada beca para ir a la universidad de Oxford, en Inglaterra, prefirió dedicarse al derecho. Al volver a los Estados Unidos en 1913 se instaló como abogado, además de ser profesor de español y física en un instituto. Pronto confirmó que su vocación era la astronomía y volvió a estudiar.

Su carrera se vio interrumpida en 1917, apenas obtenido su título, cuando decidió enrolarse en el ejército debido a la Primera Guerra Mundial. Al terminar el conflicto en 1919 y con el grado de mayor del ejército, entró finalmente a ejercer su profesión como astrónomo en el observatorio del Monte Wilson, que tenía el que era en ese momento el telescopio más potente del planeta. Allí se encontró con Harlow Shapley, quien había conseguido ni más ni menos medir con precisión la Vía Láctea: 300.000 años luz. Que era, según creía, el tamaño de todo el universo.

En octubre de 1923, Hubble descubrió, en una de las nebulosas que observaba, un destello que creyó que se trataba de una nova, una estrella que estalla al final de su vida. Pero comparando diversas placas fotográficas tomadas por otros astrónomos determinó que se trataba de una estrella de la clase de las cefeidas, que se distinguen por ser variables.

El brillo de cada una de las cefeidas aumenta y disminuye en ciclos muy precisos. El de algunas dura uno o dos días terrestres, mientras que el de otras puede durar decenas de días. Dado que los cambios de las cefeidas dependen del brillo que tienen si se descuentan variables como la distancia o la interferencia de polvo interestelar, la astrónoma Henrietta Leavitt descubrió la relación entre el ciclo de cambios de brillo y la luminosidad intrínseca, lo que permite calcular la distancia a la que cada una de ellas está de nosotros.

La cefeida observada por Hubble en la nebulosa llamada M31 o, más popularmente, Andrómeda, se encontraba entonces a un millón de años luz... muy lejos de la Vía Láctea. Andrómeda era otra galaxia, otro cúmulo de estrellas como la nuestra.

Si Copérnico había sacado a la Tierra del centro del sistema solar y después habíamos descubierto que nuestro sistema solar no estaba en el centro de la Vía Láctea, Hubble había determinado que, además, nuestra galaxia era sólo una entre tantas, hoy sabemos que entre cientos de miles de millones de galaxias.

Una vez habiendo confirmado y reconfirmado sus cálculos, Hubble presentó su descubrimiento ese 1º de enero de 1925. De hecho, no lo hizo él. Por alguna causa que quedó en el misterio, dejó que fuera el astrónomo Henry Norris Russell quien lo hiciera saber al congreso de astrónomos, que en los siguientes meses confirmarían el hecho: “allá afuera” había un universo increíblemente más grande de lo que habían imaginado hasta entonces, más misterios por descubrir y más conocimientos qué obtener con sólo sus cinco sentidos.

En palabras de Edwin Hubble: “Equipado con sus cinco sentidos, el hombre explora el universo a su alrededor y llama a esta aventura Ciencia”.

La carrera de Hubble siguió cosechando logros asombrosos. En 1929 pudo demostrar que el universo estaba expandiéndose a una velocidad creciente, un logro quizá aún mayor y que fundó la cosmología moderna. Desarrolló un sistema de clasificación estelar, volvió al ejército para colaborar como científico en el esfuerzo aliado de la Segunda Guerra Mundial y después fue uno de los promotores de la construcción del observatorio del Monte Palomar, por lo que fue el primer astrónomo que utilizó su moderno telescopio. Murió poco después, el 28 de septiembre de 1953.

El Nobel esquivo El gran sueño incumplido de Edwin Hubble fue la obtención de un premio Nobel. Incluso, según se cuenta, contrató a un publicista para que promoviera su imagen con vistas al premio. Pero no hay Nobel de astronomía, y fue por tanto el gran ausente en la larga lista de reconocimientos que recibió a lo largo de su vida y después. El que se diera su nombre al telescopio espacial que nos ha mostrado de modo impactante las maravillas del universo, sin embargo, probablemente lo ha hecho más conocido de lo que lo hubiera hecho ganar el Nobel.

La certeza del Big Bang

Georges Lemaître, originador de la hipótesis del Big Bang
(Foto D.P. del archivo de la Universidad Católica de Leuven, vía
Wikimedia Commons)

Tan extrañas como la idea de que todo el universo comenzó con una gran explosión son las formas mediante las cuales los científicos saben que así fue.

En 1927, el físico, astrónomo y sacerdote belga Georges Lemaître publicó en los Anales de la Sociedad Científica de Bruselas un estudio que presentaba la conclusión, absolutamente revolucionaria, de que el universo estaba expandiéndose, algo que chocaba con la idea de que el universo tenía un estado constante y estático como creían algunos de los principales científicos del momento, incluido Albert Einstein. Y dos años después, el astrónomo Erwin Hubble publicaba la misma conclusión obtenida como resultado de diez años de observaciones, y confirmando que nuestro universo está en expansión.

En 1931, en una reunión de la Asociación Británica en Londres, Lemaître aprovechó para presentar una propuesta aún más revolucionaria: la expansión del universo tenía que haber comenzado en un solo punto, que él llamó el “átomo primigenio”, idea que publicó en la revista “Nature” poco después. El universo, decía, había comenzado como un “huevo cósmico que estalló al momento de la creación”. Si todas las galaxias se estaban alejando unas de otras a gran velocidad, el simple experimento mental de dar marcha atrás al proceso llevaba forzosamente a un punto en el que todas las galaxias estaban en el mismo lugar. La idea, claro, no sólo contradecía el relato del Génesis, sino que entre la comunidad científica fue recibida con un sano escepticismo a la espera de evidencias sólidas que confirmaran los desarrollos matemáticos.

Einstein, que había rechazado la idea del universo en expansión para luego aceptarla, no hallaba la conclusión justificable. A otros, como el respetado Sir Arthur Eddington, les parecía muy desagradable. En los años siguientes se propusieron -y abandonaron- varias teorías alternativas.

Para fines de los años 40 quedaban dos opcione viables, la de Lemaître y la del “universo estacionario” del inglés Fred Hoyle. En 1949, en un programa de radio de la BBC donde defendía sus ideas, Hoyle describió la teoría de Lemaître como “esta idea del big bang”, que hoy llamamos “gran explosión” pero que sería lingüísticamente más preciso traducir como “esta idea del gran bum”, y que el británico utilizó para explicarla a diferencia de su propia teoría, presentada con más seriedad, que pretendía demostrar que el universo se expandía mediante la creación continua de materia.

Seguramente, Fred Hoyle no esperaba que, finalmente, la teoría de Lemaître acabaría siendo conocida como el “Big Bang” y, para más inri, finalmente sería aceptada como la teoría cosmológica estándar en la física.

Las evidencias

La expansión del universo, la primera evidencia e indicio del Big Bang, se determinó midiendo el llamado “corrimiento al rojo” o “efecto Doppler” en la luz de las galaxias que nos rodean. Así como el sonido de un auto de carreras es agudo cuando se acerca a nosotros, pero cuando nos pasa y se aleja se vuelve grave, la luz de los objetos que se acercan de nosotros a enormes velocidades se vuelve más azul, y si se alejan se vuelve más roja. Ese desplazamiento hacia el rojo en la luz visible de las galaxias permite medir la velocidad a la que se alejan de nosotros. Las más cercanas se alejan a una velocidad menor, y las más lejanas lo hacen a velocidades mucho mayores, lo que se expresa matemáticamente como la “Ley de Hubble”.

Así, pues, la expansión del universo es un hecho demostrable, medible, que se confirma continuamente en las observaciones astronómicas y que apunta claramente a que comenzó en la explosión de hace unos 13.750 millones de años.

Otra evidencia fue aportada por el físico George Gamow, que en 1948 publicó un estudio mostrando cómo los niveles de hidrógeno y helio que sabemos que existen en el universo, podrían explicarse mediante las reacciones acontecidas en los momentos inmediatamente posteriores al Big Bang. Curiosamente, sería el propio Fred Hoyle quien daría la explicación física y matemática de la presencia de todos los demás elementos de la tabla periódica más pesados que el hidrógeno y el helio.

Un alumno de Gamow, Ralph Alpher, y otro físico, Robert Herman, llevaron las predicciones teóricas basadas en el modelo del Big Bang más allá, calculando que debido a la colosal explosión debía quedar una radiación cósmica de microondas que sería homogénea y estaría a una temperatura de 5 grados por encima del cero absoluto, una radiación que se encontraría en todo el universo, un vestigio, un “eco”, valga la metáfora, del cataclísmico acontecimiento.

El momento esencial para la aceptación de la teoría del Big Bang llegó en 1964, cuando dos científicos de los laboratorios de la empresa telefónica Bell, Arno Penzias y Robert Woodrow, descubrieron precisamente la radiación cósmica de microondas predicha por Alpher y Herman. Penzias y Woodrow estaban tratando de eliminar un ruido de interferencia en una antena parabólica de radio, pero al no conseguirlo concluyeron que la fuente de este ruido tenía que estar en el espacio. Otros científicos la interpretaron como radiación de fondo o ruido de fondo del universo. Esta radiación era exactamente como la predicha por el estudio de Alpher y Herman.

Este hecho fue decisivo para que la teoría del Big Bang, desarrollada intensamente por varios estudiosos desde el planteamiento inicial de Lemaître. Penzias y Woodrow recibieron el Nobel de Física de 1978. Cualquier radiotelescopio lo bastante sensible puede “ver” este brillo tenue, que viene de todas partes del universo y cuya existencia es testimonio de esa gran explosión. La medición de la radiación cósmica de microondas fue confirmada en la década de 1990 por las observaciones del satélite COBE.

Los astrofísicos, además, han observado detalladamente la forma y distribución de las galaxias y los cuásares (fuentes de radio “casi estelares” situadas en el centro de galaxias masivas) en el universo, así como la formación de estrellas y los objetos de distintas edade, y todas las observaciones son consistentes con lo que espera la teoría del Big Bang.

Ahora que sabemos cómo comenzó todo (literalmente todo) aún queda por definir cómo va a acabar todo. Porque nuestro universo, finalmente y después de milenios de especulaciones, tuvo un principio y, de un modo u otro, tendrá un final.

Una teoría, varias visiones Las ideas esenciales del Big Bang explican satisfactoriamente el origen y estado actual del universo, pero hay aspectos como la materia oscura o la energía oscura y problemas teóricos (como el de la geometría del universo o la asimetría entre materia y antimateria) que siguen siendo estudiados tanto teóricamente como matemáticamente y que dejan grandes espacios para perfeccionar el modelo cosmológico aceptado hoy.

El principio de todo

En el principio hubo una gran explosión, después vinieron los físicos a tratar de entenderla, explicarla y preguntarse a dónde va.

Cronograma del universo y la sonda WMAP.
(Imagen D.P. de la Nasa, traducción de Luis Fernández
García, via Wikimedia Commons)

El origen de cuanto nos rodea es una de las preguntas esenciales de la humanidad. Todos los mitos comienzan con una visión de la creación del mundo o el universo. La filosofía y la ciencia también han enfrentado el problema que presenta la sola existencia de "algo". Hoy en día, la ciencia cuenta con una teoría desarrollada y fundamentada en las observaciones que hemos realizado, y que propone una explicación al origen del universo, la llamada "Teoría del Big Bang" o "Teoría de la Gran Explosión", que postula que hubo un momento preciso en el que se dio una gigantesca explosión en la cual se creó todo nuestro universo: la materia, el espacio y el tiempo. Esta idea se ha difundido desde los años 50, y la frase "big bang" es ya parte del habla común. Sin embargo, es oportuno señalar cómo se llegó a esta teoría y cómo se ha comprobado hasta permitirnos decir que es la mejor forma que tenemos para explicar el origen del universo.

Cuando no se sabía que las "nebulosas espirales" eran galaxias, se observó que dichas nebulosas se estaban alejando de la Tierra. Con base en esto y en los desarrollos de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general de matemáticos como el ruso Alexander Friedmann en 1922, el sacerdote católico belga Georges Lemaître propuso en 1927 que el universo había comenzado como un "átomo primordial". Por entonces, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble, que da su nombre al famoso telescopio orbital, había anunciado que las nebulosas eran galaxias muy lejanas, y en 1929 dio a conocer que el universo estaba en expansión, algo que era coherente con las ecuaciones de Einstein, pero también era una observación que confirmaba la teoría del "Big Bang". Si todo el universo estaba en expansión hacia todas partes a la vez, es lógico pensar que en un momento dado estuvo todo en el mismo sitio. Si pasáramos la película del desarrollo del universo hacia atrás, el universo se contraería hasta que, en un momento dado, que se ha calculado que ocurrió hace unos 13.700 millones de años, todo estaría concentrado en un mismo punto.

Había otras teorías de la física que pretendían explicar el universo, por supuesto, entendiendo "teoría" no como una suposición, especulación o conjetura, que se como utilizamos la palabra en el habla cotidiana, sino como la plantea la ciencia: un modelo de la forma de interacción de un conjunto de fenómenos naturales capaz de predecir acontecimientos y observaciones, y que está planteado de tal forma que pueda demostrarse que es falso en caso de que lo sea. De hecho, las ecuaciones de Friedmann eran compatibles con dos teorías, la del "estado estable" de Fred Hoyle y la del "átomo primordial". Para saber cuál describía mejor al universo, había que esperar nuevos datos.

La teoría del Big Bang implicaba que el universo, en sus primeras etapas, era un plasma muy caliente de fotones, electrones y bariones (familia de partículas subatómicas que incluye a los protones y neutrones). Al expandirse y enfriarse el universo, siempre según esta teoría, los fotones de aquel plasma se disociarían de la materia y se enfriarían, y por tanto debería existir una radiación cósmica de microondas de fondo en todo el universo observable, formada por dichos fotones, con características muy precisas. En 1965, los astrofísicos Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson realizaron observaciones de radioastronomía que mostraban un exceso de temperatura en la radiación que, se demostró pronto, no era sino la observación directa de la radiación cósmica de fondo, una radiación que era exactamente como la había predicho la teoría del Big Bang. Este descubrimiento le valió el Nobel de Física a Penzias y Wilson en 1978. En los años 70, mediciones más finas de la radiación cósmica de fondo establecieron que era, efectivamente, el "eco" o los restos observables de la gran explosión, y sus características eran tales que ninguna otra de las teorías desarrolladas hasta el momento podían explicar. Desde entonces, los avances tecnológicos han permitido hacer observaciones adicionales que confirman la teoría del Big Bang y amplían lo que sabemos. Al mismo tiempo, como suele ocurrir en la ciencia, abren una enorme cantidad de nuevas interrogantes que antes ni siquiera sabíamos que existían, como la existencia de la "energía oscura".

La parte más extraña de la teoría del Big Bang es, sin duda, lo que había al momento de la gran explosión. Si el tiempo y el espacio se iniciaron precisamente al ocurrir la explosión, la pregunta "¿qué había antes allí?" carece de sentido, porque no había un "antes" al no existir el tiempo. Queda por saber qué hizo explosión para dar origen a nuestro universo. La teoría de la relatividad general dice que se trataría de lo que los físicos llaman uns "singularidad", un punto donde las cantidades que se usan para medir el campo gravitacional (la curvatura del tiempo o la densidad de la materia) se vuelven infinitas. Los agujeros negros son pequeñas singularidades, de modo que se puede decir que el universo comenzó con un enorme agujero negro en el que estaban compactados la materia, el tiempo y el espacio. Por qué hizo explosión tal singularidad es una pregunta que, sin embargo, aún estamos muy lejos de poder intentar responder con alguna certeza.

Lo mismo pasa con lo que le ocurrirá después al universo, aunque la solución es, en principio, más sencilla, pues depende de la cantidad de materia que contiene y de su velocidad de expansión, y hay dos especulaciones principales. Si tiene suficiente masa y una velocidad correspondientemente "lenta", la expansión del universo se detendrá en algún momento y empezará el "gran aplastamiento", con el universo contrayéndose hasta convertirse nuevamente en una singularidad. Pero si la velocidad es demasiado alta y la masa insuficiente, el universo se expandirá eternamente, desordenándose cada vez más de acuerdo con las leyes de la termodinámica y enfriándose cada vez más, acercándose al cero absoluto, posibilida que se llama, como corresponde el "gran congelamiento". O podría pasar otra cosa que hoy ni siquiera nos podemos imaginar.

El nombre era una broma En 1949, Fred Hoyle se refirió burlonamente a la teoría del "átomo primordial" de Lemaitre como "this big bang idea" ("esta idea de una gran explosión"). A Hoyle le pareció que su chiste era bueno para denigrar la teoría opositora y lo repitió en 1950. Al poco tiempo, no sólo se demostraba que la teoría de Lemaitre era la más precisa, sino que el nombre "big bang" era adoptado por los físicos como una descripción sencilla, corta y clara de lo que ocurrió en ese primer instante.