Serie “Cómo funciona el cosmos”. Capitulo segundo: Cómo sabemos que el universo se expande

Cómo sabemos que el universo se expande es una pregunta recurrente para las personas que están empezando a entrar en contacto con este mundillo. Para empezar, recordemos que todo esto empieza con la observación de cuerpos lejanos. Edwin Hubble realiza una publicación en 1929 sobre el movimiento de las nebulosas, concluyendo que la mayoría de ellas presentaban corrimientos al rojo. ¿Qué significa esto?

Antes de explicar que es el corrimiento al rojo debemos recordar el efecto Doppler. Todos hemos oído, y nos lo han explicado en el cole, que las sirenas de las ambulancias se oyen de forma distinta cuando se acercan y cuando se alejan. Este efecto se produce porque el sonido es una onda. Si la onda es amplia el sonido es grave, si es estrecha, el sonido es agudo. Piensa en la moto que viene lejos en una noche de verano con la ventana abierta. El sonido se acerca, es agudo, cuando se aleja se torna grave de repente. El ruido del motor siempre es el mismo pero el primer sonido tiene ondas de mucha frecuencia (si las pintamos son estrechas) y al alejarse son ondas de poca frecuencia (anchas).

¿Cómo es posible? Es sencillo, el sonido tiene una velocidad determinada de propagación (vamos a llamarla pequeña en comparación con otras cosas). Un coche, una moto, puede fácilmente ir al 10 o 15% de esta velocidad (si el conductor es algo más irresponsable, incluso al 20%). La onda se propaga más rápido, pero empieza a propagarse cuando el cuerpo se está moviendo. Si la onda y el cuerpo se acercan a nosotros, el emisor está “empujando la onda” al emitirla, por lo que la comprime (se hace estrecha), por lo tanto, se agudiza y pasa lo contrario si se aleja, la estira y se agrava.

Con la luz pasa lo mismo, salvo que la luz sí que se expande en el espacio vacío. La luz es una onda electromagnética y como onda “padece” igual el efecto Doppler. Por supuesto, en el caso de la velocidad de la luz, debemos observar cuerpos muy rápidos para notar este efecto. En el Cosmos todo es muy, muy (todos los muis que quieras decir serán pocos) grande y todo ocurre a escalas que cuesta imaginar. El movimiento de por ejemplo entre dos galaxias, como la Vía Láctea y Andrómeda es de 300 km/s referida al Sol, esto es que depende del punto en el que está el sol, pero es en cualquier caso enorme. Aun así, su corrimiento al rojo es de -0,001001 que parece un valor pequeño.

Al mirar a objetos lejanos, muy lejanos, observamos que, en general, este corrimiento al rojo es mayor. El valor del corrimiento al rojo de la galaxia EGS8p7, la más lejana encontrada hasta ahora, dada a conocer en la revista Astrophysical Journal Letter, es de 8,68.

Cuando Georges Lemaître publicó en 1927 la teoría, su estudio se basaba en las leyes de Einstein y en observaciones de varios astrónomos. Su trabajo pasó desapercibido. Poco después, en 1929, Edwin Hubble publicó su teoría apoyada en las observaciones que había realizado desde el observatorio de Monte Wilson. Aquí fue donde, con un estudio de objetos lejanos (en aquella época objetos de fuera de la Vía Láctea), Hubble establece la relación entre la distancia de un objeto y el corrimiento al rojo.

Las observaciones decían que cuanto más lejos estaba un objeto, mayor corrimiento al rojo tiene. Esto demuestra, no que los objetos se alejan entre si, ya que ese caso todos tendrían corrimientos al rojo similares o dependientes de su dirección de movimiento a cualquier distancia. Sin embargo, que esté estrechamente relacionada la distancia con el valor de corrimiento al rojo, demuestra que es el universo el que se expande, no las galaxias las que se mueven alejándose. Es la conocida como ley de Hubble–Lemaître.

Ahora podemos distinguir dos valores de movimiento de los objetos, el movimiento propio de estrellas y galaxias entre sí, y el de la expansión del universo. Hay que destacar que la expansión del universo no significa que las galaxias se muevan hacia afuera para llenar un espacio vacío, no. Esto significa que es el propio espacio vacío el que crece y en su expansión arrastra su contenido haciendo que se alejen unos objetos de otros.

De forma similar podríamos pensar en una camiseta que se va estirando con el uso, el dibujo de la misma crece en igual proporción, pero visto desde dentro, dos dibujos de la misma camiseta parecerían alejarse uno del otro, cuando lo que pasa es que el espacio en el que están contenidos está creciendo, dándose de sí. Si estos dibujos están más separados, parece que se alejan más, pues hay más estiramiento (no más tela) entre ambos, la tela se está estirando. El espacio-tiempo se está estirando.

Esta teoría, ya demostrada, es el principal aval para la teoría del Big Bang como origen del universo.

Por otro lado, se ha trabajado mucho en calcular esa expansión. Lo que se denomina H0 o constante de Hubble, es el valor de proporcionalidad que determina cuanto se alejan unos objetos de otros en función de su distancia. Este valor se ha medido mediante observaciones y, más recientemente, mediante satélites como el Planck. El valor más reciente publicado es de 64 (km/s)/Mpc. Léase, que el universo se expande a una velocidad de 64 kilómetros por segundo de velocidad por cada Mega Parsec de distancia. Un parsec es la “abreviatura” de paralaje de un segundo de arco.

Si te aclaras mejor en años luz, es el equivalente a decir que el universo se expande a una velocidad de 19,62 km/s por cada millón de años luz de distancia. Es decir, que a una distancia de 2.5 millones de años luz, donde está la galaxia Andrómeda, el universo, se expande a 49.05 km/s.

Mi consejo, mira las galaxias cercanas al telescopio, son producto del momento en que vivimos. No vamos a notarlo en lo que duren nuestras vidas, pero estás mirando algo vivo y cambiante.

Evento en Peñascosa

Tras varias noches de observación y muchos asistentes, aunque la noche no era propicia por la luna llena, fue igualmente provechosa. Os dejamos algunas de las imagenes que hemos obtenido estos días:

Asistentes al avento Cosmotour en Peñascosa, Albacete
Fotografiando la Luna (Cosmotour.es)
Asistentes al evento de Cosmotour en Peñascosa, Albacete
Fotografía a través del telescopio (Cosmotour.es)
Asistentes al evento de Cosmotour en Peñascosa, Albacete
Algunos asistentes (Cosmotour.es)
Detalle de la Luna al telescopio, cráteres
Un detalle de la Luna (Cosmotour.es)

Además de la fotografía lunar, lo que es muy fácil desde cualquier móvil, intentamos captar agún otro cuerpo celeste:

Saturno a través del telescopio
Saturno, no muy bien enfocado (Cosmotour.es)
Otra imagen de Saturno
Otra foto con más fortuna (Cosmotour.es)

Además de lo que se puede ver a través del telescopio, participamos en algunas fotografías más:

Fotografía circumpolar de larga exposición.
Fotografía circumpolar (José Carlos Castillo)
Fotografía circumpolar de larga exposición.
Circumpolar y horizonte iluminado (José Carlos Castillo)
La Luna tomada mediante camara de fotos
Otra foto de la luna, esta vez con cámara (José Carlos Castillo)
Imagen de Light Painting
Light Pinting (José Carlos Castillo)

Algunos ejemplos más, una estupenda forma de llevarte un recuerdo de una noche de observación:

Imagen de Light Painting
Filigranas (José Carlos Castillo)
Imagen de Light Painting
Foto de grupo (José Carlos Castillo)

Las imagenes del cielo, tomadas de forma adecuada, permite resaltar aspectos poco apreciables a simple vista, sobre todo en una noche de Luna llena.

La osa Mayor y el horizonte, estrella doble Mizar
Osa Mayor en larga exposición (José Carlos Castillo)
En esta foto se puede apreciar la estrella doble Mizar, una de las que se observó esa noche.
Esta imagen es especialmente reveladora, si se mira con detalle, puede apreciarse los distintos colores de las estrellas. Es acosejable mirarla a pantalla completa (José Carlos Castillo)

Seguiremos realizando noches como estas, sigue atento a nuestra web en este enlace.

Cómo vemos el universo (tipos de astronomía)

Cuando hacemos un evento de astroturismo empiezo contando lo que vamos a hacer, parece obvio, mirar las estrellas a través del telescopio, pero esta afirmación debe puntualizarse. Solo hace unas pocas décadas hemos empezado a ir a objetos más cercanos para recopilar datos, todo lo que hemos hecho antes de eso y la inmensa mayoría de los que hacemos ahora es esperar a que sus señales nos lleguen y estudiarlas. La astronomía es un tipo de ciencia diferente ya que no interactúas con el objeto a estudiar, no lo metes en el laboratorio y le haces pruebas, todo lo que podemos hacer es mirar. Sentarse y mirar lo que nos llega.

El primer contacto con el cielo nocturno lo hacemos por la vista, es lo que llevamos haciendo no se sabe el tiempo y, gracias al telescopio, desde 1610. Pero la luz visible es una pequeña parte de lo que nos llega. Solo hay que saber mirar.

Espectro electromarnetico. Zona visible resaltada
Espectro electromagnetico. La luz visible es una pequeña parte.

Como vemos en la imagen anterior, la parte visible es muy pequeña comparado con todo el espectro. Tal vez, visto en forma de onda entiendas mejor la diferencia entre la luz y los rayos X, que son parte de lo mismo:

Longitudes de onda
Distintas longitudes de onda del espectro electromagnetico

Cuanto más cerrada es la onda, es decir, cuando aumenta su frecuencia, es más energético, por eso una sobre exposición a los rayos x hace mucha pupa y cuando nos enfrentamos la luz del sol, nos quemamos pasado un rato, pero vivimos rodeados de ondas de radio, y no nos enteramos.

Pero bueno, todo es física, vamos al pastel. De todas las ondas que llegan, vemos (redundando un poco) las visibles, y con el telescopio las amplificamos. Solo mejoramos lo que la naturaleza nos ha dado, la vista, hasta que en 1937, se pone en marcha el primer radiotelescopio (casero en el patio de Grote Reber) y, et voila!, tenemos una foto diferente del universo. Lo bueno es que podemos ajustar la frecuencia a la que “vemos”. Bueno es mas complicado, cada parte del espectro, necesita un aparato adaptado para poder registrarlo y convertirlo a imagen visible.

El esquema de bajo corresponde al telescopio Chandra, que capta rayos x. Vemos que su construcción difiere del típico tubo de telescopio óptico:

Telescopio Candra
Esquema constructivo del telescopio de rayos x Chandra

El espectro visible, lo que vemos, es una pequeña parte del espectro electromagnético. Las ondas de radio, que sí, son ondas como las que llegan al aparato radio y que emiten los centros de galaxias, pulsares y remanentes de supernovas. Si te preguntas si puedes captarlas con tu aparato de radio, la respuesta es sí. El ruido de radio que oyes cuando no sintonizas nada es ruido de fondo, de aparatos cercanos, ruidos atmosféricos e incluso remanente del Big Bang. Si no llegase nada al aparato, no oirías nada. Los “anisillos” de la tele y la estática de la radio son ruido porque no son algo interpretable por nuestros aparatos. Abajo una antena de radioastronomía.

Antena de radioastronomia
Antena Aries en el centro astronómico de Yebes (Guadalajara, España).

Al ver la antena anterior, casi todos pensamos en las parabólicas de la tele por satélite. El principio es el mismo, la parabólica de la tele apunta a un satélite que manda señales de radio (y televisión). Nuestra antena apunta al espacio profundo y capta ondas de radio del cosmos.

Los telescopios de microondas tienen un aspecto parecido por fuera, al fin y al cabo detectan ondas cercanas a las de radio, son grandes platos parabólicos. En este caso trabajan en el fondo de microondas que es la radiación remanente del big bang y que llena todo el universo.

Los telescopios de infrarrojos son más parecidos al clásico telescopio óptico, solo que el sensor que capta la imagen esta especializado en el infrarrojo (usualmente los telescopios ópticos como el Hubble pueden ir hasta el infrarrojo cercano y el ultravioleta). Estos telescopios son candidatos idóneos para estar en orbita ya que funcionan mejor a bajas temperaturas, recordemos que el infrarrojo es una emisión que se debe a la temperatura del cuerpo que lo emite, cuanto más frio esté el sensor, mayor sensibilidad se consigue. Además la atmosfera absorbe mucho infrarrojo, por lo que no llega la misma señal a la superficie de la tierra que a la órbita.

Observatorio Spitzer de la NASA
Composición artística del SST (Spitzer Space Telescope, NASA)

Uno de los más curiosos es el (no se le puede llamar telescopio) observatorio de rayos gamma.

Los rayos gamma vienen del cosmos al igual que el resto de radiaciones, pero detectarlas requiere un proceso diferente. Lo que veis en la imagen de abajo son depósitos de agua, dentro hay fotodetectores (que además multiplican la señal de luz) que detectan emisiones lumínicas que se producen por la interacción magnética de las partículas cargadas de los rayos gamma (lo que producen es emisión de luz de Cherenkov).

Lo que pasa es que el rayo gamma pasa por el agua de los contenedores. Esta radiación interactúa magnéticamente con las moléculas. Al despolarizarse, las moléculas, emiten luz azulada conocida como radiación de Cherenkov. El detector, lo que hace es captar esta luz.

Observatorio de rayos gamma:

Observatorio de rayos Gamma
El Observatorio HAWC, compuesto de 300 detectores de agua Cherenkov.

Y después de tanto cacharro mirando al mismo sitio, tenemos una serie de imágenes. Todo se puede traducir a imágenes visibles para nosotros. Los diferentes equipos, resaltan aspectos distintos de un mismo cuerpo, la luz, la temperatura, la velocidad, el magnetismo…

Aquí podemos ver la diferencia y la importancia de tener equipos tan distintos. La galaxia de Andrómeda vista con diferentes equipos:

Diferentes imagenes de M31
Image credit: Multiwavelength images of M31, via the Planck mission team; ESA / NASA.

Siempre he dicho que cada tipo de observatorio es una forma alternativa de ver las cosas. Es como si viésemos en blanco y negro, después en color, después en 3D, en holograma… y aún nos queda lo mejor.  La primera observación de ondas gravitatorias se logró el 14 de septiembre de 2015. Esto es nuevo porque ya no observamos el espectro electromagnético. Esto es como añadir sonido a nuestra película, es un tipo totalmente nuevo de astronomía, pero esto es harina de otra entrada del blog.

Mi consejo, cuando estés buscando tu emisora en la radio, no desesperes, lo que estas oyendo es en parte el Cosmos, estás haciendo radioastronomía.

Evento en Valdeganga de Cuenca

Este fin de semana se ha completado con exito la observación de varios objetos del cielo nocturno durante 2 noches. Entre los objetos obervados estaban la Luna, Júpiter y Saturno, varias estrellas dobles, cúmulos de estrellas e incluso una galaxia.

Os dejo algunas fotos del evento.

Preparando el telescopio
ajuste del telescopio
probando las lentes

Primer objeto observado, la Luna
La Luna através del telescopio
Aunque desenfocada, la Luna fotografiada con el movil através del telescopio
Estrella Arturo
La estrella Arturo, fotografiada con el movil

Serie «Cómo funciona el cosmos». Capítulo primero: ¿Qué significa estar en órbita?

Cuando hablamos de poner cosas en órbita, de la ingravidez, la microgravedad y cosas así me he dado cuenta de que en general, no nos han explicado bien en que consiste eso de salir al espacio. Como paso primero, vamos a revisar lo que sabemos de mecánica orbital e iremos ampliando conceptos sobre el tema a modo de glosario para iniciados, y así poder entender mejor otras entradas del blog. Para eso empezamos hoy con la serie “Cómo funciona el cosmos”.

Para empezar, todos sabemos que es la gravedad. Esa fuerza mágica descrita por la ciencia hace apenas unos siglos y que conocemos por experiencia desde que éramos primates antes de bajarnos de los árboles, es la causante de nos caigamos, nos aplasten los pianos que caen desde balcones, reentren los satélites de Starlink y que la Luna siga en su sitio.

Hay dos formas de ver el problema, la mecánica clásica (la física que estudiamos en el cole) y la mecánica relativista (esto ya requiere estudiar a Einstein), pero a efectos de lo que necesitamos saber, nos vale con la primera.

Para la mecánica clásica, la gravedad es una fuerza que aparece entre dos masas cualesquiera y que es más fuerte a más grande sean y más débil cuanto más separen y que tiene su formula asociada que me voy a ahorrar para no aburrir al respetable.

Según esta fórmula, la fuerza que soporta un señor vestido de cosmonauta en su casa de Zviozdni Gorodok (ciudad de las estrellas), cerca de Moscú, es de 9.81m/s2. Si te suena este numero es que estabas atento en clase. Pero si recalculamos la fuerza de la gravedad en ese mismo señor, y que ahora está a bordo de su estación espacial a 400 km de altura (vamos a redondear que es lo que les gusta a los físicos) tenemos que es de 9.23 m/s2. Recórcholis, la fuerza es casi la misma, ¿cómo es posible que el señor astronauta no caiga?

Ahí está la clave de porque decimos estar en órbita y en microgravedad y no es correcto decir en gravedad 0 o en ingravidez. Sabemos que lo de estar en órbita significa dar vueltas, a la Tierra en este caso, y es eso lo que realmente hace que el astronauta flote y la ISS (International Space Station) y no se precipite a tierra, porque caer, si cae.

La velocidad del astronauta cuando da vueltas es la clave del asunto.

Cuando lanzamos un cohete al espacio, la velocidad que alcanza no es para llegar antes. La necesidad de usar cohetes es, precisamente, para alcanzar lo que se denomina “velocidad orbital” o como lo llamaban los soviéticos “primera velocidad cósmica”, que varía según el planeta del que queramos escapar, y vale 3.02 km/s para la tierra (ojo, kilómetros por segundo o 10900 km/h). Es la velocidad que debe alcanzar un satélite o una nave espacial para no caer al suelo, es decir, para caer tan lejos, que la tierra ya se ha curvado y caer más allá.

La ISS viaja a 27700 km/h, por lo que, para llegar a ella, nuestro cohete tiene que ponerse a esa velocidad. La ISS no viaja a esa velocidad por casualidad. Esta es un compromiso entre la velocidad necesaria para no caer a tierra y no salir volando hacia las estrellas.

¿Por qué viajar a tanta velocidad? Para saber lo que experimentan los astronautas debemos imaginar dos cosas y después unirlas. Primero debemos imaginar que subimos a una montaña rusa en un vagón cerrado y sin ventanas, cuando llegamos a la caída principal notamos como las tripas nos suben. Si prolongásemos esta caída de forma indefinida, no pudiésemos ver el exterior de nuestro vagón y todo a nuestro alrededor cayese al tiempo (el boli del bolsillo, las monedas, las gafas, o un vaso lleno de agua), al cabo de un rato no podríamos saber si caemos o flotamos. Eso es exactamente lo que les pasa los habitantes de la ISS.

Ahora viene el segundo esfuerzo imaginativo. Supón que tienes un brazo hercúleo y lanzas una piedra… que demonios, ¡eres Hércules! así que lanzas directamente una nave espacial. Bien, lanzas la nave y como no has merendado hoy, al cabo de describir una bonita parábola, cae al suelo. A más fuerza le imprimes, más lejos cae.

Tipos de órbita
Orbita de newton. Wikipedia

Los lanzamientos a y b terminan en colisión contra el suelo, el c ha cogido tanta velocidad, que cuando empieza a caer al suelo, la tierra ya se ha curvado debajo de él, coincidiendo esta curvatura con la caída del objeto, por lo que ambas son paralelas, dando como resultado que el objeto cae continuamente y nunca toca el suelo. Es decir, estár en órbita. Pero ojo, seguimos estando dentro de la influencia de la gravedad terrestre. A 400 km de altura apenas hay diferencia, y la Luna, a sus 380000 km sigue estando dentro de esta influencia. Es más, está, exactamente igual que la nave espacial, en órbita alrededor de la Tierra.

Lo que pasa es que la gravedad atrae a la nave y esta cae al suelo, pero va tan rápido que al caer, la tierra ya se ha “doblado” y la nave no “encuentra” el suelo, por lo que sigue cayendo y así indefinidamente. ¡ Chupaos esa terraplanistas!

Al imprimir aun más fuerza, la nave hará órbitas cada vez más grandes, separándose de la tierra cada vez más hasta llegar a la “segunda velocidad cósmica” o velocidad de escape, que es la necesaria para salir de la influencia gravitatoria de la tierra y ponernos en órbita alrededor del Sol. Esta es, para objetos que lanzamos “de un golpe”, no para cohetes, 11200 m/s (ojo otra vez, metros por segundo, 11,2 km/s) o de 40319.97 km/h.

Si combinamos la trayectoria y velocidad de caída, con los efectos de una caída infinita, tenemos que estar en orbita es exactamente lo mismo que decir que estamos cayendo de forma continua. Lo que ves en las imágenes de la ISS no es gravedad cero, es caer de forma continua.

tres tipos de caida libre
Estas personas están experimentando el mismo efecto. Solo el paracaidista es consciente de que cae al poder ver referencias en su entorno y apreciar cambios de altura. 1-Stephen Hawking (centro) experimenta gravedad cero durante un vuelo a bordo de un avión Boeing 727 modificado, propiedad de la Zero Gravity Corporation. Jim Campbell/Aero-News Network. 2-Ejército del Aire Ministerio de Defensa España. Escuadrón de Zapadores Paracaidistas. Paracaidista HALO HAHO. 3-Catherine Coleman en “ingravidez”. Pixabay.com

Asique ya lo sabes, cuando la luna se mueve, lo que hace es caer hacia la tierra. Su velocidad, de 28 días por órbita, es lo que hace que la caída no acabe en la Tierra, si no en el punto de partida y se repita el ciclo una y otra vez. No esta flotando en el espacio, esta cayendo en el espacio, igual que la Tierra cae al Sol y éste al centro de la galaxia. Pero no se mueve en línea recta, si no en “tiro parabólico”.

No es que una mano mágica o divina nos haya empujado así. Los procesos de formación de las estrellas, planetas y lunas, así como sus empujones y tirones gravitatorios entre ellos, han determinado las velocidades y posiciones que, al final de muchas peripecias, se quedan estabilizadas en las cómodas y organizadas orbitas que conocemos hoy y parecen hechas adrede para nosotros.

Mi consejo, cuando salgas y veas la luna o la ISS pasar por encima de tu cabeza, piensa que los galos no estaban tan equivocados, el cielo te está cayendo encima, pero afortunadamente, cae un poco más allá del borde del planeta.

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