El universo en una pelota de fútbol

Hace 100 años, Edwin Hubble y su compinche el mulero Milton Humason, descubrieron que el universo se estaba expandiendo. Las implicaciones de este hallazgo fueron vastas y extraordinarias para la ciencia. Entre otras cosas, las ecuaciones de la Relatividad General preveían esa posibilidad, de manera que los físicos finalmente podían escribir una "ecuación de movimiento del universo", algo con lo que habían soñado durante siglos. 

Como el universo se está expandiendo, entonces en el pasado era más chico. Y, en el pasado remoto, mucho más chico, muy denso y caliente. Ese estado, a partir del cual se expandió el universo, se conoce popularmente como Big Bang, aunque naturalmente no se trata de una explosión. En una época temprana, muy caliente, el universo estuvo lleno de materia en forma de plasma y radiación de cuerpo negro (como si fuera el interior de una estrella). Al expandirse y enfriarse, en algún momento la temperatura bajó lo suficiente como para permitir la formación de átomos neutros, un evento que los cosmólogos llaman “recombinación” (no sé por qué re-). La radiación que llenaba el universo en ese momento empezó a viajar libremente y sigue existiendo, y hoy la observamos como un resplandor de microondas que llega uniformemente de todas partes del cielo.

Cuando uno piensa en ese universo primigenio, naturalmente, imagina que era mucho más chiquito que el actual. Sorprendentemente, en el momento de la emisión del fondo cósmico de microondas, no era taaaan chiquito. El fondo cósmico de microondas corresponde a una temperatura de unos 3 K (kelvins, no digan "grados kelvin"). Cuando se emitió, estaba a la temperatura de la superficie de una estrella, ponele 3000 K. Las longitudes de onda correspondientes son inversamente proporcionales a la temperatura (algo que se llama ley de Wien). O sea que la longitud de onda se estiró un factor 3000 ÷ 3 = 1000. Es decir, el universo era 1000 veces más chico. Si hoy es una esfera de 46 mil millones de años luz de radio, al terminar el Big Bang caliente tenía un radio 1000 veces más chico, o sea 46 millones de kilómetros. Todo el universo entraba de acá al cúmulo de Virgo. Chico, pero no tan chico. Pero antes, seguro, era todavía más chico. ¡En algún momento debe haber tenido el tamaño de una pelota de fútbol!  

¿En qué momento el universo tuvo el tamaño de mi globo del fondo cósmico del microondas, que es como una pelota de fútbol? El factor de escala, en este caso, es muchísimo más pequeño. Podemos calcularlo, y es:

22 cm ÷ 90 G años luz = 2 × 10^-28

o sea que el universo era 500 000 000 000 000 000 000 000 000 de veces más pequeño que ahora. (Quinientos cuatrillones castellanos, por si quieren pronunciarlo, pero en palabras no dice más que el número.)

Ese sí es un universo muy chiquito, y por lo tanto muy temprano. ¿Cuándo fue? Para un tiempo tan temprano, los detalles dependen del modelo cosmológico que se use para hacer el cálculo, pero nos da más o menos unos

0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 1 segundos,

así que estamos en plena era de la inflación cósmica. ¿Y acaso no somos los campeones de la inflación, eh? 

¡Muchaaaachos! 

 

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La última imagen es una composición que incluye las galaxias del cúmulo de Virgo con un verdadero par de galaxias que han chocado (Arp 147), y que dibujan un 10 en la constelación de la Ballena.

El mulero

En mi caminata diaria por el campus del Balseiro me crucé con este magnífico animal, de la tropilla de mulas de nuestros vecinos de la Escuela Militar de Montaña, y me acordé de Milton Humason, de quien tenía ganas de comentar algo. No porque fuera burro o tramposo, nada de eso.

Humason nació en Dodge Center, Minnesota, un pueblito rural del Medio Oeste de Estados Unidos, cerca del río Mississippi. Hoy en día, el pueblo tiene menos de 3000 habitantes. Cuando nació Milton, en 1891, serían unos cientos. Gogléenlo, todavía hoy parece el pueblo de los Ingalls. Fue a la escuela (como las chicas Ingalls), pero a los 14 se pasó un verano acampando en las montañas de California, y le gustó tanto que nunca volvió, ni a su casa ni a la escuela. Trabajó en lo que fue consiguiendo, y un día lo tomaron como mulero de carga para la construcción del Observatorio de Monte Wilson, que eventualmente albergaría el mejor telescopio del mundo. 

Humason se interesó por lo que estaban construyendo, y aunque no conocemos detalles, es fácil imaginarlo charlando con los astrónomos para averiguar qué era ese edificio redondo en la cima de una montaña. Cuando se inauguró el Observatorio, consiguió trabajo de ordenanza. Sus jefes no tardaron en notar el talento del muchacho y el Director, el legendario George Hale, lo convirtió en "asistente nocturno", un trabajo técnico que le permitió familiarizarse con los equipos ópticos. Era algo sin precedentes, ya que Humason no tenía un título de nada, ¡ni siquiera había terminado el primer año de la secundaria! Pero Hale tenía buen ojo: Humason era cuidadoso y dedicado en el manejo de los instrumentos, y pronto le permitieron llevar adelante sus propios proyectos de observación. Cuando se inauguró el gran telescopio Hooker, de 100 pulgadas, que sería durante décadas el mejor y más grande del mundo, Humason aprendió a usarlo como nadie.

Bueno, como nadie no. En 1919 se presentó a las puertas del Observatorio, todavía vestido con el uniforme del 343 de Infantería, el Mayor Edwin Hubble, apenas regresado de la Primera Guerra Mundial. Un par de años antes, cuando defendió su tesis doctoral en Chicago, Hale le había ofrecido trabajo como especialista en fotografía de las misteriosas nebulosas espirales. Hubble lo había rechazado para ir a la guerra, pero apenas volvió de Francia se fue a California, donde Hale lo recibió con los brazos abiertos. 

Hubble pronto demostró que las nebulosas eran galaxias como la Vía Láctea, y que se encontraban a enormes distancias. Obviamente se volvió necesario medir sus propiedades, para lo cual se diseñaron equipos especiales, cámaras y espectrógrafos, para hacer exposiciones largas (¡a veces de más de una noche!), guiadas a mano con microscopios especiales. Debido a su talento instrumental, le encargaron a Humason la mayor parte de las observaciones, y así se convirtió en el asistente de Hubble, y luego en su amigo y colega. Se atribuye a Hubble el descubrimiento de la expansión del universo, mediante la observación del corrimiento al rojo de las líneas espectrales de las que empezaron a llamar galaxias. Pero casi todas las observaciones las hizo Humason (como reconoce Hubble en su libro The realm of the nebulae), y están publicadas por él mismo. Hasta su jubilación en 1957, Humason midió las velocidades de 620 galaxias, varias de ellas más de una vez. 

A mediados de 1928, Hubble publicó los resultados y las conclusiones de su análisis. Fue una revolución no sólo en astronomía, sino en cosmología, ya que un universo en expansión encajaba perfectamente en la Teoría de la Relatividad General, tal como varios físicos estaban señalando, incluso en contra de lo que opinaba Einstein. Rendido ante la evidencia, Einstein los visitó en Mt. Wilson, donde llamó a su intento de obtener soluciones estáticas del universo "el peor error de su vida". Acá lo vemos con Hubble (el de atrás, como siempre con la pipa en la mano) y Walter Adams (otro gran espectroscopista de Mt. Wilson, a la derecha), en una foto probablemente posada (y modernamente intervenida).

Debido al mérito de su trabajo, Humason fue promovido al rango de Astrónomo Asistente, y luego al de Astrónomo. En 1950 recibió un Doctorado Honoris Causa de la Universidad de Lund, en Suecia. Un capo, el mulero. Miren esta otra foto de la visita, con Humason a la izquierda, junto a Hubble. El único que parece sonreir es Michelson (el del experimento crucial que dio lugar a la Relatividad).

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Michelson instaló un interferómetro en el telescopio Hooker, que le permitió medir, por primera vez, el tamaño de una estrella: la supergigante Betelgeuse.

La galaxia duplicada

A menudo los aficionados novatos se encuentran con que no saben qué observar en el cielo, después de la Luna y los planetas. ¿A dónde apunto para ver las maravillas que conozco de fotos? Casi siempre, el primer catálogo al que recurren es el de Messier. Nada mal con eso, pero hay que tener en cuenta que su lista contiene los objetos que él podía ver desde París, y en particular los que podían confundirse con cometas, que eran su pasión. Hay una cantidad de objetos maravillosos, visibles desde el hemisferio sur, que no figuran en su catálogo. Por eso, alguna vez recomendamos el de Caldwell, que mantiene la misma cantidad de objetos (109), pero mejor distribuídos en el cielo, y sin repetir los de Messier. ¿Y después? Los principiantes aprenden rápidamente que hay un catálogo más completo, con miles de objetos fascinantes: el catálogo NGC, y su intimidante suplemento, el IC.

En realidad es un solo catálogo: NGC va de 1 (una galaxia en Pegaso) a NGC 7840 (otra galaxia, en Piscis), y a continuación vienen los IC desde el 1 hasta IC 5836 (también una galaxia en Piscis). El autor de estos catálogos es el astrónomo danés Johan Dreyer, fan de Tycho Brahe, que hizo casi toda su carrera en Irlanda, donde trabajó en el observatorio de Lord Rosse, y se lo conoce como John. El origen de su catálogo es el Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars, que habían compilado los hermanos William y Caroline Herschel (a principios del s. XIX), y que luego el hijo de William, John, continuó como General Catalogue (1864). El General Catalogue tenía muchos errores y desprolijidades, y Dreyer se propuso enmendarlo y mejorarlo en la década de 1880. El resultado fue el New General Catalogue, y resultó un enorme trabajo para Dreyer, ya que tuvo que lidiar con observaciones hechas por distinta gente, a menudo contradictorias, hechas con una variedad de instrumentos no estandarizados. Lo publicó en 1889, y lo complementó con dos suplementos, en 1895 y 1908, que llamó Index Catalogue (por suerte no le puso "Newer", o "Newest", o "New New", aunque sin duda lo pensó...). De manera que NGC/IC es en realidad un único catálogo, el primer gran catálogo de objetos no estelares.

A pesar de los esfuerzos de Dreyer, el NGC/IC no está libre de errores. Hacia fines del s. XX hubo varios intentos de emprolijarlo (el NGC 2000.0, el NGC/IC Project, el RNGC/IC, que sigue activo...). De los 13226 objetos del catálogo original, 321 están señalados actualmente como inexistentes, más de 250 son estrellas (como IC 1, que es una estrella binaria). Y hay centenares de galaxias duplicadas: con doble número NGC, o con un número NGC y otro IC (como la última, IC 5836, que es también NGC 7832). 

Nunca había observado una de estas galaxias duplicadas, y hace poco hice una foto razonable de NGC 1269. Descubierta por James Dunlop, luego John Herschel volvió a ponerla inadvertidamente en el catálogo como NGC 1291, y a Dreyer se le pasó corregirla. Aquí la comparto.

NGC 1269 es una galaxia rara, que no encaja en la anatomía básica que alguna vez comentamos: es una galaxia anillo. En general estos anillos se forman como resultado de una colisión. Cuando dos galaxias chocan, sus estrellas están tan alejadas unas de otras que se atraviesan como fantasmas. Así que la energía potencial interna mayormente no cambia. Pero la energía cinética sí, ya que la fuerza gravitatoria de cada una hace trabajo sobre la otra. Esto saca a las galaxias de un equilibrio estadístico llamado virial. Las estrellas se reacomodan para restablecerlo, y para hacerlo tienen que convertir ese exceso de energía cinética en energía potencial, que debe aumentar. Como la energía potencial gravitatoria aumenta con la distancia, una manera de lograrlo es expandirse, “inflarse”. Otra manera es que las partes más energéticas se alejen de la galaxia, formando una corriente de estrellas y gas, como en las Antenas. Es una especie de “evaporación”, que “enfría” la galaxia y la lleva de nuevo al equilibrio. Seguramente ocurren los dos procesos, y cuál de ellos domina depende de detalles específicos de cada colisión. Encuentros casi por el centro producen estructuras en forma de anillo, como en la Rueda de Carro y en NGC 1269.

Podemos ver también que, en el bulbo central, NGC 1269 tiene una barra, lo cual es una rareza para las galaxias anillo. Se la ve bien en el centro en esta increíble imagen del Dark Energy Survey:

Son en realidad dos barras, de distinto tamaño y formando un ángulo entre sí. Observaciones de sus poblaciones estelares señalan que las barras son muy antiguas, de miles de millones de años. El anillo no puede ser tan antiguo, ya que está formando estrellas activamente, cosa que puede verse en ultravioleta:

Así que no está muy claro si este anillo se formó durante una colisión (o fusión), o si es algo que tal vez produjo dinámicamente el propio movimiento de la barra. De hecho, en el anillo puede verse una estructura espiral, que seguramente sí es efecto del movimiento de la barra.  

La barra, también, puede haber producido los pequeños bracitos espirales que se ven en el bulbo, y que también pueden verse en mi foto, si exagero el contraste (se dejan de ver el disco interior y el anillo, y dejo la estrella brillante como referencia):

NGC 1269 está a 33 millones de años luz en la constelación de Erídano. Con magnitud 9 y unos 10 minutos de diámetro, no sé por qué nunca la había observado. Tenía que llegar el S50; ahora todo es posible.

 

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La imagen ultravioleta es de NASA/JPL/Yale Univ/H Crowl/GALEX.

El paper sobre las barras es Méndez-Abreu et al., The long-lived inner bar of NGC1291, Proceedings IAU Symposium No. 353 (2019).

No confundir a John (Johan) Dreyer con John Dreyer, defensor y mediocampista inglés.

La maraña cósmica

El mes pasado, el experimento DESI completó su programa de 5 años: hacer un mapa tridimensional del universo, mostrando dónde se encuentra cada galaxia alrededor nuestro, desde el Grupo Local hasta el confín más lejano. DESI ha sobrepasado con creces los surveys anteriores, con 47 millones de espectros de galaxias, que permiten ubicarlas en la tercera dimensión, en profundidad, que en el universo además corresponde a antigüedad.

El mapa cubre más o menos un tercio del cielo, y en la imagen de arriba nos muestra el universo visto "desde afuera". La Vía Láctea está en el centro, y las galaxias más lejanas están a 11 mil millones de años en el pasado. Los dos sectores sin datos son la "zona de exclusión", correspodiente a la banda de la Vía Láctea en el cielo. A una distancia intermedia hay una especie de anillo de menos densidad. No es que allí haya menos galaxias, sino que es una región de transición entre dos metodologías de observación, una para el universo cercano y otra para el lejano, y se produce ese defecto en la imagen. El mapa completo es tan detallado que hay que hacer un fuerte zoom para ver las galaxias individuales:

Y más aún: 

Como se puede apreciar a simple vista, las galaxias no están distribuídas uniformemente en el universo. Forman unos filamentos, una maraña, que parece una esponja, con grandes huecos vacíos. Lo que vemos en la imagen es gruesito en la dirección perpendicular al plano de la pantalla, de manera que muchas galaxias aparecen superpuestas y la espuma cósmica se desdibuja. Si se hace una rodaja finita, el mapa se ve así:

Esta textura esponjosa se conoce de hace tiempo, y la cosmología moderna es tan extraordinaria que se puede simular su formación, como en este trabajo reciente:

Poco después del Big Bang caliente, cuando el universo empezó a enfriarse, pero antes de que se formaran las primeras estrellas, las pequeñas fluctuaciones de densidad (del orden de una parte en 100 mil) se amplificaron por acción de la gravedad, que es una fuerza atractiva, y la materia se condensó en esta espuma cósmica. Las galaxias se formaron en las regiones más densas, y a partir de allí evolucionaron. El mapa de DESI servirá para entender cómo ocurrió todo, en particular el rol de la energía oscura (DESI significa Dark Energy Spectroscopic Instrument). Resultados preliminares sugieren que la energía oscura también evolucionó, como la densidad de materia, algo que nadie se esperaba. Veremos.

DESI está montado en el telescopio Mayall, un instrumento precioso con un espejo de 4 metros de diámetro, en el Observatorio Kitt Peak, idéntico al telescopio Blanco de Cerro Tololo en Chile (donde hay un survey parecido, llamado DES para confundir). Estaba medio subutilizado cuando lo visité hace ya 25 años, y DESI lo ha rejuvenecido. En el plano focal tiene un sistema complicadísimo, con cientos de miles de partes, entre ellas 5 mil robotitos minúsculos, que pueden moverse y activarse para capturar cada uno la luz de una galaxia individual y dirigirla a una fibra óptica que la lleva a un espectrógrafo. Los blancos se elijen, para cada dirección del cielo, en base a un survey previo (no espectroscópico) que contiene casi 3 mil millones de objetos, la mitad de los cuales son galaxias.

En el sitio de NoirLab, que operó el experimento, se pueden ver visualizaciones tridimensionales, incluyendo un viaje simulado a través del mapa.

DESI fue muy exitoso, y se ha prolongado su funcionamiento por dos años más. Se cubrirá un 20% más de cielo, y se volverán a visitar zonas ya observadas, para complementarlas con galaxias que quedaron sin observar. ¡Ampliaremos!

 

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Las imágenes son del proyecto DESI en NoirLab.

La imagen simulada es del proyecto Colibre: Schaye et al., The COLIBRE project: cosmological hydrodynamical simulations of galaxy formation and evolution, MNRAS 548: stag375 (2026).