¿Cómo se mide la distancia a las estrellas?




En los documentales de la tele, a menudo se nos habla de las enormes distancias que nos separan de otras estrellas y galaxias. Decenas, millares, millones de años luz… ¿Pero cómo hemos sido capaces de medir esas enormes distancias? La respuesta, es una combinación de métodos tremendamente ingeniosos que conllevan un detallado y cuidadoso trabajo para su realización.

Medir la distancia que nos separa incluso de las estrellas más cercanas era difícil para nuestros antepasados. Estas están tan lejos que hacen palidecer cualquier longitud que se pueda medir dentro de la Tierra, e incluso en el propio Sistema Solar. Estas enormes distancias es lo que hace parecer que las estrellas tienen posiciones fijas en el cielo, a pesar de que nos movemos constantemente con respecto a ellas. En su momento, esta ausencia de movimiento de unas estrellas en relación a las otras, se utilizó para defender las teorías geocéntricas. Si la Tierra gira alrededor del Sol ¿Cómo podía ser que no las viéramos cambiar de posición? Las estrellas deberían cambiar sus posiciones relativas las unas a las otras, como lo hacen los árboles en el parque cuando nos movemos entre ellos, o como lo hacían los propios planetas. Fue Copérnico quién acertadamente decidió, que no percibimos su movimiento relativo, simplemente porque están extremadamente lejos. 

Pero entonces ¿Cómo saber cuáles de entre estos puntos de luz están más cerca o más lejos? Y más difícil aún ¿Cómo medir las distancias exactas? La clave es el paralaje. Aprender sobre el paralaje es sencillo. Solo tienes que estirar tu brazo y extender el pulgar. Después mira este dedo fijamente y cierra y abre los ojos derecho e izquierdo alternativamente. Como ya sabrás tu dedo parece moverse automáticamente de un lado a otro en relación al resto de objetos en el fondo. Esto se debe a que el ángulo de la luz que llega a cada ojo es ligeramente distinto. Sabiendo la distancia entre tus ojos, y pudiendo medir los ángulos de visión de cada ojo en relación al objeto observado, y sabiendo el aparente movimiento de este podemos averiguar la distancia hasta el mismo usando trigonometría básica. 

Lo complicado es que la distancia de tu cara a tu dedo es bastante asumible, pero intentar utilizar la distancia entre tus ojos para formar la base del triángulo que te ayude a medir objetos  a años luz de distancia no parece muy útil ¿Y qué tal usando dos telescopios separados por cientos de metros? Nos seguimos quedando muy, muy cortos ¿Y telescopios en ciudades, distintas, países distintos, continentes distintos…? Lamentablemente todas las distancias a nivel terráqueo se nos quedan cortas. Afortunadamente tenemos acceso a dos puntos los suficientemente lejanos para establecer los dos vértices de la base de nuestro triángulo y hacer las mediciones angulares necesarias. La idea sería hacer una en cualquier momento, y luego esperar seis meses a que la Tierra llegue al otro lado de su órbita alrededor del Sol a unos 300 millones de kilómetros  para hacer una nueva medición ¡Esta base sí que da la talla para nuestro triángulo! En 1838, Friedrich Wilhem Bessel, astrónomo alemán, fue el primero en medir la distancia hasta 61 Cygni, una de las estrellas más cercanas, poniéndola a 1014km (100 trillones, un 10% menos que la distancia estimada hoy en día).  

Así que ya sabemos la técnica básica para hallar la distancia que nos separa de los astros. Aún así, esta técnica solo sirve para medir la distancia a estrellas relativamente cercanas, porque en el caso de otras mucho más lejanas el triángulo que necesitamos para hacer las mediciones se alarga tanto que a todos los efectos se convierte en una línea, haciendo toda triangulación inútil. La solución está en un sistema que un astrónomo algo anterior a Bessel había concebido. Whilhem Herschel era originariamente un músico nacido en Hannover, Alemania. Pero a principios del siglo XVIII se mudó a Inglaterra para trabajar al servicio del Jorge I, un rey británico también nacido en Hannover. Herschel dejo la música para convertirse en el mejor astrónomo de su tiempo, creando nuevos telescopios de gran precisión. Con uno de ellos hizo el descubrimiento que le lanzo a la fama, un nuevo planeta que el bautizo como Gerogium Sidus (la estrella de Jorge), y que finalmente acabó llamándose Urano.

Pero Herschel también hizo su aportación en lo que se refiere a como medir nuestro universo. El mismo bautizo este método el Siriometro, en honor a Sirio, la estrella más brillante. La idea consiste en medir la distancia a las estrellas dependiendo de su luminosidad en comparación a Sirio. Herschel asume que todas las estrellas tienen el mismo brillo (consciente de que esto no es así, pero buscando una forma de simplificar el proceso) y que el brillo aparente depende de la distancia. Por lo tanto, su distancia se puede expresar en relación a Sirio. La luminosidad de un objeto desciende de forma inversa al cuadrado de una distancia. Por lo tanto un objeto que por ejemplo, tuviera una luminosidad aparente de 1/32  de la luminosidad de Sirio, estaría 3 veces más lejana que esta. 

Herchel había calculado correctamente usando su Siriometro que la Vía Láctea es un disco unas 10 veces más ancho que grueso. Pero a pesar de tener una forma de medir distancias relativas, a Herschel le faltaba una medición precisa para poder calibrar su sistema y pasar de las mediciones relativas a las absolutas. Desafortunadamente murió en 1822, dieciséis años antes de que Bessel descubriera la distancia a 61 Cygni. Con esta nueva información y con el Siriometro de Herschel, los astrónomos del momento pudieron calcular que el diámetro de la Vía Láctea sería de unos 10 000 años luz y su grosor de 1 000, lo que parecía inconmensurablemente enorme. Que hubieran pensado de saber que se habían equivocado y que el radio real de la galaxia es de uno 100 000  años luz.

Está claro que los humanos somos inconformistas por naturaleza. Así que una vez medida nuestra galaxia (si bien con errores) el foco pasa a saber si hay algo más allá. El primer candidato para ese “algo” más allá fueron las nebulosas. Los antiguos griegos ya habían caído en la cuenta de estos objetos celestes, borrones de luz claramente distintos a las típicas estrellas, mucho más nítidas. En el siglo XVIII ya se entendía que estas nébulas aparecían como difuminadas porque eran colecciones de una gran número de estrellas que al estar extremadamente lejos, aparecían como borrosas masas de luz. Pronto se generó una polémica. Algunos intelectuales como el propio William Herschel entendían que aunque lejanas, estas nébulas eran parte de nuestra galaxia. El principal defensor de la opción opuesta era el archiconocido filósofo Emanuel Kant, que creía que estas nébulas eran “universos isla”, o como más tarde se conocerían, galaxias distintas a la Vía Láctea. 

La controversia se alargó durante un siglo, hasta que la verdad fue dilucidada usando el tercer método para medir distancias astronómicas que vamos a presentar: las cefeidas. Las cefeidas son un tipo de estrella de luminosidad variable, una estrella cuyo brillo aumenta y disminuye entre un punto máximo y un mínimo de forma regular. Hoy sabemos que las cefeidas son estrellas que no tienen suficiente combustible para mantener una reacción de fusión nuclear constante. Esto hace que la gravedad acabé por hacerlas colapsar lentamente, disminuyendo su luminosidad, hasta que la presión hace que el motor de fusión nuclear arranque de nuevo produciendo una gran explosión y una mucha mayor luminosidad. Después este proceso se repite una y otra vez de forma periódica. A principio del siglo XX, no se sabía que hacía a las cefeidas comportarse como lo hacían, pero una joven Henrrietta Leavitt aún así se apercibió de algo muy interesante en relación con estas estrellas. Leavitt pertenecía a la primera generación de mujeres que pudieron trabajar en el observatorio de la universidad de Harvard, procesando información extraída de la que en aquel momento era la nueva tecnología punta en el mundo de la astronomía: La fotografía. Mientras analizaba placas fotográficas, Leavitt se empezó a preguntar si existiría alguna relación entre el periodo de variación de las cefeidas y su brillo. El obstáculo era que en aquel momento resultaba difícil discernir si una estrella era más brillante que otra, o si simplemente una estrella estaba más cerca o lejos. 

Pero finalmente Leavitt encontró una solución a su problema. La Pequeña nube de Magallanes era una nebulosa solo visible desde el hemisferio sur que resultó ser la clave para Leavitt. Esta asumió que las estrellas fotografiadas en esta nube estarían muy cercanas las unas a las otras en comparación con sus separación con la Tierra, por lo tanto era posible tratarlas como todas estuvieran a la misma distancia, lo que conllevaría que sus variaciones en brillo sería reales y no debidas a su cercanía o lejanía. Trabajando meticulosamente Leavitt consiguió establecer una relación directa entre el periodo de variación de las cefeidas y su luminosidad real: los periodos más largos se corresponden con estrellas más brillantes y viceversa. Desde a partir de ese momento, las cefeidas se convirtieron en los carteles de número de kilómetro del universo. Las cefeidas nos ayudaban a saber la distancia absoluta que nos separa de ellas.
El astrónomo que hizo el mejor uso del descubrimiento de Leavitt fue el titán de la ciencia Edward Hubble. A lo largo de su vida Hubble puso fin más de un acalorado debate astronómico. El primero fue este que ya hemos introducido entre Herschel y Kant, relativo a si las nébulas eran galaxias en si mismas o parte de la Vía Láctea. Hubble fue el primero en analizar una fotografía de una cefeida en la nebulosa de Andrómeda. Usando los descubrimientos de Leavitt, Hubble estimó la distancia de esta cefeida y por lo tanto de Andrómeda a unos 900 000 años luz. Si consideramos que en aquel momento ya se sabía que el diámetro de la Vía Láctea era de unos 100 000 años luz, quedaban pocas dudas de que Andrómeda era una galaxia en sí misma. 

Este fue solo el principio de Hubble en su carrera al estrellato que le hizo merecedor de dar su nombre, años después de su muerte, al telescopio más famoso del mundo. En lo que se refiere a la medición de distancias astronómicas las tres que hemos expuesto, paralaje, comparación de luminosidad y cefeidas, son solo las más básicas. Para saber la distancia a las galaxias más lejanas es necesario usar otras herramientas de medición tanto de distancias relativas como absolutas. Por lo general se usan candelas estándar. Estas son estrellas, como las supernovas tipo I, que son fácilmente identificables dentro de su clase y que tienen alguna propiedad que hace posible establecer su luminosidad de forma absoluta, como en el caso de las cefeidas (otra candela estándar). Otros métodos incluyen utilizar el corrimiento al rojo para averiguar la velocidad a la que se mueve una galaxia (siempre en receso) o incluso se pueden usar los diámetros de las galaxias para ayudar a estimar su distancia. 


Este artículo está inspirado y documentado en el libro:

“Big Ban: The most important scientific discovery of all time and why you need to know about it”, de Simon Singh


Imagen:
https://wigglez.swin.edu.au/site/image1.html

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