Actualmente sabemos que el Universo se está expandiendo desde que se originó en el Gran Estallido (lo que en inglés se llama "Big Bang") hace trece mil ochocientos millones de años. Pero como llegamos a descubrir este hecho de la expansión del Universo?
Fue decisiva la capacidad de poder medir distancias hasta las galaxias más cercanas. A principios del siglo XX, aunque no se sabía que el Universo estaba formado por muchas galaxias: sólo sabíamos que el Sol era una estrella de la Vía Láctea, un sistema de miles de millones de estrellas en forma de disco que nosotros vemos como una banda luminosa en el cielo, dada nuestra perspectiva desde el interior de este disco. Con los telescopios ópticos se habían descubierto muchas nebulosas (u objetos luminosos difusos) en el cielo, pero no se sabía si estas nebulosas eran nubes de gas y estrellas en formación dentro de la Vía Láctea, o bien galaxias muy lejanas como la Vía Láctea (hoy en día sabemos que hay un poco de todo, y llamamos nebulosas sólo en las nubes de gas). Muchos astrónomos pensaban que el Universo era únicamente la Vía Láctea, con el espacio infinito extendiéndose más allá y conteniendo sólo un gran vacío. Pero otros ya proponían la hipótesis de que vivimos en un Universo de galaxias donde la Vía Láctea es sólo una entre muchas. La clave para sacar el entramado era medir la distancia a una de las nebulosas: si la distancia era mucho mayor que el tamaño de la Vía Láctea, debía ser una galaxia externa.
La medida de la distancia siempre ha sido un problema tan difícil como fundamental en la historia de la astronomía. Cuando se midió la distancia a las estrellas, se pudo entender que el Sol es sólo una estrella entre tantas que habitan nuestra Vía Láctea. No podemos saber la distancia de un objeto luminoso en el cielo simplemente observándolo: un punto de luz de un brillo cuidadosamente medida puede ser un objeto muy lejano y luminoso, o puede ser mucho más cerca y mucho menos luminoso.
La clave para medir distancias a galaxias la diseñó una astrónoma que trabajaba en el observatorio de la Universidad de Harvard, Henrietta Leavitt. A principios del siglo XX, Leavitt investigar unas estrellas variables llamadas Cefeidas que varían de brillo de una forma regular y periódica. Descubrió que las Cefeidas más luminosas varían con un período más largo que las menos luminosas, siguiendo una relación de periodo-luminosidad que ella calibrar. Gracias a este descubrimiento, las variables Cefeidas se convirtieron en la técnica de medir distancias a galaxias que, posteriormente, permitió demostrar que nuestro Universo de galaxias se expande.
Henrietta Leavitt realizó su investigación con las estrellas Cefeidas de las Nubes de Magallanes, dos galaxias enanas que orbitan la Vía Láctea como satélites.
Els Gran i Petit Núvol de Magallanes són dues galàxies nanes satèl·lits de la Via Làctia
Como son más cercanas que cualquier otra galaxia, estas galaxias enanas podían resolverse en estrellas individuales con las imágenes fotográficas que se podían obtener a principios de siglo XX, y se aceptaba que eran enjambres de estrellas cerca de la Vía Láctea, pero nadie sabía a qué distancia eran de nosotros ni si eran similares a otras galaxias que no podían resolverse. Las observaciones que permitieron a Leavitt realizar su descubrimiento se hacían en un observatorio australiano, pues las Nubes de Magallanes sólo se pueden observar desde el hemisferio Sur de la Tierra. Se tomaban placas fotográficas de las mismas áreas del cielo en muchas noches diferentes y se enviaban en el observatorio de Harvard, donde trabajaba Leavitt. Allí comenzaba una ingente tarea para examinar las placas e identificar las variables Cefeidas entre la multitud de estrellas que quedaban registrados.
Durante años de estudio, Leavitt identificar muchos tipos de estrellas variables y descubrió que había muchas de Cefeidas. Con lupa y micrómetro, buscaba las Cefeidas que tenía catalogadas en las placas fotográficas y medía con toda la precisión posible el tamaño de la mancha negra que había quedado registrada en el negativo de la placa. Cuanto mayor la mancha, más era el brillo de la estrella que se deducía. Con minucioso detalle y gran dedicación, midió las variaciones de brillo de más de un millar de Cefeidas que había descubierto. En una época sin ordenadores en los que todos los números se habían de escribir en una libreta y los cálculos y las gráficas se tenían que hacer a mano, escribía extensas tablas con el resultado de las medidas para ver cómo variaba cada Cefeida y qué era su periodo.
Como las cefeidas que estudiaba Leavitt eran parte de las Nubes de Magallanes, sabía que todas eran aproximadamente a la misma distancia de nosotros, y que por tanto su brillo es directamente proporcional a la luminosidad intrínseca de la estrella. Las variaciones de las cefeidas son perfectamente periódicas y regulares: aumentan rápidamente de brillo, alcanzan un máximo y luego disminuyen más lentamente. Cuando comienza el siguiente periodo repiten la misma variación siguiendo la misma curva de luz. Tras medir los periodos de muchas Cefeidas Leavitt anunció la ley que había descubierto: cuanto más brillante era la Cefeida observada, más largo el período de variación. Es decir, como que todas las Cefeidas de las Nubes de Magallanes están en la misma distancia, como más luminosas más largo el período.
Comparando con las variables Cefeidas conocidas mucho más cerca del Sistema Solar, se vio que eran mucho más brillantes que las Cefeidas de las Nubes de Magallanes que tenían el mismo periodo. Esto era simplemente porque las Nubes de Magallanes son mucho más lejos que las estrellas Cefeidas que podemos encontrar cerca de nosotros en el disco. De esta comparación se pudo deducir la distancia a las Nubes de Magallanes, que es de unos ciento cincuenta mil años-luz.
Henrietta Leavitt demostró que las Nubes de Magallanes son unos enjambres de estrellas a una distancia bastante mayor que el tamaño de nuestra galaxia, y que por tanto, otras nebulosas de luz difusa de características similares, tales como la nebulosa de Andrómeda , podrían ser galaxias aún más lejanas. En la época en que vivió, el machismo de la sociedad era mucho más extremo que el actual, y en general no se aceptaba que una mujer pudiera hacer descubrimientos científicos importantes. Leavitt tuvo mucha suerte de poder trabajar en uno de los pocos lugares del mundo en el que una mujer podía tener la oportunidad de hacer investigación en astronomía, el observatorio dirigido por Edward Pickering. Aun así, la participación de las mujeres en los debates científicos más importantes no estaba incentivada, y no podemos saber qué pensaba Leavitt sobre las implicaciones de su trabajo por la naturaleza de otras galaxias que entonces se llamaban nebulosas, y por el estructura general del Universo.
Después de más observaciones con telescopios más grandes, en 1924 Edwin Hubble detectó las primeras estrellas variables Cefeidas en la nebulosa de Andrómeda y en midió la distancia. Así demostró que esta nebulosa no es una pequeña nube en la Vía Láctea, sino toda una galaxia similar a la Vía Láctea situada a una enorme distancia, que él estimó entonces en un millón de años luz y hoy sabemos que es de unos 2,5 millones de años-luz. De ello se deducía que vivimos en un Universo de galaxias, en el que la Vía Láctea es sólo una entre millones de galaxias similares distribuidas por todo el espacio. Poco después, en 1929, Edwin Hubble demostraba que el Universo de galaxias está en expansión, utilizando el mismo método de las cefeidas para medir distancias, y el efecto Doppler para medir velocidades. Llegaba así a su ley: las galaxias se alejan unas de otras con una velocidad proporcional a la distancia que las separa.
Henrietta Leavitt sufrir problemas de salud, y contrajo una enfermedad que le hizo perder el oído desde joven. Murió en 1921, víctima de un cáncer cuando sólo tenía cincuenta y tres años. Desgraciadamente, no pudo ver todos los descubrimientos que sus búsquedas hicieron posibles y que iniciaron todo lo que hoy se conoce como la cosmología. Un compañero suyo, de nombre Solon I. Bailey, le escribió esta dedicatoria a su muerte, que traduzco aquí al catalán: "Tenía la alegre virtud de apreciar todo lo que era valioso y hermoso en los otros, y derramaba de una naturaleza tan esplendorosa que, por ella, toda la vida se convertía hermosa y llena de significado ". Ojalá haya muchas otras personas que sigan investigando el Universo con esta misma actitud de Leavitt.
En las postrimerías del siglo XX, un nuevo método de medir distancias se descubrió basado en las supernovas, entre las que hay algunas características especiales (denominadas de tipo Ia) que cumplen una relación entre la duración de la supernova y la luminosidad. Es una relación similar a la de periodo luminosidad que se aplica para las Cefeidas. Las supernovas son mucho más brillantes que las Cefeidas, y por tanto las podemos ver mucho más lejos y nos sirven para medir distancias de galaxias mucho más lejanas. Esto nos ha permitido descubrir que el Universo no sólo se expande, sino que esta expansión está acelerándose actualmente "(un tema que dejaré ahora por un futuro apunte en este blog). Mientras tanto, la relación descubierta por Henrietta Leavitt continúa utilizando -se hoy día para estudiar la distancia a galaxias con el Telescopio Espacial Hubble, que también habría podido tener el nombre de Telescopio Espacial Leavitt.
Sobre el autor
Jordi Miralda es profesor ICREA, astrónomo y director científico del Instituto de Ciencias del Cosmos. Doctor en Astrofísica por la Universidad de Princeton, retornó a Cataluña como profesor ICREA en 2005. Su investigación está centrada principalmente en el campo de la astrofísica teórica, y pretende dar explicaciones físicas sobre los fenómenos que observamos en el universo. Aunque sus intereses abarcan desde la formación de galaxias hasta la composición del Universo o la formación de los agujeros negros masivos, durante los últimos años ha centrado sus esfuerzos en estudiar la distribución a gran escala del gas intergaláctico a través los sondeos de cuásares. Actualmente, investiga sobre las técnicas que indagan en la naturaleza de la materia oscura.
