Vale, el Universo se expande. Pero, ¿cómo lo sabemos? ¿Quién lo descubrió? ¿Cómo se expande? ¿Qué información nos aporta saber cómo es la expansión? Ninguna de estas preguntas tiene una respuesta sencilla, pero en este artículo vamos a intentar poneros en situación con una de las cuestiones que más intrigan a los cosmólogos. Vamos a ello.
Para entender cómo se han ido sucediendo los hechos hay que ponerse en un contexto histórico: 1917, Einstein ya había publicado la Relatividad General y dado una solución a sus ecuaciones que resultaba en un modelo de Universo estático y, por tanto, con constante cosmológica. Por su parte, de Sitter había publicado otra solución que daba un modelo en el que el Universo se expandía, aunque la comunidad científica lo tomó sólo como un ejercicio matemático, ya que de Sitter había hecho sus cálculos postulando que el Universo estaba vacío. Y dado que nosotros estamos aquí, obviamente esta solución no podía ajustarse a la realidad.
Sin embargo, a la comunidad no le convencía el modelo de Einstein, ya que había forzado las ecuaciones para obtenerlo. Entre 1922 y 1924, Friedman publicó un par de artículos obteniendo otros modelos de Universo teniendo en cuenta diferentes condiciones iniciales. Una de estas pruebas daba como resultado un Universo con materia y en expansión. Sin embargo, el rechazo de Einstein a este tipo de soluciones y la muerte de Friedman en 1925 le quitaron importancia a estos resultados. Es aquí donde Lemaître y Hubble entran en escena.
El primero era un joven que estudió física y matemáticas en la Universidad Católica de Lovaina y que posteriormente se ordenó sacerdote en 1923. Fue discípulo de Eddington, uno de los mayores defensores de la Relatividad, en la Universidad de Cambridge (Inglaterra) y posteriormente se trasladó a Cambridge (Massachusetts) donde estuvo muy en contacto con la astronomía más experimental y observacional de Shapley, Slipher y Strömberg. El trabajo de estos tres astrónomos se centraba en medir el tamaño de nuestra galaxia y en medir las velocidades de nebulosas espirales no galácticas. Sorpresa, todas mostraban un corrimiento al rojo, es decir, se alejaban de nosotros.
Por su parte Hubble era un joven norteamericano que pasó de estudiar leyes en Oxford a doctorarse en física en la Universidad de Chicago en 1929. Intrigado por las observaciones de Huggins medio siglo antes, que mostraban el corrimiento al rojo en el espectro de la estrella Sirio, Hubble se centró en comprobar si esto ocurría con otros objetos. Desde su observatorio en el Monte Wilson, por la época el más preciso del mundo, se dedicó a estudiar si las galaxias más lejanas mostraban también este corrimiento al rojo, es decir, si se alejaban de nosotros. Sorpresa, todas las galaxias, excepto las del grupo local, se alejaban de nosotros. Incluso llegó a observar que se alejaban tanto más rápido cuanto más lejos estaban.
Ley de Hubble: todas las galaxias, excepto las del grupo local, se alejan de nosotros tanto más rápido cuanto más lejos están
Y es aquí donde surge la genialidad de estos dos astrónomos que llegaron a la misma conclusión de forma independiente. Primero, ¿qué es el corrimiento al rojo? Cuando se observa la luz de un astro y se analiza mediante espectrometría, se obtienen las frecuencias que componen esa luz, como líneas en un código de barras. Cuando los objetos se están acercando a nosotros, esas líneas se ven todas desplazadas en bloque hacia el azul, es decir, hacia una zona más energética del espectro. Cuando los objetos se alejan de nosotros, se ven desplazadas hacia el rojo, hacia partes menos energéticas.
Esto se debe, grosso modo, a que si la fuente de luz se mueve hacia nosotros, lo que vemos es que las ondas que va emitiendo se juntan; si se aleja, vemos que las ondas se separan. Es la misma experiencia por la cual si vemos una foto de una lancha moviéndose, sabemos hacia donde se movía mirando las ondas en el agua: donde las ondas estén más juntas será la proa y donde estén más separadas será la popa. Ocurre igual con el sonido de las ambulancias: es más agudo, y por tanto más energético, cuando se acerca, y más grave o menos energético cuando se aleja.
En el efecto Doppler, cuando el emisor se acerca a nosotros vemos un desplazamiento al azul y cuando se alejan de nosotros vemos un corrimiento al rojo
Hasta aquí bien, esto es lo que se llama Efecto Doppler, un fenómeno que tanto Lemaître como Hubble conocían bien. Pero, ¿es ésto lo que estaban observando? Ambos llegaron a la conclusión de que no podía ser. Lemaître aplicó estas observaciones en la búsqueda de un modelo cosmológico a traves de las ecuaciones de Einstein sin modificar y obtuvo un Universo con materia y en expansión. Hubble llegó a la conclusión lógica de que si todo se aleja de todo, es que es el propio Universo en el que se expande. Por tanto, ese corrimiento al rojo no se debe a que las galaxias estén desplazándose por el Universo como una ambulancia sobre la calzada, sino que la ambulancia está parada y es la propia calzada la que se estira, alejando la ambulancia de nosotros.
El resultado es el mismo: un corrimiento al rojo de los espectros de las galaxias, pero el fenómeno que lo origina no lo es. Al expandirse el espacio-tiempo, la luz que emiten los objetos se estira con ellos, la onda se alarga y baja la frecuencia hacia zonas menos energéticas del espectro, es decir, hacia el rojo. Este desplazamiento al rojo lo conocemos también como redshift (z). Además, podemos saber a qué velocidad se aleja una galaxia de nosotros simplemente multiplicando el redshift por la velocidad de la luz. Así pues nos queda una expresión matemática para la expansión del Universo muy sencilla, donde z es el redshift, D la distancia actual a la galaxia, c la velocidad de la luz y H la constante de Hubble. Es ésta última la que nos dice cómo de rápido se expande el Universo: Lemaître obtuvo un valor para H de 575(km/s)/Mpc y Hubble 500(km/s)/Mpc.
El corrimiento al rojo cosmológico no se debe a efecto Doppler, sino a que el Universo se expande y el espacio aumenta entre los objetos
Bien, misterio resuelto. Ya sabemos que el Universo se expande, sabemos quienes lo descubrieron y podemos saber a qué velocidad lo hace. Aunque en cosmología las cosas nunca son tan sencillas.
En primer lugar, la autoría del descubrimiento ha estado en duda bastante tiempo. Lemaître publicó antes los resultados (1927), pero en una pequeña publicación belga y en francés, por lo que a penas nadie le leyó. Dos años más tarde publicó Hubble. Además, por su trayectoria, Lemaître era conocido entre los cosmólogos, incluso le envió a Einstein su trabajo, quien lo consideró un matemático brillante sin fundamento físico. Hubble estaba bastante fuera de la élite científica del momento. Incluso comparando ambos trabajos, el de Lemaître es mucho más completo, ya que aúna teoría y observación, planteando un problema teórico y sus implicaciones, encuentra la solución teórica más adecuada para un universo con masa y lo testea con datos observacionales. Posteriormente analiza los resultados y llega a conclusiones. El trabajo de Hubble tiene otra estructura: realiza muchas observaciones y aplica diferentes técnicas estadísticas para encontrar la expresión que mejor ajusta a los datos, pero luego apenas interpreta los resultados. Sin embargo, la publicación de Hubble fue más sonada y se quedó con el descubrimiento. Aunque en la Resolución 4B de la XXX Asamblea General de la Unión Astronómica Internacional (2018) se hace justicia y se acuerda que la ley de Hubble pasa a llamarse Ley de Hubble-Lemaître. Sin duda una reparación histórica necesaria.
En reparación histórica, la IAU acuerda renombrar la ley como Ley de Hubble-Lemaître
En cuanto a medir el valor de la constante de Hubble con precisión, es bastante complejo porque tenemos que medir distancias a objetos muy lejanos en diferentes momentos para ver lo rápido que se han movido. El primer problema es ver con precisión objetos tan lejanos y poco brillantes. Una vez los tienes, medir distancias es uno de los grandes problemas en astrofísica, cuanto más hacerlo con la precisión necesaria. El Telescopio espacial Hubble da un valor de 73.8+-2.4(km/s)/Mpc, el Spitzer 74.2+-1(km/s)/Mpc, el Planck 67.1+-1.2(km/s)/Mpc.
Además, si la expansión resulta, como parece ser actualmente, acelerada, la constante ya no es tal. El Universo se expande cada vez más rápido, así que la constante de Hubble será cada vez mayor, no tiene siempre el mismo valor.
Medir con precisión la constante de Hubble es uno de los principales problemas cosmológicos
Actualmente sigue siendo un problema y no paran de buscarse nuevos métodos para medir con más precisión distancias: ondas gravitacionales, másares en galaxias activas, gigantes rojas…
¿Por qué es tan relevante? Conocer bien cómo es la expansión del Universo nos ayuda a dilucidar cuestiones muy relevantes:
El tamaño del Universo observable y el Universo real. Ya que la Ley de Hubble-Lemaître nos relaciona el redshift con la distancia. Dado que cuanto más lejos está un objeto, más rápido aumenta la distancia entre nosotros y él, habrá una distancia a partir de la cual el Universo se expanda más rápido que la luz, por lo que la luz de los objetos que se encuentren a partir de esa distancia nunca podrá llegar hasta nosotros. Este es el límite de Hubble y marca el tamaño del Universo Observable. El objeto con mayor corrimiento al rojo medido se corresponde con el objeto más lejano observado: GN-z11, una pequeña galaxia ubicada en la Osa Mayor, a unos 13400 millones de años luz.
Ahora bien, la luz que vemos hoy de GN-z11 ha tardado 13400 millones de años en llegar, así que durante este tiempo el Universo ha seguido creciendo y hoy esa galaxia estará más lejos. Dentro de 13400 millones de años sabremos dónde se encuentra ahora mismo, será más lejos y por tanto el tamaño de nuestro Universo observable habrá crecido, pero ya se habrá vuelto a alejar.
El tamaño del Universo observable va creciendo con el tiempo, pero el del Universo no observable, ese que se aleja más rápido que la luz, también.
La naturaleza de la Energía Oscura. Saber si la expansión se acelera o se frena y a qué ritmo lo hace nos ayuda a saber cómo es exactamente la Energía Oscura, que es la responsable de la expansión. Esto es, si es un fluido ideal o no, y por tanto podremos saber cuál será el futuro del Universo.
La curvatura del espacio. Si podemos estimar un tamaño para el Universo con fiabilidad y la naturaleza de la energía oscura, podremos saber qué forma tiene el Universo a gran escala.
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