La Galaxia Nueve Anillos

Nine rings for mortal Men.
J. R. R. Tolkien

Sauron les dio nueve Anillos de Poder a otros tantos líderes humanos, que se volvieron poderosos, inmortales y clarividentes. Uno a uno fueron cayendo bajo el poder del Anillo Único, convirtiéndose en los Nazgûl, terribles sirvientes de Sauron, y que eventualmente lo ayudaron a rastrear el anillo perdido.

¿Y esto que tiene que ver con la astronomía? Nada, pero como hace poco mostré una galaxia anillo, me acordé de una foto del Hubble del año pasado: una galaxia con... ¡nueve anillos!

Es la enorme galaxia LEDA 1313424, sobrenombre Ojo de Buey, que exhibe toda esta joyería como resultado de una colisión central con una galaxia satélite. Como comentamos en aquella ocasión, las colisiones por el centro son uno de los mecanismos de formación de anillos, que se expanden "llevándose" en forma de energía potencial, la energía cinética del choque. En este caso, se ha identificado que el proyectil que acertó en el centro de esta diana es la pequeña galaxia azul que vemos a su izquierda. 

La colisión habría ocurrido hace relativamente poco, unos 50 millones de años, de manera que los anillos todavía brillan con la luz azul de una miríada de estrellas jóvenes, que se formaron como resultado del desbarajuste gravitacional que causó el paso de la galaxia chica a través de la grande. Cuando dos galaxias chocan, se atraviesan como si fueran fantasmas: las estrellas son muchísimo más pequeñas comparadas con las distancias entre ellas, de manera que los impactos entre estrellas son prácticamente imposibles. Pero el gas que llena el espacio entre ellas sí choca, se comprime, y se disparan episodios de formación estelar desenfrenados. Es uno de los hechos que más me fascina de la astronomía: la transformación de la energía cinética de las galaxias en nuevas estrellas, con sus planetas, lunas, satélites... ¿gentes? Piénsenlo un poco.

Varios de los anillos están amontonados cerca del centro de la galaxia, mientras que otros se extienden a decenas de miles de años luz. Esta imagen muy procesada los muestra más claramente, y además están señalados con líneas rojas.

Las galaxias anillo son raras, pero ¿nueve anillos? ¿Será común esto? Los astrónomos del trabajo creen que sí, pero que duran muy poco tiempo, así que han tenido (hemos tenido) suerte con Ojo de Buey. La aguda visión del Hubble les ha permitido incluso confirmar la predicción teórica (hecha mucho antes) de cómo deberían expandirse estos anillos. Esta figura muestra el tamaño de los anillos observados vs el tamaño predicho por la teoría.

Ojo de Buey se encuentra a más de 500 millones de años luz, en la constelación de Piscis. Es posible que el ya casi listo telescopio espacial Roman permita descubrir más galaxias de este tipo. 

 

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La foto es de NASA/ESA/STScI/Hubble. 

El paper es: Pasha et al., The Bullseye: HST, Keck/KCWI, and Dragonfly characterization of a giant nine-ringed galaxy, ApJL 980:L3 (2025). De allí son las otras dos imágenes.

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 gran escala

«Si el universo se expande, ¿por qué es tan difícil conseguir lugar para estacionar?»

Apócrifo

Tengo un recuerdo falso: Woody Allen diciendo la frase del epígrafe. He buscado la fuente una y otra vez en la web, y si bien encontré cosas parecidas, la frase exacta no es ni suya, ni de sus personajes, ni de sus cuentos. Por un lado está, en Annie Hall, el personaje de Allen cuando es niño, atormentado porque la expansión del unvierso acabará por romperlo. Por otro lado, al comediante Steven Wright se le atribuye la frase "Dicen que el universo se expande. Eso debería ayudar con el tráfico", que es una noción parecida, pero no es lo mismo. Finalmente, hay una nota en The New York Times titulada "El universo se expande, ¿pero dónde estaciono?" Allí se reporta una conferencia de Saul Perlmutter después de recibir el Premio Nobel por descubrir la expansión acelerada del universo, en la cual comentó que la cosa más importante que acompaña a un Nobel es que le asegura un lugar reservado de estacionamiento en la universidad (algo que es muy valioso en Estados Unidos, parece). Perlmutter no hizo ninguna conexión entre ambas cosas, pero el autor de la nota las puso juntas en el título porque el contraste entre algo cósmico y una banalidad es chistoso.

Todas estas citas son parecidas, pero no iguales. Así que, desde hoy, la frase completa, tal cual la vengo repitiendo, debe atribuirse a mí:

«Si el universo se expande, ¿por qué es tan difícil conseguir lugar para estacionar?»

Guillermo Abramson

Más allá (o más acá) del chiste, esta cuestión surge una y otra vez, y la respuesta habitual es que el universo se expande "a gran escala". A "pequeña escala" hay otras fuerzas en juego que enmascaran la expansión. Como dice la mamá del niño Alvy en Annie Hall, «¡Brooklyn no se está expandiendo!» Los átomos de cloro y de sodio no se alejan entre sí en los cristales de sal; están sostenidos en sus posiciones por fuerzas cuánticas. Las estrellas de la Vía Láctea no trazan espirales crecientes, sino que se mueven en órbitas que conservan su tamaño. El sistema solar no se desarma. Los automovilistas quieren estacionar todos en el mismo lugar, y los sitios se agotan. 

Pero todas las fuerzas que gobiernan las interacciones entre los cuerpos que llenan el universo reducen su intensidad con la distancia: dónde dejo mi auto en el centro de Bariloche no afecta a los automovilistas de Mumbai, así que entre Bariloche y Mumbai debe haber algún sitio para estacionar. La gravedad misma, si bien tiene alcance infinito (uno sobre erre al cuadrado, y sin nada que la "apantalle") es imperceptible entre galaxias lejanas. Así que vemos, en el universo lejano, que todas las galaxias se alejan de nosotros a velocidades crecientes con la distancia, tal como descubrió Hubble hace casi 100 años.

Bueno, todo esto tiene sentido, hay mediciones, hay teoría. Pero ¿dónde empieza la "gran escala"? Vista desde la Tierra, la gran escala empieza con estas dos galaxias:

Son NGC 55, una galaxia pequeña, similar a la Nube mayor de Magallanes, y NGC 300, una espiral vista de frente, muy tenue. Ambas se encuentran en la constelación de Sculptor, junto al polo sur galáctico, pero bastante más cerca nuestro que la gran galaxia de Sculptor, NGC 253, que domina el llamado grupo de galaxias de Sculptor. NGC 55 se aleja de nosotros a 131 km/s, y está a 2 Mpc (megaparsecs, 6.5 M a.l.). La velocidad de expansión del universo correspondiente es 131 dividido 2, 65.5 km/s por Mpc. NGC 300 se aleja a 144 km/s, y está un poquito más cerca, 1.86 Mpc (6.07 M a.l.). El cociente da 77.4 km/s/Mpc. Ambos números son similares al parámetro de Hubble obtenido por diversas técnicas astrofísicas: 67 km/s/Mpc (usando las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas) o 73 km/s/Mpc (usando supernovas, como Perlmutter). La diferencia parece pequeña pero es significativa, y como nadie sabe a qué se debe se la conoce por ahora como "tensión de Hubble". Es apenas una curiosidad que veamos la tensión de Hubble en las dos galaxias más cercanas en las que apreciamos la expansión del universo.

Así que la gran escala del universo empieza ahí: a 6 millones de años luz. Todo lo que está más cerca (las Nubes de Magallanes, la galaxia de Andrómeda, Messier 33, todas las enanas, Brooklyn, etc.) es "universo local", Alvy. 

 

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Si la Vía Láctea estuviese en el medio de un gran cúmulo de galaxias (como el de Virgo), en lugar de formar parte de un "grupo" pequeño (el llamado Grupo Local), habría que irse más lejos (decenas de millones de años luz) para detectar la expansión del universo.  

Eclipse de quasar

Cuando se los descubrió, en Cambridge en la década de 1960, los quasars causaron perplejidad. Eran fuentes de radio con una contraparte visible similar a una estrella. El más brillante era 3C 273, que se ve así en luz visible:

Brillaba como una estrella de magnitud 12.9 (visible en un telescopio de aficionado) pero su brillo en radio era inusual. Rápidamente le hicieron un espectro, y resultó que mostraba líneas atómicas también inusuales. Maarten Schmidt, del observatorio Mt. Wilson, se pasó un año mirando fijo el espectro, hasta que se dio cuenta de que las líneas eran la bien conocida "serie de Balmer" del hidrógeno, sólo que en longitudes de onda incorrectas:

Las líneas azules a ultravioletas estaban en el medio del visible, y la roja (la hache-alpha) estaba en el infrarrojo. Todas las longitudes de onda estaban estiradas un 16%. ¿Cómo podía ser? Por efecto Doppler, sería una estrella moviéndose al 16% de la velocidad de la luz, algo absurdo. La única explicación lógica era que el corrimiento al rojo fuese por la expansión del universo (algo no tan aceptado hace 60 años como ahora), y que por lo tanto estuviese a 2500 millones de años luz de nosotros, una distancia inmensa. 

A esa distancia, para brillar en el cielo con magnitud 12.9, el quasar debía tener una luminosidad 200 veces mayor que una galaxia entera como la Vía Láctea. ¿Cómo podía ser eso? Era tan luminoso, que si estuviese a 20 años luz del sistema solar, brillaría como el Sol. ¡En las noches de invierno austral el cielo sería celeste! ¡En primavera, con el Sol en Virgo, habría en el cielo como dos soles! Esto es de por sí impresionante, pero si les digo que las fluctuaciones de brillo que se observan indican que el objeto es del tamaño del sistema solar, se te vuela la cabeza.

Hoy sabemos que los quasars son los núcleos brillantes de ciertas galaxias, donde un agujero negro gigante está destruyendo materia a gran velocidad, lo que produce mucha radiación electromagnética en todo el espectro. ¿Cómo son esas galaxias? Son difíciles de ver, porque las abruma el brillo del quasar que tienen en el medio, como se ve en la foto de arriba. Recientemente, usando el Telescopio Espacial Hubble, lograron hacer una foto notable de 3C 273 eclipsando artificalmente el quasar:

Finalmente se puede ver la galaxia alrededor, con un montón de detalles. Los astrónomos distinguen lo que parecen ser galaxias satélites cayendo hacia el agujero negro central. Es la mejor imagen que tenemos de la galaxia que alberga un quasar. En las imágenes también se observa claramente el jet, el chorro de materia y energía que surge del quasar (similar al que hemos comentado recientemente en galaxias cercanas), con una parte brillante y visible incluso en la imagen del principio (sin el eclipse), y una parte más tenue y cercana al núcleo de la galaxia, antes invisible. Las observaciones del Hubble abarcan más de 20 años en este objeto, de manera que pudieron observar su movimiento, a esa enorme distancia. Las partes más lejanas del centro se mueven más rápido que las más cercanas, como si hubiera una aceleración. El jet brillante, vale la pena decir, es dos veces más largo que el diámetro de la Vía Láctea.

¿Cómo es el instrumento que permite hacer estas imágenes? Se llama Space Telescope Imaging Spectrograph, es decir, es un espectroscopio, no un coronógrafo. Pero delante de la cámara tiene una máscara, que es esencialmente una chapita con varias patitas, que permiten bloquear la luz selectivamente. En un apéndice del paper muestran algunas de las imágenes crudas, junto a un diagrama de la máscara:

Haciendo imágenes rotadas en varias direcciones lograron hacer la imagen con una resolución extraordiaria. Muy ingenioso. Espero que lo vuelvan a usar. 

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El paper es Ren et al., 3C 273 host galaxy with Hubble Space Telescope Coronagraphy, A&A 683:L5 (2024). De allí son las imágenes de quasar eclipsado. La imagen del quasar sin eclipsar, también es de NASA/ESA/HST. El espectro viejo de 3C 273 (creo que es el original que hicieron Maarten Schmidt y Tom Matthews) viaja por la web; esta es una versión anotada.

Las estrellas, como granos de arena

Edwin Hubble fue la primera persona que pudo fotografiar estrellas individuales en la galaxia M31, la galaxia de Andrómeda. Esto le permitió revolucionar la astronomía hace exactamente 100 años, demostrando que el universo era millones de veces más grande que lo que se creía. El telescopio que, 100 años después, lleva su nombre en la órbita terrestre, no ha descuidado a Andrómeda. Ha completado un nuevo panorama que cubre casi por completo la galaxia:

El campo visual del telescopio Hubble es pequeñito, así que este mosaico ha requerido más de 600 exposiciones individuales, a lo largo de 1000 órbitas y 10 años. Y, como se ve, ¡todavía no la cubre del todo! Es que M31 es muy grande en el cielo. La siguiente imagen muestra un círculo que tiene el tamaño de la Luna, para que se hagan una idea. Es la galaxia grande más cercana, a 2.5 millones de años luz, y por esa razón su estudio es de enorme importancia para entender la dinámica y evolución de las estrellas y las galaxias. Debajo se muestran detalles de varias regiones bien distintas, incluyendo la satélite M32 (panel d), que tiene pinta de ser el núcleo pelado de una galaxia pequeña que fue devorada por M31.

El detalle (e), que muestra una de las bandas de polvo frío cruzando por delante de un panorama de muchísimas estrellitas, es particularmente encantador. Es la región del bulbo, donde las estrellas son antiguas y mayoritariamente rojas, y el polvo las enrojece más aún (como el Sol velado por el humo de un incendio). Es el color de la mayor parte de la luz de una galaxia, como calculé una vez. Un beige estelar. Un color que las hace parecer granos de arena.

Si las estrellas fuesen como granos de arena, ¿la galaxia sería como una playa? No. Las estrellas son pequeñísimas, comparadas con las distancias que las separan, en la mayor parte de cualquier galaxia. Si fuesen como granos de arena, serían granos de arena cada uno a 10 km del otro. Es difícil de imaginar la vastedad de una galaxia.

La vista agudísima de Hubble (el telescopio, no el tipo) ha permitido identificar 200 millones de estrellas en este panorama de M31. La versión de resolución completa es un monstruo de más de 400 megapixels (1 GB, o un JPG de 300 MB). Hice un recortecito a resolución completa:

Las estrellas brillantes que se ven como diamantes caídos en la arena son estrellas de nuestra propia galaxia, muchísimo más cercanas. En la vastedad del campo estelar, a esta resolución, se aprecia que no todas las estrellas son rojitas, hay amarillitas y azulitas también. Ahí está, la multicolor playa de Andrómeda.

 

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Las fotos son de NASA/ESA/Hubble/PHAT/PHAST.

Los detalles y primeros resultados científicos están descriptos en Zhuo Chen et al., ApJ 979:35 (2025).

El día que descubrimos el universo

El 30 de diciembre de 1924 comenzó la 33a Reunión de la American Astronomical Society, en Washington, DC. En la mañana del último día de la reunión, 1 de enero de 1925 (se acaban de cumplir 100 años), se llevó a cabo una sesión conjunta con los matemáticos y los físicos que estaban participando de la simultánea conferencia de la American Association for the Advancement of Science. Se esperaba una charla de Arthur Eddington, sobre Evolución Estelar (Eddington estaba escribiendo su tratado sobre el tema), pero tuvo que regresar a Inglaterra. En su lugar, Henry Norris Russell improvisó un sumario de su propio trabajo en el área. Lo siguió una presentación del polígrafo Archibald Henderson: ¿Es el universo finito? Ambas presentaciones suscitaron una animada discusión entre los presentes. 

A continuación, Russell leyó una presentación de Edwin Hubble, del Observatorio de Monte Wilson, que no había podido asistir (imagino que viajar en tren de California a Washington en pleno invierno no era el mejor plan). Un resumen del trabajo apareció en la revista Popular Astronomy, reportando que la distancia a la "nebulosa espiral" de Andrómeda (Messier 31) y a la del Triángulo (Messier 33) era de 285000 pársecs, un millón de años luz:

Este resultado las ponía definitivamente fuera de la Vía Láctea, cuyo tamaño había medido Harlow Shapley, que aparece allí mencionado. Shapley y Eber Curtis (los marqué a los dos, y a Russell, en la foto del congreso) habían protagonizado en el Museo Smithsoniano, en 1920, el que se llamó Gran Debate, acerca de la naturaleza de estas "nebulosas espirales". Shapley sostenía que eran parte de la Vía Láctea, y que en el universo no existía más que nuestra Galaxia. Curtis, en cambio, decía que podían ser sistemas equivalentes a la Vía Láctea, muy lejanos, verdaderos "universos isla". El trabajo de Hubble zanjó la cuestión: las nebulosas espirales eran galaxias como la nuestra, y dada la cantidad que se veían en los telescopios, muchas de ellas pequeñitas, resultaba evidente que el universo era millones de veces más grande que lo que se creía.

Hubble había empezado a usar el telescopio de 100 pulgadas, el mejor del mundo, para estudiar las "nebulosas espirales", y fue el primero en poder fotografiar estrellas individuales en ellas. Rápidamente descubrió varias novas. Pero el 6 de octubre de 1923 descubrió que una de las estrellas no era una nova, sino que era una que ya había fotografiado dos días antes. ¡Era una estrella variable! Existen estrellas variables, las cefeidas, que cambian de brillo de manera regular, como un reloj, y del período de oscilación se puede calcular la luminosidad intrínseca, y por lo tanto la distancia. ¡Era un golazo! Uno puede imaginarse la emoción del tipo cuando, con tinta roja y mano temblorosa,  tachó la N de nova y escribió VAR!, sobre la placa de vidrio de la foto:

Hubble observó su cefeida durante un período entero y calculó la distancia. No vayan a creer que se guardó el descubrimiento más de un año sin decir nada. Por ejemplo, así se lo contaba por carta a Shapley, que era el experto mundial en cefeidas, el 19 de febrero de 1924:

Shapley tuvo que rendirse a la evidencia. La astrónoma Cecilia Payne estaba en su oficina cuando recibió la carta, y contó que Shapley le mostró las dos páginas exclamando "Acá está la carta que destruyó mi universo". El 26 de febrero Hubble se casó y se fue de luna de miel a Europa por tres meses. Apenas volvió, la misma noche, regresó al Observatorio para seguir midiendo cefeidas en M31 y M33. En los meses que siguieron, a medida que tenía cada vez más datos, se lo fue contando a todo el mundo. Russell, que se enteró del descubrimiento a través de James Jeans en Inglaterra (!) lo alentó a que fuera a Washington, o al menos que mandara el paper, así lo presentaba para un premio de 1000 dólares de la AAAS. Se lo dieron, obvio (son como 20000 dólares de hoy). Incluso antes de la reunión, el 23 de noviembre de 1924, la noticia del descubrimiento salió publicada en una notita en el New York Times:

Al principio, nadie sabía cómo llamarlas. "Sistemas estelares", "mundos", "universos", "nebulosas anagalácticas", "nebulosas no galácticas", "nubes estelares", "nebulosas cósmicas", "universos isla". Hubble prefería "nebulosas extragalácticas". Pero el nombre marketinero vino del que más había perdido, el mismísimo Shapley: «quiero sacarme de encima las palabras universo y nebulosa... así que las llamaré "galaxias"». Hace apenas 100 años, el 31 de diciembre de 1924, el universo tenía una sola galaxia, la nuestra, la Vía Láctea, la Galaxia con mayúscula. El 1 de diciembre de 1925, descubrimos un universo lleno de galaxias.

 

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El informe sobre la reunión está publicado en Popular Astronomy, números 323 y 324, marzo de 1925, con resúmenes de varios trabajos presentados. La nota de Hubble está en la página 252 del número 324. La foto de los participantes está justo en medio. ¡Noten que hay varias mujeres! (más que en el congreso Solvay de 1927, por ejemplo).

En la interesante conferencia de Henderson, leemos: Recent investigations, reported by Curtis, indicate that the spiral nebulae are isolated stellar systems, at least a hundred million light-years away. Shapley was the first to point out and insist upon the significance of the systematic recessional motions of the spiral nebulae. [...] If, as now appears probable, the spirals are isolated stellar systems, this recession must be explained, either as a wholesale error or else as a relativistic effect. Era un tema álgido también para los físicos y los matemáticos.

Diga treinta y tres

"Treinta y tres". Son los años que está cumpliendo el telescopio más famoso, el segundo telescopio más revolucionario de la historia de la humanidad: el Telescopio Espacial Hubble. Los medios se hicieron eco del aniversario del lanzamiento, el pasado 24 de abril. Pero aquí celebramos la fecha inaugural de cualquier telescopio: la primera luz. Es hoy, 20 de mayo, el aniversario de la primera de las más de un millón y medio de fotos que lleva hechas. Fue una exposición de una partecita del cúmulo abierto NGC 3532, bien conocido por los aficionados australes. 

La imagen publicada ese día muestra dos fotos, la de la izquierda hecha con un gran telescopio en Chile, y a la derecha la del nuevo telescopio espacial. OK —deben haber dicho los astrónomos— las estrellas se ven un poco más nítidas. Pero tampoco es taaaaanto mejor. ¿2500 millones de dólares mejor? Es que el flamante instrumento tenía una óptica fallida, un espejo primario mal conformado, que sufría de aberración esférica. ¡Horror! Los que seguimos el caso de cerca recordamos la frustración y la expectativa por la reparación, que llevó años, miles de ingenieros y científicos, y una imprevista y complicada misión del transbordador Endeavour recién en 1993. La primera imagen tras la corrección fue de la galaxia M 100, publicada junto a la misma toma antes de que le pusieran anteojitos:

Y entonces el Hubble empezó a funcionar como se esperaba, y a llevar adelante su ambicioso plan de observaciones, que revolucionaron la astronomía moderna en más de un campo.

¿Cuál era ese plan? ¿Para qué se construyó el telescopio Hubble? Su historia había comenzado en 1946, cuando ni un sólo satélite artifical orbitaba la Tierra. Ni uno. Ni siquiera existía la NASA. Lyman Spitzer fue el autor de la idea, reconociendo que su posibilidad estaba «some years into the future». Lyman remó y remó durante décadas. En 1965 la NASA le encargó evaluar en detalle lo que se podría lograr con un gran telescopio espacial. El estudio llevó cuatro años y se publicó en 1969 (búsquenlo en el enlace, ¡está escrito a máquina!). Allí se identifica una cantidad de estudios posibles, y entre ellos el most important role: «la comprensión del universo a gran escala, su tamaño, su forma, su edad y evolución». Para empezar, había que medir los parámetros que lo definen, que en ese momento se conocían con enorme incerteza (a comparar con las constantes fundamentales de la física, que ya se conocían con muchas cifras decimales). Entre ellas, dicen, la más importante es la constante de Hubble, H, la tasa de expansión del universo (por eso el telescopio se bautizó con su nombre). Si bien la estimación original de Hubble (530 km por segundo por megaparsec) había sido considerablemente mejorada, el error de medición era todavía del 50%.

A lo largo de la siguiente década se diseñó el instrumento y se consiguió su financiación. Los planos y diagramas, dibujados a mano, son una delicia:

A lo largo de los años el Hubble completó más de 1 millón y medio de observaciones, y sus astrónomos han publicado más de 19 mil trabajos científicos, citados más de 1 millón de veces. Su operación es un milagro de la ingeniería: orbita a 500 km de altura, viajando a 25000 km/h, sin propulsores para orientarse, con electrónica e informática del siglo pasado, cocinado de un lado por el Sol y congelado del otro, y logra apuntar a sus blancos con precisión de 7 milisegundos de arco (un pelo a 50 km) durante horas.

¿Y logró cumplir su objetivo primario, la medición de la constante de Hubble? Con creces. Aun antes de la reparación de la óptica, el Hubble dio el primer paso midiendo con precisión de 10% la distancia a la galaxia M 81: 11 millones de años luz, a comparar con las mediciones anteriores que daban entre 4.5 y 18. Con el tiempo los resultados se acumularon. En julio del año pasado se publicó el resultado final (?): Una medición exhaustiva del valor local de la constante de Hubble con precisión de 1 km/s/Mpc con el Telescopio Espacial Hubble y el equipo SHOES, de Adam Riess et al. El trabajo es esencialmente un escalón de la famosa escalera para medir el universo: el que conecta las estrellas variables cefeidas con las supernovas de tipo Ia (se lee "uno-a"). La exquisita visión del Hubble le permite ver cefeidas individuales en muchísimas galaxias, y supernovas por supuesto en todo el universo. Su estudio concurrente ha permitido el enorme avance en la determinación del ritmo de expansión del universo, imprescindible para calcular su tamaño, su curvatura, su edad y tantas otras propiedades del universo a gran escala. Las galaxias del estudio están bellamente ilustradas en el paper:

Las galaxias son hermosas, pero el paper es además suculento científicamente. He aquí una figura que muestra los tres escalones de la escalera de distancias: desde las estrellas más cercanas, medidas por métodos geométricos (paralaje), a las cefeidas y luego las supernovas. La increíble alineación de estas mediciones es lo que permite calcular H con precisión sin precedentes:

El resultado es un número: el universo se expande alrededor nuestro a razón de 72.53 ± 0.99 km/s/Mpc.  Misión cumplida, tomá mate.

Pero resulta que existe otra medición de gran precisión de la constante de Hubble. Fue obtenida también desde el espacio, con un observatorio de microondas europeo llamado Planck, usando una metodología completamente distinta. Planck ha observado sutiles fluctuaciones en la radiación que viene del Big Bang caliente, de manera que observa un universo mucho más antiguo que el de las galaxias, las cefeidas y las supernovas. Y su resultado de H es menor. No mucho menor, pero las mediciones son tan precisas que es imposible compatibilizarlas. El paper de Riess muestra esta figura:

La línea verde vertical es el valor más probable calculado con el Hubble, y la azul, con el Planck. Las campanas muestran que los valores reales podrían ser diferentes que los medidos, como en cualquier experimento. Y las dos campanas están bien separadas, mostrando que es casi imposible que los resultados sean diferentes sólo por errores de medición. De hecho, el panel de abajo muestra lo mismo pero en escala logarítmica, para destacar que ni siquiera las imperceptibles colas de la campana verde alcanzan el valor azul. (Hay unos porcentajes marcados: por ejemplo, hay una probabilidad del 0.00003% de que, de acuerdo al Hubble, H valga 68.14, compatible con Planck.) 

¿Qué está pasando? ¿Por qué hay dos valores diferentes para la misma magnitud? ¿En qué momento de la historia del universo divergieron, y por qué? Los astrónomos llaman a esto una tensión en la constante de Hubble. Errores de medición, o errores sistemáticos, a esta altura ya han sido descartados. Un día contaré más detalles. Pero valga decir que nadie sabe cómo reconciliar los dos valores. Precisamente, de manera visionaria Spitzer también declaró en su artículo de 1946 que la principal contribución del instrumento sería «el descubrimiento de nuevos fenómenos todavía ni imaginados, y tal vez modificar profundamente nuestros conceptos de espacio y tiempo». Chan.

Resulta también que el mismo Riess fue uno de los descubridores*, en 1998, de que la expansión del universo estaba acelerándose. Como si hubiera una fuerza contraria a la gravedad actuando a escala cósmica. ¿Qué es esa fuerza? Todavía no lo sabemos, aunque ya tiene un nombre: energía oscura, y la evidencia de su existencia actualmente abarca una multitud de líneas independientes, de modo que estamos bastante seguros de que es real. 

*Riess ganó inmediatamente el Premio Nobel junto a Perlmutter y a Schmidt, pero le robaron datos al astrónomo chileno Mario Hamuy. Algo vergonzoso que algún día tengo que contar.

¿Estarán relacionadas las dos cosas? ¿En qué marco teórico podemos entenderlo? La verdad que por ahora no lo sabemos**. Sólo el tiempo lo dirá.  El tiempo, y la nueva generación de telescopios en tierra y en el espacio, y la comunidad de cosmólogos y astrónomos que estudian estas cosas (que no son tantos, apenas unos miles en todo el mundo).

**Cuando un científico dice que "no sabemos" algo, no significa que no tenga una explicación. Casi siempre significa que tenemos muchas explicaciones, y que no sabemos cuál es la correcta.

¿Qué hay en el futuro del Hubble? El veterano telescopio viene fallando cada vez más seguido, y si bien siempre han podido ponerlo de nuevo en funcionamiento (a veces con ayuda de ingenieros ya jubilados), el final de su vida está cerca. Originalmente iba a ser traído de vuelta a tierra para que descansara en un museo; pero sin transbordadores esto ya no es posible. Actualmente, los planes son que se incinere en la atmósfera de manera controlada, el final usual de los grandes satélites. Sin embargo, una propuesta de SpaceX abrió una nueva posibilidad: un nuevo servicio en órbita, que incluya por lo menos subirlo a una órbita más alta, y tal vez reemplazar algún instrumento. Quizás se haga, y el Hubble nos regale un par de décadas más de observaciones y descubrimientos.

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Las imágenes son todas de las fuentes mencionadas. La foto del final es la del reciente aniversario.

Recomiendo la nota en Infobae. Está muy buena (y se ocupa de otras cosas).

La información de prensa de la imagen de la primera luz señala que la resolución calculada a partir de la estrella doble de la parte superior de la foto es de 0.8 segundos de arco, mientras que la del telescopio terrestre es de 1.1 segundos, y añade "which points out the remarkable increase in resolution of the HST". ¡Qué caradura el que escribió eso! La resolución, después de la reparación, llegó a 0.04 segundos, un valor que sí es remarkably mejor que 1.1.

La foto fue tomada el 20 de mayo de 1990 a las 15:14:14 UT, y fue una exposición de 30 segundos. No logré descargar la imagen raw del archivo (sólo un preview, pero es muy feo). Sí pude verificar que hubo varias imágenes anteriores, mucho más cortas (menos de un segundo). Otro día las muestro.

Primeras luces del JWST

Las primeras imágenes del Telescopio Espacial Webb son extraordinarias, tal como preveíamos habiendo visto las pruebas de ingeniería que se hicieron durante la puesta a punto de los instrumentos durante los últimos meses. Evidentemente, los objetos fotografiados fueron elegidos cuidadosamente: dos imágenes que muestran la evolución del universo, dos sobre la evolución de las estrellas, y una sobre ¿la evolución de la vida? 

La más impresionante es el Primer Campo Profundo (no dejen de descargar la imagen a resolución completa; esto no es algo para ver en el celu, eh).

La imagen es muy compleja, y voy a describir someramente lo que muestra. Vemos unas pocas estrellas de nuestra propia galaxia: son los puntos brillantes que tienen 6 rayos (y dos más cortitos), producidos por la peculiar geometría del telescopio, a los que nos tenemos que acostumbrar (el Hubble y muchos otros telescopios producen 4 rayitos alrededor de las estrellas brillantes). En medio de la imagen vemos un gran cúmulo de galaxias: son las galaxias blancuzcas, más bien grandecitas. Los cúmulos de galaxias son los ladrillos que forman el universo. Recordemos que cada galaxia es una colección de cientos de miles de millones de estrellas, que no podemos ver individualmente en fotos como esta, ni siquiera con el Webb. Este cúmulo está tan lejos que la luz que vemos es tan antigua partió al mismo tiempo que se estaban formando el Sol y la Tierra. Con todo, son las galaxias más cercanas de la foto. Mezcladas entre ellas vemos una cantidad de arcos rojos y anaranjados: también son galaxias, con formas muy distintas de las que estamos habituados. Son galaxias mucho más lejanas que las del cúmulo, que actúa como una gigantesca lente natural distorsionando y amplificando la luz que lo atraviesa, obedeciendo a la Relatividad General. Finalmente, esparcidas por el campo, vemos miles y miles de puntitos pequeños: son más y más galaxias, hasta el confín de los tiempos.

El telescopio midió la distancia a algunas de ellas produciendo unos exquisitos espectros de su luz. Las más lejanas se ven como pequeños puntitos rojos, y hay una identificada cuya luz partió hace 13100 millones de años, cuando el universo era un bebé. ¡Sería como verme a mí cuando tenía 2 añitos y medio! ¿Se imaginan si un arqueólogo pudiera ver una población humana de hace 95 mil años? Los telescopios son realmente como máquinas del tiempo, nos muestran el pasado del universo. Ese universo medía la décima parte de lo que mide ahora, y las galaxias eran muy distintas. En sus espectros, sin embargo, Webb identificó la presencia de elementos pesados, indicando que a pesar de ser tan distintas, ya habían pasado por una o más generaciones de estrellas, que enriquecieron su química con respecto al hidrógeno y helio primordiales, que vienen del origen del universo. 

Vale la pena comentar que el campo fotografiado es pequeñísimo, como un granito de arena a la distancia de un brazo extendido: si sostenemos una birome con el brazo en alto, la bolita de la punta está eclipsando la luz de cien mil galaxias, cada una de ellas con sus centenares de miles de millones de estrellas, más sus planetas, sus lunas, sus cometas, y la mar en coche. También vale la pena destacar lo fácil que le resulta al Webb obtener esta imagen, incluídos los exquisitos espectros, en una exposición de 12 horas. Los campos profundos del Hubble (menos profundos que este, recordemos) llevan semanas. Una comparación con el mismo campo, fotografiado por el Hubble, muestra el enorme salto que representa el telescopio Webb: no es marginalmente mejor que el Hubble, es una generación nueva de instrumentos, tanto ópticamente como en sus sensores. Noten no sólo la multitud de galaxias pequeñitas, sino también los detalles de las más grandes. Esta comparación abarca más o menos el ancho de un pelo sostenido con el brazo extendido.

A propósito de la mar en coche, la imagen más cercana compartida en la primera tanda no es una foto, sino un espectro de la atmósfera de un planeta pasando por delante de su estrella, un mini eclipse durante el cual el Webb pudo pispear fugazmente la composición química de sus gases. No es una imagen atractiva como una foto, pero esconde tesoros que recién se van a empezar a analizar. Esa curva con subidas y bajadas muestra que hay vapor de agua y cuánta hay, que hay nubes y bruma, que hay vientos. Algún día, observando alguno de estos planetas lejanos (no este), Webb nos mostrará que existe algún gas que delate la presencia de vida. El proyecto del Webb se inició en 1995, el mismo año que se descubrió el primero de estos planetas alrededor de otras estrellas. ¡Hoy conocemos miles! El proyecto original seguramente ni siquiera contemplaba este tipo de observaciones de atmósferas a mil años luz de distancia. 

Las imágenes se ven hermosamente multicolores. Esto me sorprendió un poco. Webb no ve luz, sino radiación infrarroja, que desde el punto de vista de la astronomía es mejor que la luz, porque es más penetrante en el espacio interestelar e intergaláctico. Observen los filamentos anaranjados en la imagen del Quinteto de Stephan (recortada y achicada aquí abajo, vayan a ver la original): son de polvo, que se ve oscuro en fotos de luz visible. Pero la radiación infrarroja no es distinta de la luz, es el mismo fenómeno físico. Es luz, sólo que luz que no podemos ver. Para construir imágenes que podamos apreciar nosotros, primates visuales, los astrónomos le asignan a cada color infrarrojo un color de luz visible. Lo que vemos como azul en las fotos del Webb es un infrarrojo completamente invisible para el ojo humano. Yo no sabía cómo iba a quedar, y me daba un poco de miedo de que no fueran imágenes tan atractivas como las del Hubble, que durante más de una generación han capturado la imaginación de la gente. Afortunadamente, el resultado es magnífico. 

Las cuatro fotos que vimos en la primera tanda son hermosas, pero son sólo astrofotos. Esas galaxias lejanas, por ejemplo, ¿cómo son? ¿cuántas hay? ¿cuánto pesan? ¿cómo son sus estrellas, de qué están hechas? ¿cómo llegaron a convertirse en "vías lácteas"? ¿Cómo son sus agujeros negros centrales? Esconden un tesoro de información codificada en su luz, y la ciencia del Webb recién empieza. 

 

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Las imágenes son de NASA/ESA/STScI/JWST/HST. A pesar de que las noticias titularon "la NASA revela..." es importante recordar que el JWST, al igual que el HST, es un proyecto multinacional, como casi todos los grandes proyectos científicos.

El cielo del Hubble

Me apareció en Twitter un mapa de todo el cielo, mostrando las observaciones del Telescopio Espacial Hubble. Me gustó la idea de visualizar el cielo del veterano telescopio, pero un par de cosas no me satisfacían. No me gustó que estuvieran todas las observaciones del sistema solar, marcando la eclíptica, y que la ascención recta aumentara de izquierda a derecha, con lo cual el cielo aparecía "al revés" de como lo vemos. Me costaba navegarlo y encontrar objetos conocidos. Así que quise hacerlo yo mismo. Mi primera versión corrigió ese último defecto, y quedó así, mostrando las 1149511 observaciones:

En este mapa en coordenadas ecuatoriales podemos reconocer la eclíptica como una ondulante línea de muchas observaciones alrededor del ecuador (que es la mitad del gráfico, declinación cero). Revisando el catálogo inmediatamente vi que muchas observaciones estaban señaladas como "moving target". Evidentemente, para eliminar la eclíptica tenía que eliminar las de objetos móviles: planetas, cometas, lunas, asteroides, etc. Eran 48821, más unas cuantas de Neptuno y Plutón marcadas como fijas, claro, casi no se mueven. ¡Zap! Eliminadas. Y me encontré también con una cantidad de exposiciones que realmente no me interesaban para el mapa. Son las calibraciones, familiares a cualquier astrofotógrafo: darks, flats y bias, más de 240 mil. ¡Zap, zap! Muchas de las restantes tenían la palabra "calib", (por ejemplo "earth-calib", no tenía idea de que el Hubble mirara la Tierra en ocasiones). ¡Zap, zap, zap! Me quedaron 835260 observaciones. Aquí están. El cielo profundo del Hubble:

Curiosamente, quedan residuos de la eclíptica, no logré identificar por qué. Ignorémosla. Si prestan atención verán una franja oscura, es decir con menos observaciones, formando una ondulación más pronunciada que la de la eclíptica. Es la Vía Láctea, que en el contexto de la observación del universo lejano se llama zone of avoidance, debido a que la densidad de polvo interestelar y las masas de estrellas dificultan la observación del universo extragaláctico. He aquí un mapa con la misma proyección, hecho con Cartes du Ciel, para orientarse un poco. La Vía Láctea aparece en un azul claro, y la eclíptica en amarillo.

Mirando el mapa y el cielo del Hubble es posible identificar objetos conocidos, que han sido muy observados y presentan gran cantidad de puntos: las Nubes de Magallanes, el centro galáctico, el cúmulo de galaxias de Virgo, la galaxia de Andrómeda, y otros. He aquí una versión mínimamente anotada. Les dejo la identificación del resto como tarea para el hogar.

El catálogo contiene también los tiempos de exposición de cada observación, que van desde brevísimos hasta insanamente largos. Se me ocurrió usarlos para tratar de identificar los campos profundos y los Frontier Fields, que son exposiciones del orden del millón de segundos. El resultado fue el siguiente, usando el tamaño de los puntos para representar el tiempo de exposición. No me funcionó, no pude identificar casi nada. Es claro que los campos profundos no son observaciones únicas, sino que están formados por múltiples exposiciones más cortas, combinadas luego de manera informática. Lo mismo que hacemos los aficionados, después de todo. A ver si a alguien se le ocurre qué es esa observación súper larga cerca de RA 5 DEC +60, por ejemplo.

Hay dos misterios más en el mapa del cielo del Hubble. Lo pongo aquí de nuevo con flechas indicadoras. El primer misterio es el ecuador (DEC = 0, flechas amarillas):

¿Por qué hay una abundancia de observaciones cerca del ecuador celeste? Sospecho que son también calibraciones de algo, porque no hay nada particularmente interesante allí. Pero no sé qué son.

Y hay un misterio adicional, más intrigante: ¿por qué hay muchas más observaciones en el hemisferio norte que en el sur? Si se fijan, verán que es muy notable una región de muchas observaciones delimitada por el ecuador y la zone of avoidance (flechas rojas). No es una ilusión óptica de cómo está acomodada la imagen: el 52% de las observaciones están al norte de +5 grados de declinación, y sólo el 38% están al sur de -5 grados. No me puedo imaginar por qué, así que si a alguien se le ocurre una idea, por disparatada que fuera, podemos considerarla.

 

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El catálogo de observaciones de Hubble fue descargado del sitio de la ESA (que me resulta más amigable que el de la NASA/STScI). 

Hice también el mapa de Cartes du Ciel sin constelaciones, y con un montón de objetos del cielo profundo. Muchos de estos puntos (si no todos) están también el mapa del cielo del Hubble.