¿Cómo sabemos que el universo se está expandiendo?

• Distintas observaciones de las galaxias muestran que se alejan unas de otras.
• Sabemos que las otras galaxias se alejan de nosotros de manera proporcional a su distancia: mientras más lejos están, más rápido lo hacen.
• Esto llevó a los astrónomos a concluir que el universo se está expandiendo.
• Sabemos a qué ritmo se alejan gracias a un fenómeno que sucede con la luz: el redshift o corrimiento hacia el rojo.
• La luz viaja en forma de onda y los colores que percibimos dependen de la longitud de esta onda. No todo el espectro de luz, sin embargo, es perceptible para el ojo humano. 
• Cuando un objeto cercano que emite luz se acerca a nosotros, su onda de luz se comprime, desplazándose hacia el azul. Por otro lado, al alejarse de nosotros, se corre hacia el rojo. Dentro del espectro visible, esto significa que sus colores cambian hacia tonalidades más rojas. 
• Cuando el corrimiento hacia el rojo ocurre por la velocidad con la que un objeto se aleja de otro, estamos ante un corrimiento hacia el rojo Doppler. Cuando el corrimiento hacia el rojo ocurre debido a la expansión del espacio entre dos objetos (como en el caso de las galaxias), estamos frente al corrimiento hacia el rojo cosmológico.
• El efecto Doppler se puede observar en situaciones cotidianas. Por ejemplo, cuando una ambulancia se aleja de nosotros.
• El corrimiento hacia el rojo cosmológico nos ayuda a saber que el universo se expande.
• Actualmente, gracias a la luz que emite cierto tipo especial de supernova, podemos medir qué tan rápido se alejan las galaxias a diferentes distancias de nosotros.
• El brillo de las supernovas nos permite calcular a qué distancia se encuentran las galaxias que las albergan.
• El universo se expande más rápido que antes.

Como vimos en el informe sobre el Big Bang, la humanidad pensó durante mucho tiempo que el universo era eterno y estático. No solo los pensadores de la antigüedad creían que el cosmos era así, sino también los científicos de finales del siglo XIX e inicios del XX.

No obstante, esto cambió en 1929, cuando el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió que las otras galaxias se estaban apartando de la Tierra. Este descubrimiento no solo llevó al desarrollo de teorías como la del Big Bang, sino también a la idea de que tal vez nuestro universo no era estático como pensábamos en esa época. Más bien, nos llevó a concluir que se expandía constantemente.

(Edwin Hubble fotografiado por Johan Hagemeyer)

Pero ¿qué tiene que ver el movimiento de las galaxias con que el universo se expanda? ¿Acaso las galaxias no podrían estar moviéndose en un universo con un tamaño fijo y eterno? Si bien esta hipótesis es plausible, no es lo que los datos y las observaciones nos muestran.

Como explica Ethan Siegel, PhD en Astrofísica por la Universidad de Florida, las observaciones de las galaxias muestran que se alejan a velocidades que están en proporción directa a la distancia que nos separa. ¿Qué quiere decir esto? Que mientras más distancia haya entre nosotros y otras galaxias, más rápido se alejan. Y siempre de manera proporcional: una galaxia que está el doble de lejos de nosotros que otra se alejará el doble de rápido.

El descubrimiento de Hubble fue lo que llevó a los astrónomos a concluir que el universo se estaba expandiendo desde hace miles de millones de años. En otras palabras, los astrónomos hoy consideran que la razón por la que las galaxias se alejan a una velocidad proporcional a su distancia es la expansión del universo.

Gabriel Perez-Giz, astrofísico de la National Science Foundation en Washington, lo explica de la siguiente manera. Imaginemos que nuestro universo es como un pan con pasas a punto de ser horneado: las pasas representan galaxias y la masa el espacio. Ahora, imaginemos que metemos el pan al horno. A medida que la masa de pan crece y se expande, las pasas se van separando. ¿Por qué? Porque el espacio que existe entre ellas se va expandiendo, separándolas cada vez más. Abajo podemos ver una imagen de esto.

¿Pero cómo sabemos que esto está pasando con nuestro universo? Todo es gracias a la luz, que nos permite calcular a qué ritmo se alejan las galaxias en el universo y a qué distancia se encuentran. Para comprender esto, sin embargo, debemos entender mejor qué es la luz, cómo se comporta y qué es el corrimiento hacia el rojo. Luego veremos cómo es que actualmente calculamos las distancias de las galaxias. 

Como afirma la Enciclopedia Británica, la luz es radiación electromagnética que puede detectar el ojo humano. Esta radiación consiste en un flujo de partículas llamadas fotones que viajan en forma de ondas.

Como vemos en la imagen de arriba, las ondas pueden ser más largas o cortas. A esta característica la llamamos longitud de onda. Las ondas más largas poseen mayor longitud de onda, las más estrechas poseen menor longitud de onda. En el caso de la energía electromagnética (el tipo de energía de la luz), las ondas más cortas son más energéticas. De hecho, los colores que vemos dependen de la longitud de onda de esta energía. En la imagen de abajo podemos ver cómo van cambiando los colores que vemos dependiendo de esta propiedad. Según Perez-Giz, en el espectro visible, las ondas más largas corresponden al color; las más cortas, al azul.

Ahora, como vemos en esta misma imagen, en realidad las ondas más cortas corresponden al violeta. Sin embargo, como explica Christopher S. Braid, profesor asistente de física de la Universidad de Texas, decimos que el azul está en el extremo del espectro visible de luz porque los seres humanos no vemos bien el color violeta. Por ello, se usa el color azul para marcar el extremo del espectro visible. Es más, así como existe un fenómeno denominado corrimiento hacia el rojo, los físicos también hablan del corrimiento hacia el azul. Ese, sin embargo, es tema de otro informe.

La imagen también muestra que existen otros tipos de luz u ondas electromagnéticas que no vemos: no son parte del espectro visible. Más allá del color violeta (con menos longitud de onda), se encuentran los rayos ultravioleta, aquellos causantes de que nuestra piel se queme cuando nos exponemos al Sol. Luego, con una menor longitud de onda, se encuentran los rayos X, que usamos para ver nuestros huesos.

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Al otro extremo, más allá del color rojo (con más longitud de onda), se encuentran los rayos infrarrojos, que nos sirven para detectar las fuentes de calor (como los cuerpos de los seres vivos) y “ver” en la oscuridad; las microondas, que usamos para calentar nuestra comida y las ondas de radio. Todos estos fenómenos tienen su origen en la fuerza electromagnética. Si te interesa saber más sobre ella, puedes entrar a nuestro informe sobre las cuatro fuerzas fundamentales de la física.

(Elefantes vistos gracias a la luz infrarroja. Foto: Chester Zoo/LJMU)

Dado que la luz se comporta como una onda, así como el sonido, puede generar el efecto Doppler. ¿Qué es el efecto Doppler? Según el Massachusetts Institute of Technology (MIT), el efecto Doppler describe cambios en la frecuencia de ondas de sonido o luz producidas por una fuente que se mueve con respecto a un observador. Esto suena complicado, pero es algo que hemos experimentado antes en nuestra vida. Por ejemplo, lo percibimos cuando oímos un carro o una ambulancia que pasa delante de nosotros a toda velocidad. Cuando se van acercando, escuchamos un sonido más agudo y cuando se alejan, se escucha más grave. En el siguiente video puedes observar este fenómeno:

Como explica el MIT, esto sucede porque las ondas emitidas por un objeto que viaja hacia un observador se comprimen a medida que el objeto se acerca al observador. En contraste, las ondas emitidas de una fuente que se aleja de un observador se alargan, tal como se aprecia en la imagen de abajo. En el caso de la luz, cuando el objeto que la emite se aleja, su longitud de onda aumenta, acercándose a la que corresponde al color rojo. A este fenómeno, que está relacionado a la velocidad con la que los objetos se alejan de nosotros, lo llamaremos corrimiento al rojo Doppler.

Ahora, así como existe el corrimiento al rojo del efecto Doppler, existe el corrimiento hacia el rojo cosmológico, que es el más relevante para este informe. En el caso de este último, la causa del alargamiento de la onda de luz no es la velocidad relativa entre los objetos (como en el caso de un vehículo que se aleja de nosotros). Lo que causa el alargamiento de la onda de luz es la expansión del espacio en sí.

Volviendo al ejemplo de la imagen de arriba, es como si la onda de la luz se empezara a alargar, pero no porque hay un chofer manejando a toda velocidad en dirección opuesta a nosotros, sino porque el espacio entre nosotros y el auto de pronto empieza a aumentar. Es este corrimiento el que se usa para determinar el ritmo al cual el universo se está expandiendo. En otras palabras, nos sirve para medir la velocidad a la que las otras galaxias se alejan de nosotros.

Pero ¿cómo sabemos a qué distancia están las otras galaxias? Más aún, ¿cómo determinamos qué tanto se ha alargado la luz de las otras galaxias (corrimiento hacia el rojo)? ¿Acaso medimos la longitud de onda de cada galaxia tomada como conjunto? La respuesta a todas estas preguntas está en un tipo de explosión cósmica muy especial. 

Henry Reich, magíster en física teórica por el Instituto Perimeter de Física Teórica de Canadá, nos dice que, si bien sabemos que el universo se está expandiendo, uno podría preguntarse si este parará de expandirse o si seguirá haciéndolo infinitamente. ¿Cómo podemos determinar esto?

La respuesta, explica Reich, es mirar a distintas galaxias que están a diferentes distancias de nosotros. Dado que la luz toma tiempo en llegar a la Tierra, nosotros vemos a las galaxias más distantes como fueron hace muchísimo tiempo. Para que podamos ver un objeto lejano, necesitamos que la luz de esa parte del universo llegue hasta nosotros. Sin embargo, esto puede demorar millones de años en suceder, incluso a la velocidad de la luz (la más alta posible en el universo, hasta donde sabemos). Por eso, cuando la luz de una galaxia lejana llega hasta esta parte del universo, vemos lo que sucedió hace mucho tiempo. Mientras esta llegaba a nuestra ubicación, muchas cosas pudieron pasar en esa parte del universo.

De esta manera, comparando la velocidad a la que de distintas galaxias se alejan de nosotros a través del tiempo, podemos ver si la expansión del universo ha sido estática, se está acelerando o si se está desacelerando. Puesto de otro modo, si vemos que la luz de las galaxias más lejanas se ha corrido hacia el rojo a menor velocidad que las galaxias más cercanas, podemos deducir que anteriormente el espacio se expandía de manera más lenta. Sin embargo, ¿cómo sabemos qué tan lejos está una galaxia y de qué color era su luz al salir de esta? Gracias a la luz de un faro estándar.

Consideremos lo siguiente. Imaginemos que tenemos dos focos iguales que emiten el mismo tipo de luz y brillan con la misma intensidad. Ahora, digamos que entramos a un cuarto oscuro y vemos ambos focos brillar. Si vemos que uno de ellos brilla más que el otro, es porque probablemente uno esté más cerca de nosotros. Asimismo, si medimos que la luz de uno ya no tiene la tonalidad blanca, sino que ha experimentado un redshift o corrimiento hacia el rojo, entonces podemos decir que se está alejando.

Por suerte, en el espacio tenemos una especie de faro estándar: las supernovas tipo Ia. Una supernova es la explosión de una estrella. Como explica Matthew O’Dowd, astrofísico y profesor asociado del Departamento de Física y Astronomía del Lehman College de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, este tipo especial de supernovas tiene luminosidades muy similares entre ellas y muy altas (brillan más que toda la galaxia que las alberga).

(Remanente de una supernova tipo Ia. Foto: NASA)

Según Reich, este tipo de supernova sucede en cada galaxia más o menos cada mil años. Sin embargo, en el universo hay suficientes galaxias como para poder ver una docena de estas todos los meses. De esta manera, explica Reich, estas supernovas nos dicen dos cosas. Primero, al comparar cómo se ve su brillo en la Tierra con cómo sabemos que deberían brillar, podemos saber qué tan lejos están. Por otro lado, su corrimiento al rojo nos dice qué tan rápido se está alejando de nosotros.

Ahora, según Reich, si medimos la velocidad a la que se alejan diferentes supernovas en diferentes distancias, podemos dibujar un gráfico que relacione la expansión del espacio (causante del alejamiento de las galaxias) con el tiempo. Abajo podemos ver una representación de este gráfico.

Como explica Reich, una línea recta significa que el universo se expande a una velocidad constante. En contraste, una línea curvada implica que su velocidad ha cambiado en el tiempo. En el dibujo, si la línea está curvada hacia arriba, entonces su velocidad ha aumentado. Por otro lado, si está curvada hacia abajo, entonces su velocidad está disminuyendo.

¿Qué nos dicen nuestras mediciones? Como nos cuenta Reich, por mucho tiempo se pensó que la línea era recta o ligeramente curvada hacia abajo. Sin embargo, cuando los astrónomos miraron cuidadosamente las supernovas, descubrieron que actualmente el universo se expande más rápido que hace muchos años: la expansión se está acelerando. Lamentablemente, aún no sabemos por qué el universo se expande cada vez más rápido; sin embargo, se le atribuye el hecho a la energía oscura, pero esta es materia de otro informe.

En síntesis, gracias a la luz no solo podemos apreciar magníficas obras de arte y paisajes asombrosos, sino que también podemos develar los misterios del universo. Esta no solo nos permite medir las distancias que hay entre nosotros y otras galaxias, sino también qué tan rápido se alejan o acercan. Esta propiedad nos ha mostrado que el universo se está expandiendo cada vez más y que las otras galaxias se alejan cada vez más de la nuestra a una tasa acelerada.