physics

El corrimiento hacia el rojo. Hubble y la expansión del universo. Primera postulación del Big Bang. La hipótesis alterna de la creación continua o el steady state.

Todos hemos tenido la experiencia de escuchar la sirena de una ambulancia que se aproxima y nos pasa, para alejarse en pos de algún enfermo o herido. El tono de la sirena es más agudo en la aproximación y más grave en el alejamiento. El fenómeno se explica porque la frecuencia del sonido es percibida como más alta si la fuente se mueve en nuestra dirección (delante del móvil), al amontonarse las ondas en un espacio menor que estaría siendo “comprimido”. A la inversa, este espacio se expande cuando la fuente sonora se aleja (detrás del móvil), y el observador percibe un descenso en la frecuencia hacia tonos más graves.

Doppler

El efecto Doppler acústico

El fenómeno descrito se conoce con el nombre de “efecto Doppler”, por Christian Andreas Doppler, quien lo postuló en 1842. Aunque Doppler lo propuso para la luz, la primera comprobación experimental se hizo en 1845 con ondas sonoras por el meteorólogo y químico holandés Christian Buys Ballot, quien empleó un grupo de músicos en un tren de Ámsterdam a Utrecht para causar el efecto. (En 1848, el año del Manifiesto Comunista, y de manera independiente, Hyppolite Fizeau, quien haría las más exactas mediciones de la velocidad de la luz en su época, descubrió el efecto Doppler en ondas electromagnéticas, y los franceses lo llaman por esto el efecto Doppler-Fizeau).[1]

Estos descubrimientos tendrían, setenta años más tarde y en conjunto con los hallazgos de la espectroscopia química, una importancia enorme en el campo de la cosmología. En efecto, cada elemento químico absorbe luz en unas ciertas frecuencias específicas y propias, y este fenómeno se registra como líneas o bandas negras que interrumpen la gama de colores del espectro. Es decir, cada elemento químico pone su “huella digital” en el espectro que genera. Así, es posible determinar espectroscópicamente la composición química de un astro, a pesar de su distancia.

Espectro

Espectro del hidrógeno. Sus líneas de absorción (a, b, g, d) aparecen en frecuencias específicas, correspondientes a longitudes de onda precisas expresadas acá en nanómetros. (1 nanómetro = 1/109 metros, o una mil millonésima de metro, que es lo mismo que lo que llamamos una milimicra). Mientras menor es la longitud de onda mayor es la frecuencia.

Para la época de la formulación de la teoría general de la relatividad (1916) varios astrónomos en Estados Unidos habían observado espectros de nebulosas y detectado en ellos un desplazamiento de las líneas de absorción espectrales en dirección al extremo del rojo. Campbell, Keeler y Slipher habían observado el fenómeno y derivado la conclusión correcta: las nebulosas eran fuentes luminosas en recesión o alejamiento y, tal como el sonido de la ambulancia, se percibía por tal razón un descenso en la frecuencia: las líneas espectrales se desplazaban hacia el rojo, la zona de menor frecuencia del espectro luminoso. Hasta ese entonces, no obstante, se pensaba que las nebulosas eran estructuras gaseosas constituyentes de nuestra propia galaxia, y los resultados no fueron interpretados en su significado pleno. En 1924, la noticia de que eran en realidad otras galaxias equivalentes a la nuestra, y por tanto estructuras mucho más lejanas, fue anunciada por el astrónomo (y abogado) Edwin Hubble, quien tuvo acceso al nuevo telescopio Hooker de 100 pulgadas del observatorio de Monte Wilson, en California.

Luego, en equipo con Milton Humason, realizó mediciones de “corrimiento al rojo” de un grupo de galaxias, a las que incorporó las obtenidas por Slipher. Con estos datos Hubble y Humason encontraron una ley empírica que establecía que mientras más lejana era la galaxia mayor era su velocidad de recesión. (Mayor su corrimiento al rojo). Esta “ley de Hubble” fue anunciada en 1929. La relación entre distancia y velocidad venía dada por una constante (constante de Hubble, valor actual de 70 (km/s) Mpc. Mpc = megapársec).

Azul

Fuente en aproximación, corrimiento al azul

Normal

Fuente estacionaria, espectro normal

Rojo

Fuente en alejamiento, corrimiento al rojo

Hubble

El gráfico del trabajo original de Hubble y Humason. (Distancias en pársecs, velocidades en kilómetros por segundo. Un pársec es 3, 08 x 1016 metros, o 3,61 años luz).

El significado de la ley de Hubble sería provisto por la hipótesis adelantada dos años antes por el sacerdote, físico y astrónomo belga Georges Lemaître. En efecto, en 1927 Lemaître presentó para publicación en Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, un trabajo revolucionario, en el que postulaba un universo en expansión. (Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques).

La proposición chocaba contra los criterios de Einstein, que creía que su teoría general de la relatividad predicaba un universo estático. (De hecho, introdujo un parámetro en sus ecuaciones, “la constante cosmológica”, para que dieran ese resultado. Luego de conocer las mediciones de Hubble declaró que la introducción de la constante cosmológica había sido el mayor error de su vida). Tampoco Arthur Eddington se sentía cómodo con la teoría de Lemaître, aunque hizo traducir al inglés el trabajo del belga en 1930, y ese mismo año Lemaître dio una conferencia en Londres en la que por primera vez postulara su idea de un “huevo cósmico”  o “átomo primitivo”, una singularidad en el tiempo y el espacio en el que toda la materia del universo estaría concentrada en un punto, cuya explosión habría dado origen al universo, desde entonces en expansión. Había nacido la teoría del “Big Bang”.[2]

Big Bang

El Big Bang desde la singularidad primigenia

La proposición de Lemaître daba perfecto sentido a la ley empírica de Hubble, al concebir un proceso físico que explicaba la observable expansión del universo, evidente en el alejamiento de las galaxias entre sí. Más de tres décadas transcurrirían antes de que otro resultado empírico reforzara la idea, que hoy por hoy es la más aceptada de las teorías sobre la formación del universo. Pero antes había que inventar la radioastronomía.

Siete años después de la conferencia en la que Lemaître había propuesto, bajo otro nombre, la ocurrencia del Big Bang, Grote Reber, un ingeniero de radio norteamericano, ensamblaba el primer radiotelescopio parabólico, basado en los trabajos del pionero Karl Jansky. Éste, que trabajaba para los Laboratorios Bell, había recibido la misión de detectar fuentes de electricidad estática que pudieran interferir con las transmisiones radiotelefónicas transatlánticas, y en 1933 consiguió una señal—un hiss o silbido constante—con un ciclo de intensidad máxima de 23 horas y 54 minutos, cuyo origen identificó en el centro de nuestra galaxia, en la dirección de Sagitario. Jansky propuso a los Laboratorios Bell la construcción de una “antena de plato” con un diámetro de treinta metros, para mediciones más finas, pero la compañía consideró innecesaria la inversión y Jansky fue asignado a otras cosas.

Arecibo

El plato de 305 metros de diámetro del radiotelescopio de Arecibo, Puerto Rico, que el autor de estas líneas sobrevolara en 1978. Es operado por la Universidad de Cornell, y ha sido empleado en la búsqueda de señales de inteligencia extraterrestre (SETI, Search for ExtraTerrestrial Intelligence), actividad a la que el astrofísico Carl Sagan dedicara un notable esfuerzo. Un ciudadano común y corriente puede hoy prestar su computador personal para la “computación distribuida” de la enorme cantidad de señales recibidas mediante la descarga de un software gratuito: SETI@home.

Reber, por su parte, que había querido trabajar en Bell Laboratories bajo Jansky sin conseguirlo, optó por construir en el patio de su casa una antena parabólica de nueve metros de diámetro, la que enfocaba su recepción sobre un radiorreceptor suspendido a ocho metros sobre el fondo del plato. Al año siguiente logró con un tercer modelo detectar ondas de radio del espacio exterior y confirmó el hallazgo de Jansky. A partir de aquí Reber se propuso construir un mapa de las fuentes de radio del espacio, obteniendo el primero en 1941. Su trabajo le convirtió en el padre fundador de la radioastronomía. A su muerte en 2002, sus cenizas fueron repartidas entre los principales observatorios de radioastronomía en el mundo.

Radiotelescopio

El primer radiotelescopio construido por Grote Reber en 1937

Entretanto, los Laboratorios Bell continuaron con sus estudios de transmisión y recepción con antenas parabólicas. En 1964 Arno Penzias y Robert Wilson detectaron, con un receptor ultrasensitivo, ondas de radio provenientes del espacio exterior que eran no sólo más potentes que las provenientes del centro de la Vía Láctea, sino también isotrópicas: esto es, provenientes homogéneamente de todas las direcciones del cielo. La radiación equivalía a la producida por un “cuerpo negro” a 2,7 grados Kelvin. Discusiones del hallazgo con un grupo de la Universidad de Princeton concluyeron en que la radiación correspondía a la predicha por las teorías del Big Bang, que sostenían que el espacio estaría lleno por una radiación proveniente del origen del universo.[3]

Los resultados de Penzias y Wilson, anunciados en 1965, fueron honrados con el Premio Nóbel de Física en 1978, una vez que la comunidad científica aceptara su interpretación como restos del Big Bang, o “radiación cósmica de fondo”; en inglés, Cosmic Background Radiation, o CBR[4]. (Edwin Hubble había hecho campaña para que la astronomía fuera considerada una parte de la Física para propósitos del premio, cosa que ocurrió, pero sólo después de la muerte de Hubble en 1953). Junto con la expansión de Hubble, la CBR es el fundamento empírico más fuerte de la teoría de un comienzo del universo observado a partir de una “singularidad”.

WMAP

Mapa de la radiación cósmica de fondo a partir de los datos ofrecidos este año por la NASA y obtenidos por WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), instrumento lanzado al espacio en 2001 que sustituyó al COBE (Cosmic Background Explorer) de 1989. La “anisotropía” de la radiación—el grado de su irregularidad—corresponde con gran precisión a lo predicho por una forma bastante aceptada en teorías del Big Bang: el modelo Lambda-CDM (Lambda-Cold Dark Matter). Esa irregularidad permitió la formación de estructuras como las galaxias.

Hoy en día, pues, es de aceptación prácticamente universal que el universo que observamos comenzó hace un poco más de 13 mil millones de años con la súbita expansión de una concentración singular de materia y energía. En 1949, Hermann Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle habían propuesto una teoría alterna, la teoría del “estado estable”, o steady state theory.

La teoría del estado estable postula que el universo, obviamente en expansión a partir de las observaciones de Hubble, mantiene sin embargo su aspecto de conjunto porque constantemente se estaría creando materia. (Es una solución distinta a la propuesta originalmente por Einstein de un universo estático). Esta teoría tenía la “ventaja” de no requerir un origen del universo, y como la cantidad de creación de materia requerida por los datos era muy pequeña, durante la década de los cincuenta tuvo tantos adeptos como la teoría del Big Bang. En la actualidad sólo muy pocos cosmólogos la sostienen, pues la mayoría de ellos se ha pasado a las filas de Lemaître. El físico inglés Stephen Hawking escribió su epitafio, al decir que el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo era “el último clavo en la urna de la teoría del estado estable”.

Es seguramente inevitable relacionar la teoría del Big Bang con las cosmogonías de origen religioso, que describen prácticamente todas—Islam, judaísmo, zoroastrismo, hinduismo (Rig Veda)—un origen del universo. Tan poderosa asociación era incómoda para una ciencia que, si no es atea, por lo menos quiere mantenerse alejada de temas teológicos. Esto era lo que perturbaba a Einstein—quien finalmente la aceptó—y lo que motivó a los proponentes de la teoría del estado estable o “creación continua”.

Refinamientos ulteriores de la teoría del Big Bang serán cubiertos en la Lección 10. LEA

Georges Lemaître con Einstein en 1933

Edwin Hubble ante la cámara del Telescopio Hooker en Monte Wilson


[1] El descubrimiento o la postulación independiente y casi simultánea de algún fenómeno o ley es asunto común en ciencia y tecnología, y a veces conduce a disputas agrias por el honor de la primacía. La más famosa controversia de esta clase se dio en torno a la invención del cálculo diferencial, que Newton y Leibniz desarrollaron independientemente. La ley que relaciona volúmenes y presiones de los gases es la de Charles-Gay Lussac; mientras que la que relaciona volúmenes y temperaturas es la de Boyle-Mariotte y, como hemos visto, la idea de la contracción de los cuerpos en movimiento se conoce como contracción de Lorentz-FitzGerald.

[2] El término “Big Bang”, la “Gran explosión”, se debe al astrónomo británico Fred Hoyle, quien trató a Lemaître, Él mismo era partidario de la teoría de la creación continua, o steady state, que propone un universo que se mantiene constante por la continua creación de materia.  Su intención al proponer el nombre era burlarse de George Gamow, decidido defensor de las ideas de Lemaître. Hoyle ha sido igualmente un eficaz divulgador de ciencia y un exitoso autor de ciencia-ficción. (Su más famosa novela: The Black Cloud).

[3] Aún antes de las predicciones derivadas de una teoría del Big Bang, Arthur Eddington había estimado una temperatura promedio del universo de alrededor de 3º K en 1926. George Gamow, creyendo que la edad del universo era de 3.000 millones de años, postuló en 1946 una temperatura de 50º K. Hoy en día se acepta la cifra de 13.700 millones de años, y se obtiene la temperatura registrada por Penzias y Wilson suponiendo que proviene del enfriamiento de una temperatura de los fotones de 3.000º K cuando habían transcurrido unos 400 mil años desde el Big Bang.

[4] Más comúnmente se le designa por las siglas CMB, por Cosmic Microwave Background radiation.

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