El Universo solo tiene una historia porque estamos aquí para contarla.
Claro, la historia cósmica comenzó mucho antes de que nuestros ancestros caminaran sobre la Tierra. Si comprimimos los 13.800 millones de años del Universo en un solo marco de 24 horas, los Homo sapiens llegaron alrededor de 1,88 segundos antes de la medianoche, hace 300.000 años.
Pero el Universo que existió antes de nuestras historias estaba mudo. Siguió su evolución desde el Big Bang en adelante sin criaturas capaces de reconstruir cómo la materia primordial se convirtió en estrellas y planetas. Y aunque haya otras inteligencias capaces e interesadas en contar la historia cósmica, lo harán a su manera. Su historia cósmica no será como la nuestra.
Durante el siglo XX, la cosmología moderna surgió de las matemáticas especulativas para florecer en una ciencia rica en datos. Esta revolución en nuestra comprensión del Universo involucró una combinación de extraordinarios avances teóricos y tecnológicos.
Es simplemente espectacular.
Los espejos que capturan la luz en los telescopios ópticos crecieron. Desde el telescopio de 100 pulgadas (2,54 metros) en el Monte Wilson -el que Edwin Hubble usó para descubrir la expansión del Universo en 1929- pasamos a usar gigantes como el Telescopio Sudafricano de 36 pies. Muchos estudiantes de Dartmouth, la universidad donde trabajo, están allí ahora mismo, aprendiendo y explorando el Cosmos.
Telescopios gigantes aún más grandes están a punto de comenzar a operar, como el Extremely Large Telescope , o ELT, ubicado en el desierto de Atacama en Chile. El ELT tiene un espejo con un diámetro de 39 metros, y es solo uno de muchos telescopios de este tipo. El ELT recogerá 100 millones de veces más luz que el ojo humano y cuenta con una cúpula que pesa 6.000 toneladas.
No satisfechos con nuestros telescopios terrestres, ahora hemos lanzado nuestros ojos exploradores al espacio, con telescopios montados en observatorios satelitales como el Telescopio Espacial Hubble , en funcionamiento desde 1990, y, por supuesto, el asombroso Telescopio Espacial James Webb , que fue lanzado apenas en 2022.
Sumemos a esos telescopios terrestres y espaciales otros que buscan luz que no es visible para el ojo humano, desde radio hasta microondas, infrarrojos, rayos gamma e incluso ondas gravitacionales, y nuestra visión del Cosmos se multiplica por mil.
Cuanto más aprendemos sobre el Universo, más extraño y fascinante se vuelve. Nuestra narrativa moderna de la creación, porque de eso se trata la cosmología, es una historia de materia que crece en complejidad desde sus componentes más simples, las partículas elementales, hasta átomos, estrellas, galaxias, planetas y vida.
Cada nuevo descubrimiento genera nuevas preguntas, lo que crea una emoción y un drama interminables. Dado que la ciencia es un coqueteo con lo desconocido, por lo general no podemos predecir lo que encontraremos a medida que ampliamos nuestra visión del Universo.
La sola cuestión sobre cómo llegamos a contar la historia cósmica no es, en sí mismo, una historia simple. No se mueve en línea recta de A a B. Es una historia llena de sorpresas y preguntas abiertas, algunas de las cuales llevan a la ciencia al límite y más allá. Es una historia con un comienzo nebuloso.
El descubrimiento de la expansión cósmica
En 1924, Edwin Powell Hubble, un astrónomo estadounidense, usó el telescopio en la cima del Monte Wilson de California para responder una pregunta que encendió un acalorado debate entre los astrónomos: ¿Es la Vía Láctea la única galaxia en el Universo, o hay muchas otras por ahí?
Lo creas o no, fue solo en ese año que confirmamos que había muchas galaxias dispersas por el espacio. Hasta entonces, las nebulosas borrosas detectadas por los telescopios se consideraban partes de la Vía Láctea. Hubble mostró que muchos eran «universos islas» propios, conglomerados de estrellas fuera de los confines de nuestra galaxia natal. De repente, el Universo creció en tamaño y en posibilidades.
En 1929, Hubble anunció su segundo descubrimiento impactante.
Descubrió que las galaxias no solo están ahí afuera, sino que se están alejando unas de otras. Además, utilizando sus escasos datos y algunas aproximaciones, Hubble concluyó que las galaxias se alejaban unas de otras con velocidades proporcionales a su distancia.
Una galaxia dos veces más lejos de la nuestra se alejaría de nosotros el doble de rápido. Esto se conoció como la expansión del Universo . A partir de entonces, el Universo ganó una historia. Se convirtió en una entidad existente no sólo en el espacio sino también en el tiempo. Porque si las galaxias se estaban alejando, eso significa que estaban más cerca en el pasado. Si llevamos esta imagen al límite, hubo un tiempo muy lejano en el que todos estaban comprimidos en una región muy pequeña del espacio.
Ese tiempo, por extrapolación, fue el comienzo de la historia cósmica, el momento en el tiempo que más tarde se conoció como el Big Bang , donde el razonamiento científico, como veremos, se torna turbio.
Hubble hace su ley cosmológica
Para concluir que el Universo se está expandiendo, Hubble necesitaba dos números: la distancia a las galaxias cercanas y su velocidad de retroceso. Adquirir cualquiera de los dos llevó el poder de observación al límite.
Para obtener la distancia, Hubble primero trató de encontrar tipos especiales de estrellas en las galaxias conocidas como variables Cefeidas . Estas son estrellas que pulsan periódicamente, variando en diámetro y temperatura. Son lo que los astrónomos llaman velas estándar: objetos que tienen propiedades muy regulares y, por lo tanto, pueden usarse para calibrar distancias.
Por ejemplo, si tuvieras que alinear las mismas linternas a lo largo de un campo abierto, podrías usar el hecho de que el brillo cae con el cuadrado de la distancia para medir la distancia a cada linterna.
Hubble encontró algunas Cefeidas en diferentes galaxias para estimar la distancia a esas galaxias. Moviéndose a galaxias más lejanas, buscó las estrellas más brillantes en cada una y supuso que tenían el mismo brillo intrínseco. Las aproximaciones de Hubble fueron tan valientes como brillantes.
Para estimar la velocidad de la recesión, Hubble utilizó el efecto Doppler , que es familiar para la mayoría de las personas por su efecto en las ondas sonoras. Cuando se acerca una fuente como una sirena o una bocina, escuchamos que el tono o la frecuencia aumentan. Cuando se alejan, el tono disminuye. Entonces, la frecuencia de las ondas de sonido aumenta y disminuye a medida que la fuente se acerca y luego retrocede en la distancia.
Lo mismo sucede con las ondas de luz.
Una fuente de luz que se aproxima cambia a frecuencias más altas, hacia el extremo azul del espectro, mientras que una fuente que se aleja cambia a frecuencias más bajas, hacia el rojo. Esto se conoce en astronomía como redshift. Hubble notó que mientras algunas galaxias se acercaban a nosotros, como nuestra vecina gigante Andrómeda, la mayoría se alejaba de la Vía Láctea.
Con la distancia y la velocidad, Hubble pudo estimar la velocidad a la que estaba ocurriendo la expansión, que escribió como lo que ahora llamamos la ley de Hubble: V = HD, donde V es la velocidad de retroceso de la galaxia, D la distancia y H la tasa, dándonos dimensiones de tiempo inverso (Recuerda que la velocidad es distancia/tiempo).
La constante H, ahora llamada constante de Hubble, es un número esencial en cosmología. Su inversa da una estimación de la edad del Universo. H es notoriamente difícil de medir y ha sido el centro de mucha controversia a lo largo de la historia, controversia que persiste hoy.
Todo el espacio se extiende
Usando sus datos, Hubble estimó la edad del Universo en unos 2 mil millones de años. Esto era un problema dado que en esa época ya se sabía que la Tierra era más antigua que eso, y una hija no puede ser mayor que su madre.
Este problema solo se resolvería muchos años después, con un telescopio más potente. Pero el Hubble había ayudado a difundir la narrativa más amplia. El Universo comenzó en algún momento del pasado y se ha ido expandiendo desde entonces.
A pesar de que los teóricos de la década de 1920 ya habían especulado que el Universo se estaba expandiendo, muchos optaron por no creer nada de eso. Los debates fueron feroces. La gente estaba (y está) confundida acerca de lo que significaba la expansión. Imaginaron el centro del Universo como una bomba que explotaba en algún punto, y las galaxias como metralla que se alejaba de ese punto.
La verdad, por supuesto, es mucho más interesante. No hubo un lugar en el espacio donde ocurrió el Big Bang. La expansión del Universo es un estiramiento de todo el espacio, y las galaxias son arrastradas en todas direcciones como troncos flotando en un río. Este es el flujo cósmico. Hay variaciones locales, cuando la fuerza de atracción gravitacional entre galaxias supera la expansión cósmica, como en el caso de Andrómeda.
Esta perturbación en el flujo cósmico se conoce como movimiento peculiar.
Pero como un todo, el Universo se está extendiendo inexorablemente hacia afuera.