Travesía por los mares del cosmos

Nuestro hogar en el universo: Laniakea

Hélène Courtois, Alejandra Ortiz Hernández

• Publisher: Grano de Sal
• Year: 2021
• ISBN:
  9786079909901
• Edition: 1
• Topic: Physical Sciences
• Subtopic: Cosmology

En una noche despejada y clara, la bóveda celeste parece un tapiz inmóvil. Pero si lo observas con los ojos de la astrofísica, verás que el universo no sólo está en expansión sino que, gracias a la gravedad, forma algo parecido a las cuencas hidrográficas que le dan forma al paisaje. A semejanza de los intrépidos exploradores que navegaron mares y océanos para cartografiar la Tierra, Hélène Courtois se ha dedicado a trazar mapas dinámicos de la posición y el movimiento de galaxias y otros conglomerados de materia estelar, en un incesante esfuerzo por describir el espacio y su evolución; este libro da cuenta del esfuerzo colectivo que llevó al descubrimiento de Laniakea, el colosal supercúmulo de 500 millones de años luz de diámetro y con unas cien mil galaxias como la nuestra. Tendrás que sujetarte bien para imaginar los movimientos del universo, entender los retos a los que se enfrentan hoy los observadores del cielo, conocer la amalgama de ingenio y rigor que se necesita para que la ciencia avance con paso firme. Amena y apasionante, la obra de Courtois es al mismo tiempo un testimonio personal, con recorridos por los principales telescopios de la actualidad en Francia, Australia y Hawái, y la descripción de uno de los hallazgos más emocionantes de la astronomía contemporánea. Atravesar así los mares del cosmos te hará apreciar de otra manera nuestro hogar en el universo."Este apasionante volumen sobre el sitio que ocupa nuestra galaxia respecto a sus vecinas nos lleva de la mano para comprender cómo hemos podido medir tamaños, distancias y poblaciones de los inmensos conglomerados estelares. Vale la pena sumergirse en el mundo que Courtois nos presenta y disfrutar la inteligencia humana en acción cuando analiza el universo." Julieta Fierro""En Travesía por los mares del cosmos, Courtois teje una brillante narración sobre los astrónomos en lucha con las estructuras más grandes del universo. Lleno de fantásticas ilustraciones y fotografías impresionantes, este libro ofrece una fascinante ojeada desde adentro a la investigación astronómica, presentada por una de sus auténticas luminarias." Brian Keating, autor de "Losing the Nobel Prize"

1. Nuestra nueva dirección cósmica

En el que recorro la cronología de los progresos científicos que permitieron a los cosmólogos localizar las galaxias en el espacio y construir los primeros mapas del universo local en tres dimensiones

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Desde el 4 de septiembre de 2014, es oficial: ¡tenemos una nueva dirección cósmica! En efecto, ese día se publicó en la prestigiosa revista científica inglesa Nature el artículo en el que anunciamos el descubrimiento de Laniakea. El supercúmulo extragaláctico con ese nombre es la estructura de galaxias más grande que se conoce hasta hoy y a la cual pertenecemos. Su nombre, de origen hawaiano, significa “horizonte celeste inmenso”. De hecho, su tamaño es gigantesco, muy difícil de concebir: mide alrededor de 500 millones de años luz de diámetro, es decir que la luz tarda 500 millones de años en atravesarlo de un extremo a otro. Contiene alrededor de 100 mil galaxias grandes como la nuestra y un millón de galaxias más pequeñas, ¡lo cual representa alrededor de 100 mil billones de soles!

La historia del descubrimiento de Laniakea, en el cual contribuí activamente, es lo que voy a contarte en este libro.

¿QUÉ ES UN COSMÓGRAFO?

La cosmología es una vasta rama de la astronomía que consiste en estudiar la estructura y la evolución del universo después del Big Bang. Para ello, los cosmólogos identifican las estructuras celestes presentes en el universo actual y determinan cómo interactúan dichos objetos. Esto les permite rastrear la cronología de la formación de esos cuerpos complejos desde la época en que el universo era muy joven y la materia estaba distribuida de manera mucho más homogénea. Los cosmólogos son en cierto modo los “historiadores geógrafos” del universo. Pueden tener especialidades muy diferentes, desde la teoría pura hasta la experimentación. Entre todas esas especialidades, la mía es la “cosmografía”, lo que significa que construyo mapas de nuestro universo. En particular, me dedico a determinar la posición y el movimiento de las galaxias cercanas a la nuestra, en lo que llamamos, en nuestra jerga de cosmólogos, el universo local. Es una cercanía curiosa, pues abarca ¡cientos de millones de años luz alrededor de nuestra Tierra! Cuando observamos esas galaxias locales, la luz que percibimos salió de ellas desde la era de los dinosauros, ¡o incluso antes! Nuestro uso del adjetivo local es oportuno, pues nuestros mapas más grandes no representan más que una millonésima parte del universo observable.

FIGURA 1.1. Algunos tipos morfológicos de galaxias (el nombre de cada una se encuentra entre paréntesis).

BREVE GLOSARIO DEL COSMÓLOGO EXPERTO

Para los cosmólogos, el objeto celeste “básico” es la galaxia. Las galaxias (del griego antiguo γαλαξἰας, que significa “círculos lechosos”) contienen estrellas, gas, polvo y materia invisible, llamada oscura, y todo el conjunto permanece unido bajo el efecto de la fuerza de gravedad. Las galaxias han sido clasificadas según su forma o tamaño. Así, se distinguen las galaxias espirales, elípticas, lenticulares, irregulares, enanas o gigantes. Nuestra galaxia, también llamada Vía Láctea, es relativamente grande: en su interior se hallan algunos cientos de miles de millones de estrellas. Es una galaxia espiral; tiene forma de disco con un bulbo central; el Sol está situado en la periferia, en una de las ramas de la espiral, conocida como “brazo de Orión”.

Dentro de las galaxias, hay estrellas. Una estrella es una “simple” bola de gas, muy caliente debido a las reacciones de fusión nuclear que se producen en su núcleo. La temperatura de la estrella está relacionada con su masa: las estrellas más masivas son las más calientes y también las que viven menos tiempo. Nuestro Sol es una estrella de tamaño mediano. Alrededor de las estrellas gravitan los planetas, pequeños cuerpos celestes que no tienen el calor suficiente, puesto que no tienen la masa suficiente, para emitir su propia luz visible. Ocho planetas orbitan alrededor del Sol, uno de los cuales es la Tierra. Hay satélites aún más pequeños que orbitan alrededor de ciertos planetas, como la Luna, el único satélite natural de la Tierra.

Las galaxias se agrupan en el universo por efecto de la gravedad. Nosotros habitamos en el Grupo Local, que no tiene más que tres grandes galaxias, una de las cuales es la Vía Láctea, y cerca de 50 galaxias enanas. En ocasiones, las galaxias pueden reunirse en un número mucho más grande, formando así lo que llamamos cúmulos. Así, nuestro Grupo Local es atraído por el cúmulo de Virgo, que contiene más de mil galaxias. Los cúmulos se posicionan a lo largo de filamentos en red para formar supercúmulos como Laniakea.

Cuando visito escuelas primarias, secundarias y preparatorias para explicar en qué consiste mi profesión, los chicos nunca me preguntan “por qué” cartografiamos el universo, sino más bien “cómo”. Y es cierto que eso es lo que importa, pues la respuesta al “por qué” parece evidente: ¡necesitamos un mapa para saber dónde estamos! ¿Acaso no es esencial saberlo, aunque sea para saber a dónde vamos? Y también para saber de dónde venimos, es decir, para responder en parte la pregunta “¿quiénes somos?” La respuesta al “cómo” es mucho más compleja y suscita muchas otras preguntas. ¿Cómo trabaja un astrofísico hoy en día? ¿Todavía pega el ojo al telescopio como hizo Galileo —el primero en hacerlo— hace 400 años? ¿Debe recorrer todas las montañas del mundo para recolectar nuevos datos, los cuales, una vez analizados, se confrontarán a los modelos y quizá permitirán sobrepasar los límites de nuestros conocimientos? De manera más específica, ¿en qué consiste mi labor como profesora de universidad? ¿Debo conciliar la enseñanza diurna con las observación nocturna? Entonces les describo mi vida cotidiana, en la que el uso de herramientas informáticas tiene un papel muy importante, entre otras cosas para recolectar y procesar los datos. Responder al “cómo” también implica explicar los métodos que utilizo: la elección de la zona de la bóveda celeste, esa superficie cóncava de dos dimensiones, hacia la cual habré de apuntar mi telescopio, y luego la estimación de la lejanía de la galaxia que me interesa, para así acceder a la tercera dimensión. Cómo enseguida deduzco su velocidad, gracias a diversas estratagemas, para al fin fabricar esos nuevos mapas en movimiento —que llamamos mapas “dinámicos”— del espacio que nos rodea. Al terminar los alumnos a menudo confiesan: “¡No imaginaba para nada que tu profesión fuera así!”

FIGURA 1.2. Del sistema solar al universo observable: tú estás aquí.

LA COTIDIANIDAD DE LA INVESTIGACIÓN FUNDAMENTAL

Agradezco a los jóvenes por preguntarme “cómo” se cartografía el universo, pero admito la legitimidad del “por qué”, que más a menudo recibo de los adultos. A fin de cuentas, es una pregunta más pragmática, ¡motivada por el hecho de que ellos son quienes financian la investigación pública! Todos somos mecenas de esta actividad cuyo impacto en la vida cotidiana no necesariamente medimos. Sin embargo, la mayoría de los objetos que utilizamos proviene de la investigación, aplicada o fundamental. Pueden ser objeto de una transferencia tecnológica ligada al descubrimiento de un nuevo fenómeno físico. En este sentido, por ejemplo, el foco eléctrico se derivó de la comprensión de los fenómenos de propagación de la electricidad y de las pérdidas energéticas que la acompañan. Pero los objetos cotidianos también pueden ser resultado de la invención y la fabricación de nuevas herramientas necesarias para quien hace investigación fundamental. Por ejemplo, la tecnología del vidrio de la puerta de un horno de cocina tiene un vínculo directo con la investigación que se desarrolló para la construcción de los espejos de los telescopios muy grandes. De hecho, para fabricar espejos de varios metros de diámetro ¡hay que fundir cientos de toneladas de silicio! Enseguida hay que enfriar el bloque, que tiene un espesor de alrededor de un metro, sin que la diferencia entre el fondo y la superficie cree imperfecciones en el vidrio. La enorme estabilidad térmica que se requiere condujo al desarrollo de nuevos vidrios. ¡Y así la tecnología de los telescopios se encuentra en nuestras cocinas y ya nadie se quema los dedos con la puerta del horno!

LA LUZ VISTA COMO UNA ONDA

Al igual que el sonido o las olas, la luz presenta todas las propiedades de una onda: puede reflejarse, refractarse, difractarse… tantas que los astrónomos explotan estas propiedades para recabarla con sus telescopios.

Según su amplitud de onda, es decir, la distancia entre dos crestas de la onda, la luz puede tomar todos los colores del arcoíris. Por ejemplo, una luz azulvioleta presenta una longitud de onda de 4×10^–7 m, dos veces más corta que una luz roja, que mide 8×10^–7 m. En otras longitudes de onda, la luz puede incluso ser invisible para el ojo humano. De este modo, la radiación infrarroja, las microondas y las ondas de radio tienen longitudes de onda más grandes que el rojo, mientras que la radiación ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma tienen longitudes de onda más cortas que el violeta. Todas estas ondas, visibles o invisibles para el ojo, forman el espectro electromagnético. Para obtener el espectro de luz de un objeto celeste, los astrónomos colocan un espectrógrafo en el telescopio. Un espectrógrafo está constituido principalmente por prismas o rejillas de difracción, instrumentos que separan en sus diferentes colores la luz emitida por un objeto. Aunque los colores son diferentes, todas las ondas electro-magnéticas, desde los rayos gamma hasta las ondas de radio, viajan a la misma velocidad en el vacío, una velocidad tan elevada que en todo el universo nada se mueve más rápido: en un segundo, la luz recorre 300 mil kilómetros.

La atmósfera terrestre no absorbe todas las ondas electromagnéticas de la misma manera. Deja pasar la luz visible —y qué bueno, porque sin ella no podríamos ver— que los astrónomos llaman dominio óptico. La atmósfera también transmite una parte del dominio de las ondas de radio, aquellas con longitudes de onda entre los 10 cm y los 10 m, aproximadamente. Los telescopios terrestres pueden recabar estos dos tipos de ondas, ópticas y de radio. Todas las demás ondas electromagnéticas (rayos X, ultravioleta, infrarrojo…) son absorbidas por la atmósfera, ¡y su detección requiere telescopios espaciales!

Más allá de las ventajas tecnológicas a las que lleva, la investigación teórica es necesaria porque responde a la necesidad imperiosa de adquirir nuevos conocimientos. En un inicio, la necesidad de cartografiar fue impuesta al hombre por la necesidad de encontrar fuentes de alimento en función de las diferentes estaciones del año. Hoy en día, mucho después de ese nomadismo gobernado por el instinto de supervivencia, el hombre continúa su exploración, lo que le permite acrecentar sus riquezas y conocimientos. Hacer mapas más grandes es un ejemplo entre muchos otros de lo que la investigación teórica puede ofrecer a la sociedad, ya que el conocimiento científico forma parte integral de la cultura. Con su trabajo, los investigadores contribuyen a la educación, ya que hacen frente a la violencia y al oscurantismo. La labor de los investigadores es más bien la de encontrar. A menudo les digo a los alumnos que me reciben que somos exploradores. Esta definición está en sintonía con la realidad de mi profesión: los exploradores avanzan sin miedo en lo desconocido. Les gusta todo lo que aún no conocen. Transforman materia amorfa o energía impalpable en conocimiento organizado y lo transmiten de inmediato al resto de la sociedad. Una vez que cumplen su misión, ¡ahí van otra vez en busca de nuevas aventuras!

FIGURA 1.3. El espectro de ondas electromagnéticas.

VER EL CIELO EN RELIEVE: LA TERCERA DIMENSIÓN

Seguramente alguna vez jugaste al “cartógrafo del universo” aficionado cuando, tras alzar la vista al cielo estrellado de una cálida noche de verano, trataste de explicarle a la persona a tu lado dónde se encontraba el objeto celeste que más llamaba tu atención. En una situación como ésa, la dificultad principal es guiar a nuestro interlocutor hacia la estrella correcta, ese puntito brillante perdido entre cientos de otros puntos perceptibles a simple vista en la noche. La magia del instante puede disolverse muy pronto en un torrente de explicaciones confusas. Entonces quizá lamentaste no ser un astrónomo experto, para quien la tarea sería mucho más fácil, pues podrías nombrar la región del cielo a la cual pertenece “tu” estrella. Sin duda, muchos otros seres humanos hallaron las mismas dificultades antes que tú y comprendieron el interés de dividir la bóveda celeste en regiones fáciles de identificar: las constelaciones. La bóveda celeste es esa porción de esfera cóncava centrada en la Tierra, de un radio indefinido, y de la cual parecen colgar todos los objetos luminosos del universo. Las constelaciones son conjuntos de estrellas cercanas unas a otras en la bóveda, que unimos de manera arbitraria para dibujar formas evocativas. Por cierto, las constelaciones no son las mismas de una civilización a otra, a pesar de que la Unión Astronómica Internacional haya dividido oficialmente la esfera celeste en 88 constelaciones, de modo que cada uno de los puntos de la bóveda pertenezca a una sola de entre ellas. Para ser aún más precisos, los astrónomos profesionales cuadriculan la esfera celeste, primero con grandes círculos imaginarios que pasan por los dos polos celestes y luego con círculos paralelos al ecuador, igual que la cuadrícula de los meridianos y paralelos de la superficie convexa de nuestra Tierra. Después, localizan cad...