El universo en expansión

[índice de contenidos de cosmología]: [resumen][introducción] [el principio cosmológico] [el
universo en expansión][El significado de la expansión][La dinámica de la expansión y el problema
de la masa oscura] [El universo primitivo] [Conclusiones][Poscriptum] [Bibliografía]
El universo en expansión
Edwin Powell Hubble nació en Marshfield, Missouri, en 1889. Obtuvo
una beca Rhodes de la universidad de Oxford y fue un atleta consumado.
Estudió Derecho y durante algún tiempo ejerció como abogado en
Kentucky, aunque esta profesión dejó pronto de interesarle. Su pasión
era la astronomía. A pesar de su poco ortodoxa formación académica
logró tener acceso al que por entonces era el mayor telescopio del
mundo con 250 cm de diámetro, el observatorio Mount Wilson en el sur
de California. Hubble ha sido descrito como "un científico
extraordinariamente exacto y cuidadoso que normalmente se abstenía de
hacer afirmaciones que no estuviesen bien apoyadas en evidencias". Sus
estudios inauguraron lo que podríamos denominar astronomía
extragaláctica; descubrió nuevos indicadores de distancias como las
variables cefeidas, empleó estadística de galaxias para concluir que
éstas estaban distribuidas en el cielo de una manera uniforme, catalogó
los diferentes tipos de galaxias según su morfología y creó un primer
esquema evolutivo de éstas que, aunque erróneo, sigue siendo utilizado
como sistema de clasificación. Pero, sin duda, su mayor descubrimiento,
y con toda seguridad uno de los más importantes de la historia de la
humanidad, fue la expansión del universo. Basándose en una técnica ya
desarrollada anteriormente por el astrónomo estadounidense Vesto
Melvin Slipher (1875-1969), Hubble atacó entonces la secular creencia
de que el universo era estático, idea a la que Einstein se aferró
tenazmente a pesar de que sus ecuaciones de la Relatividad General
indicaran todo lo contrario.
En 1909, el polémico astrónomo Percival Lowell (1855-1916) –más
conocido por su extravagante interpretación de aparentes líneas que
surcan la superficie de Marte como canales de agua construidos por una
supuesta civilización marciana– instruyó a Slipher para que hiciese
observaciones del espectro de las nebulosas espirales. Slipher constató
el hecho de que la mayoría de nebulosas presentaban desplazamientos
al rojo en sus espectros. Y aunque recibió una gran ovación en una de
las reuniones de la Sociedad Americana de Astronomía por este
descubrimiento, nadie, incluido el propio Slipher, estaba seguro de lo que
tales observaciones podían significar.
Cuando en 1929 Hubble
describió sus primera
investigaciones sobre los
desplazamientos al rojo,
poseía valores para 46
nebulosas extragalácticas y
afirmaba tener distancias
exactas para 24 de ellas. Al
comparar los enrojecimientos
de esas 24 nebulosas con sus
distancias, consideró que el
modo más simple de
representar los datos era una
relación lineal desplazamiento
al rojo versus distancia.
Representación de la velocidad frente a la distancia con
los datos originales de 1929.
Esta relación, conocida como la ley de Hubble, fue la primera ley
verdaderamente cosmológica y fue rápidamente aceptada en la
comunidad astronómica por cuatro motivos básicos (siguiendo a W. R.
Smith). Primero, un buen número de astrónomos había intentado, antes
de 1929, establecer observacionalmente una relación entre distancia y
desplazamiento al rojo, de manera que el terreno que había que cubrir
estaba perfectamente definido. Segundo, Hubble había utilizado el mejor
telescopio del momento, Mount Wilson, y su prestigio en el estudio del
dominio extragaláctico, así como su meticulosa calibración de distancias
extragalácticas, hacía que sus resultados fueran de gran fiabilidad.
Tercero, la ley fue inmediatamente corroborada por el también
prestigioso astrónomo Willem de Sitter a partir de sus propias
observaciones. Cuarto, hacia finales de los años veinte, los teóricos
habían adquirido una clara consciencia de lo inadecuado de una solución
estática para el universo dentro de la Relatividad General. De hecho,
Hubble había planificado su investigación para contrastar el modelo de
universo de de Sitter.
Einstein fue uno de los primeros conversos a la nueva idea de un
universo dinámico en expansión. Recuperaba así la simplicidad lógica de
sus ecuaciones de campo iniciales de la Relatividad General que había
deshecho por conservar la idea, no falta de prejuicios, de un universo
estático. Einstein se dio cuenta, con toda seguridad, que esos prejuicios
le impidieron hacer la predicción teórica más importante de la historia.
Sería, en sus propias palabras, "la mayor pifia" de su vida científica. En
1930, Einstein y su esposa Elsa visitaron Mount Wilson, donde Hubble
les enseñó el observatorio. Se cuenta que cuando Hubble le explicaba a
Elsa que el telescopio de 250 cm se usaba para estudiar la estructura del
cosmos, ella respondió:"¡vaya, vaya!. Mi marido lo hace en la parte de
atrás de un viejo sobre". Sin duda, fueron estos dos grandes hombres de
ciencia y el diálogo que establecieron entre teoría y experimento, los que
hicieron de la Cosmología una disciplina científica en todo su derecho
que ha revolucionado nuestra actual comprensión del universo.
Sin embargo, Hubble no se había dado por satisfecho. En el último
párrafo de su artículo de 1929 escribió que la relación lineal era "una
primera aproximación que representa un alcance restringido en
distancia", de modo que él sospechaba que podía haber una relación
más complicada de la que su ley era una aproximación. Hubble deseaba
confirmar la aplicabilidad de su ley a objetos más lejanos. En 1936, en su
ya clásico "The realm of the nebulae" ("El reino de las nebulosas"),
Hubble explicaba la estrategia que subyacía a su metodología:
"Un grupo aislado de datos es estudiado y los resultados interpretados
respecto al marco del conocimiento general. Luego sigue el proceso de
extrapolación y contraste, y la pertinente revisión. Las observaciones y
las leyes que expresan sus relaciones son contribuciones permanentes al
conjunto del saber (...). La investigación se extiende hacia arriba y
despliega una región observable que circunda a un centro dado —un
dominio del conocimiento positivo—. Allende el horizonte, queda el reino
de la especulación. El observador, si se aventura en él, sólo puede dirigir
su relación empírica a las alturas y buscar inconsistencias con
extrapolaciones procedentes de otros centros".
En 1931, extendió su estudio hasta objetos situados (según su
calibración de distancias) a 32 Mpc, un enorme "salto a las alturas" si se
contrasta con el objeto más distante del esquema de 1929, situado a 2
Mpc. Había además muchos más puntos en el diagrama de 1931 y la
correlación lineal entre desplazamiento al rojo y distancia parecía ser
incluso más nítida que antes. El colaborador de Hubble en el artículo de
1931, Milton Lasell Humason (1891-1972), dio una interpretación del
desplazamiento al rojo como debido al efecto Doppler por la velocidad de
recesión de las galaxias, pero muchos astrónomos se mostraron
incrédulos ante el orden de magnitud de velocidades de hasta 20,000
km/s. El valor de la constante de Hubble (H0~550 km s-1Mpc-1) deducida
parecía implicar, si uno extrapola la expansión presente hacia atrás en el
tiempo despreciando cualquier tipo de aceleración en la expansión, que
hubo un tiempo, unos dos mil millones de años atrás, en que toda la
materia del universo se hallaba empaquetada mucho más densamente
que en la actualidad. De ahí sólo distaba un pequeño paso para hablar
de la edad del universo. Pero alrededor de 1930 ya era conocida la
técnica de datación por desintegración radiactiva y Ernest Rutherford
(1871-1937) había establecido, de su estudio de la desintegración de los
isótopos del uranio, una edad mínima aproximada de la Tierra de unos
tres mil millones de años. Los estudios de la evolución estelar de aquella
época también estimaban una edad de la Galaxia que era mucho mayor
que el valor deducido a partir de la constante de Hubble. La polémica
estaba servida: ¿Cómo podría ser el universo más joven que los objetos
que contiene?.
Como es bien sabido, esta
polémica se prolongará
hasta nuestros días.
Ciertamente la ley de
Hubble ha sido
confirmada por nuevos y
mejores datos, pero el
valor de la constante
permanece como un
problema abierto en la
cosmología moderna.
Existen dos equipos que
trabajan con las
observaciones de cefeidas
del HST (Telescopio
espacial Hubble):
Freedman y colaboradores
(HST Distance Scale Key Representacion de 1996 de la distancia frente a velocidades
de más de 30,000 Km/s. Como se ve la relación permanece
Project ) obtienen un
lineal con gran aproximación
valor de 73±5, mientras
que el grupo de Allan Rex
Sandage que usan las
mismas observaciones de
cefeidas para calibrar
supernovas de tipo Ia,
obtienen 57±4.
Otros métodos usando lentes gravitatorias o el efecto Sunyaev-Zeldovich
en cúmulos lejanos de galaxias son independientes de método de las
cefeidas, y dan un valor consistente con la media que obtienen los dos
grupos que trabajan con cefeidas: 65±8 que es el valor preferido
actualmente para la constante de Hubble. Este valor corresponde a
edades que rondan entre 9 y 11,5 mil millones de años, si aceptamos el
modelo más simple de universo, conocido como modelo Einstein-de
Sitter).De hecho, este dato es incompatible con los cálculos de la edad
del universo estimada por otros medios aún considerando la posibilidad
de un universo de baja densidad  ~0.3 (que daría entre unos 10 y 13 mil
millones de años), por lo que parecía necesario el invocar una constante
cosmológica diferente de cero. No obstante, la nueva calibración de
distancias llevada a cabo por el satélite Hipparcos parece haber puesto
fin al conflicto. Sin embargo, la historia de las medidas de este número
nos enseña a tratar el tema con mucha cautela.
Una actualización de las últimas medidas de la constante de Hubble
incluídas las referecias puede encontrarse aquí.