Capítulo 4: Las galaxias se están separando

Noche 31: Atrapar una nave de carga

El trigésimo primer día de su estancia, Noor atrapó una nave espacial con un brazo robótico. La nave de carga se había lanzado dos días antes y había pasado ese tiempo acortando poco a poco la distancia hasta la estación, encendiendo una y otra vez sus pequeños motores bajo la atenta vigilancia de los equipos de tierra. Por la tarde ya estaba lo bastante cerca para verla por las ventanas: un cilindro blanco con anchos paneles solares, que se movía casi exactamente a la misma velocidad que la estación, de modo que parecía colgar inmóvil en el cielo negro sobre la Tierra brillante.

Noor se sentó en el puesto de robótica, un pequeño escritorio con pantallas y dos mandos, uno para cada mano. Tomás se sentó a su lado y leyó en voz alta la lista de comprobación. La nave de carga se detuvo a unos diez metros y esperó. En tierra, los equipos confirmaron que todo estaba listo. Entonces Noor movió el largo brazo hacia delante, muy despacio. Una mano controlaba la dirección; la otra, el giro del extremo del brazo. En la pantalla veía la imagen de una cámara situada en la punta del brazo, con una pequeña pieza de enganche de la nave de carga que se hacía cada vez más grande.

El trabajo exigía manos tranquilas y una respiración pausada. Tanto la estación como la nave de carga viajaban a unos 28 000 kilómetros por hora alrededor de la Tierra, pero una respecto de la otra estaban casi quietas, como dos coches que avanzan uno al lado del otro por una autopista. Cuando la pieza de enganche quedó en el centro de la pantalla, Noor apretó el gatillo. El extremo del brazo se cerró alrededor de la pieza con un agarre suave y firme. «Captura», dijo. En tierra, alguien empezó a aplaudir.

El resto del día se dedicó a conectar la nave de carga a la estación y a comprobar que la escotilla podía abrirse sin peligro. Cuando por fin se abrió, lo primero que notó Noor fue el olor. Olía a plástico nuevo, a embalaje y, levemente, a manzanas. En algún lugar entre las bolsas de equipo, piezas de repuesto, ropa y comida, los equipos de tierra habían metido una pequeña caja de fruta fresca. Esa noche, la tripulación compartió manzanas junto a la ventana grande, sujetándolas con cuidado para que no se escapara ninguna gota de zumo.

Antes, al mirar la nave de carga por la ventana, Noor había pensado en lo difícil que es saber si un objeto lejano se acerca a ti o se aleja. De cerca, la cámara del brazo robótico lo ponía fácil. Pero ¿cómo podría alguien saber cómo se mueve una galaxia, cuando está a millones de años luz y parece una mancha inmóvil en una fotografía? Esa era la historia de esta noche, y empezaba con un arcoíris.

La luz tiene huellas dactilares

Cuando la luz del Sol atraviesa un prisma de vidrio, o las gotas de lluvia, se abre en una franja de colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta. Esa franja se llama espectro. Cada color es luz de una longitud de onda ligeramente distinta, es decir, que sus ondas están separadas por una distancia ligeramente diferente. La luz roja tiene ondas más largas. La luz azul y la violeta tienen ondas más cortas. El espectro es simplemente la luz ordenada según la longitud de sus ondas, como un montón de cartas ordenadas por tamaño.

En el siglo XIX, los científicos descubrieron que, si extendían la luz con cuidado usando un buen instrumento, el espectro no era uniforme. Lo atravesaban finas líneas oscuras, como los huecos de un código de barras. Pronto aprendieron qué significaban esas líneas. Cada tipo de átomo, como el hidrógeno, el sodio o el hierro, absorbe y emite luz solo en ciertas longitudes de onda exactas. Cuando la luz atraviesa un gas, los átomos de ese gas retiran sus propias longitudes de onda y dejan líneas oscuras justo en esos lugares.

Puede que hayas visto un ejemplo sencillo de estas huellas sin saberlo. Algunas farolas antiguas brillan con una luz de un amarillo anaranjado intenso. Están llenas de un gas que contiene sodio, y los átomos de sodio, cuando se les hace brillar, emiten luz sobre todo en una longitud de onda amarilla concreta. Si miraras la luz de una de esas farolas a través de un buen prisma, casi no verías arcoíris, solo una línea amarilla brillante. Cada tipo de átomo tiene su propio conjunto de líneas como este, tan personal como una firma. Un gas caliente las muestra como líneas brillantes, y un gas más frío situado delante de una fuente brillante las muestra como líneas oscuras en los mismos lugares.

Fue un descubrimiento maravilloso, porque significaba que la luz lleva huellas dactilares. Mirando el patrón de líneas en la luz de una estrella, los astrónomos podían saber qué tipos de átomos contenía, sin ir nunca hasta allí. El patrón del hidrógeno es siempre el mismo, venga la luz de una lámpara de laboratorio o de una estrella al otro lado de la galaxia. Los astrónomos aprendieron a reconocer estos patrones con la misma facilidad con que tú reconoces la letra de un amigo.

Pero los astrónomos pronto notaron algo más. En la luz de algunas estrellas y nebulosas estaban todos los patrones de líneas conocidos, pero no exactamente en su sitio. Todo el patrón estaba un poco desplazado, hacia el extremo rojo del espectro o hacia el extremo azul. La huella era la misma, pero se había deslizado a lo largo de la franja de colores. Ese pequeño desplazamiento resultó llevar un mensaje enorme.

Una sirena que pasa

Has oído algo parecido a este desplazamiento muchas veces, con sonido en lugar de luz. Piensa en una ambulancia que pasa a tu lado por la calle con la sirena encendida. Mientras se acerca, la sirena suena más aguda. Cuando pasa y se aleja, el sonido baja de repente y se vuelve más grave. La sirena en sí no ha cambiado. El conductor no ha tocado ningún interruptor. Lo que cambia es la separación de las ondas de sonido cuando llegan a tus oídos.

Cuando la ambulancia se mueve hacia ti, cada nueva onda de sonido sale un poco más cerca de ti que la anterior, así que las ondas llegan apretadas. Las ondas apretadas suenan más agudas. Cuando la ambulancia se aleja, cada nueva onda sale un poco más lejos, así que las ondas llegan estiradas. Las ondas estiradas suenan más graves. Cuanto más rápido va la ambulancia, mayor es el cambio. Un oído entrenado, o un buen instrumento, podría incluso saber a qué velocidad iba solo por el cambio de tono.

La luz se comporta de forma parecida. Cuando una fuente de luz se mueve hacia nosotros, sus ondas llegan un poco apretadas, así que su luz se desplaza ligeramente hacia el extremo azul del espectro. Cuando una fuente se aleja de nosotros, sus ondas llegan estiradas, así que su luz se desplaza hacia el extremo rojo. El desplazamiento hacia el rojo se llama corrimiento al rojo. Cuanto mayor es el corrimiento al rojo, más deprisa se aleja la fuente. Las líneas oscuras del espectro permiten medirlo con precisión, porque los astrónomos saben exactamente dónde debería estar cada línea cuando la fuente no se mueve.

En el caso de las galaxias, como veremos enseguida, el estiramiento de la luz se debe sobre todo al estiramiento del propio espacio, y no solo a galaxias que corren por el espacio como ambulancias. Pero la sirena es una buena manera de empezar. Lo importante es sencillo: mirando cuánto se ha deslizado la huella, los astrónomos pueden saber si una galaxia lejana se acerca o se aleja de nosotros, y más o menos a qué velocidad.

Estos desplazamientos suelen ser diminutos. Para las estrellas de nuestra propia galaxia, que se mueven a velocidades de decenas de kilómetros por segundo respecto del Sol, las líneas se desplazan solo una distancia muy pequeña a lo largo del espectro, y medirlas exige buenos instrumentos y mucho cuidado. Los astrónomos usan el mismo método para encontrar planetas alrededor de otras estrellas, midiendo el pequeño vaivén que la atracción de un planeta produce en su estrella. En las galaxias lejanas, como Slipher estaba a punto de descubrir, los desplazamientos pueden ser mucho mayores.

Las personas que se dieron cuenta

La primera persona que midió los movimientos de las nebulosas espirales fue Vesto Slipher, que empezó este trabajo en 1912 en un observatorio con un buen telescopio y una actitud muy paciente. La luz de una nebulosa espiral es débil, y extenderla en un espectro la hace aún más débil. A veces Slipher tenía que mantener expuesta una sola placa fotográfica durante varias noches, sumando la luz débil poco a poco, para obtener un único espectro útil.

Su primera medición, de la nebulosa de Andrómeda, mostró un corrimiento al azul: Andrómeda se acerca a nosotros. Pero a medida que midió más y más nebulosas espirales durante la década de 1910, descubrió que la mayoría mostraban corrimientos al rojo, y que algunas se alejaban a cientos de kilómetros por segundo. Era muy extraño. Si las nebulosas espirales eran pequeñas nubes dentro de nuestra galaxia, ¿por qué la mayoría se alejaban a toda prisa? En aquel momento nadie sabía aún que eran galaxias separadas, y nadie tenía una buena explicación.

Mientras tanto, la teoría necesaria para explicarlas ya estaba esperando. En 1915, Albert Einstein había publicado su teoría general de la relatividad, una nueva descripción de la gravedad en la que el espacio y el tiempo pueden curvarse y estirarse. En 1917 la aplicó al universo en su conjunto. Como casi todo el mundo en aquella época, creía que el universo estaba quieto, que ni crecía ni se encogía. Sus ecuaciones no daban de forma natural un universo quieto, así que les añadió un término adicional para mantenerlo inmóvil.

Otros miraron las mismas ecuaciones y vieron algo distinto. En 1922, un matemático y físico llamado Alexander Friedmann demostró que las ecuaciones permitían un universo que crece o se encoge con el tiempo. En 1927, un sacerdote que enseñaba física, Georges Lemaître, llegó por su cuenta al mismo tipo de solución. Fue más allá: la relacionó con los corrimientos al rojo medidos en las galaxias y propuso que el universo se está expandiendo. Su artículo apareció en una revista que pocos astrónomos leían, y al principio recibió poca atención.

Después, en 1929, Edwin Hubble, que ya había demostrado que las nebulosas espirales eran galaxias, comparó sus distancias con sus corrimientos al rojo. Encontró un patrón claro. Cuanto más lejos está una galaxia, más deprisa se aleja de nosotros. Una galaxia que está el doble de lejos se aleja más o menos el doble de rápido. Hoy, los astrónomos llaman a menudo a esta regla ley de Hubble-Lemaître, para reconocer a los dos hombres. Cuando la expansión del universo fue aceptada, Einstein abandonó el término adicional que había añadido para mantener el universo quieto.

Las cifras de Hubble no eran perfectas. Como las distancias que usó eran demasiado pequeñas, su valor para la velocidad de la expansión era varias veces demasiado grande, y hicieron falta décadas de trabajo de muchos astrónomos para corregirlo. Pero el patrón en sí, más distancia y más velocidad a la vez, se ha confirmado una y otra vez con mejores instrumentos. Esto es habitual en la ciencia. La primera medición muestra que algo está ahí, y las mediciones posteriores, a menudo de otras personas, muestran exactamente cuánto. Una noche más adelante veremos que el término adicional de Einstein volvió muchos años después, con un papel nuevo y sorprendente.

El pan que sube en el horno

¿Qué significa que las galaxias más lejanas se alejen más deprisa? La imagen más sencilla es una que los panaderos conocen bien. Imagina una bola de masa de pan con pasas mezcladas por todas partes. Cuando la masa sube en un lugar cálido, cada parte de ella se hincha. Cada pasa se aleja de todas las demás. Ninguna pasa empuja a las otras. Simplemente, la masa que hay entre ellas las va separando a medida que crece.

Ahora elige cualquier pasa e imagina que estás de pie sobre ella. Cuando la masa sube, las pasas cercanas se alejan despacio, porque entre tú y ellas hay solo un poco de masa. Las pasas lejanas se alejan mucho más deprisa, porque entre tú y ellas hay mucha masa, y toda se está hinchando a la vez. Ese es exactamente el patrón que encontró Hubble. Y no importa qué pasa elijas. Desde cualquier pasa, todas las demás parecen alejarse, y las más lejanas, más deprisa.

En el universo, la masa es el propio espacio. Las galaxias, o mejor dicho los grupos de galaxias, son las pasas. No salen volando por el espacio desde un punto central. Lo que ocurre es que el espacio que hay entre ellas se estira, y por eso las distancias entre ellas crecen. Y cuando la luz viaja por un espacio que se estira, sus ondas también se estiran. Esa es la razón principal por la que la luz de las galaxias lejanas llega con corrimiento al rojo. Cuanto más tiempo ha viajado la luz por el espacio que se estira, más se han estirado sus ondas hacia el rojo.

Toda imagen tiene sus límites, y la del pan también. Una bola de masa tiene un borde y un centro, y está dentro de un horno más grande. Por lo que sabemos, el universo no tiene borde ni centro, y no se está expandiendo hacia nada que esté fuera de él. Así que la imagen de las pasas sirve mejor para una sola idea: todo se separa de todo, y lo que está más lejos se separa más deprisa. Para esa idea funciona de maravilla.

Hay una cosa más que el pan puede mostrar. Si pudieras observar la masa que sube desde una pasa, podrías medir a qué velocidad se alejan tus vecinas y a qué distancia están. Con esas dos cifras podrías calcular hace cuánto tiempo estaban todas las pasas apretadas en una bola pequeña y compacta, antes de que la masa empezara a subir. Los astrónomos hicieron exactamente eso con las galaxias. La velocidad de la expansión y las distancias de las galaxias, juntas, dan una edad aproximada del universo. El valor moderno y cuidadoso, que usa también muchas otras pistas, es de unos 13 800 millones de años.

Este descubrimiento cambió por completo la pregunta del comienzo. Si las galaxias se separan ahora, ayer estaban un poco más juntas, el año pasado aún más y hace mucho tiempo mucho más juntas. Un universo que crece es un universo con una historia. Por primera vez, la pregunta «¿Cómo empezó todo?» no era solo una pregunta para los relatos y la filosofía. Se había convertido en una pregunta que podía estudiarse con telescopios y mediciones.

Un mensaje para Sami

Después de las manzanas, Noor escribió a su hermano: «Hoy he atrapado una nave de carga con un brazo robótico. La historia de esta noche: la luz de las galaxias lejanas llega estirada hacia el rojo, como una sirena que baja de tono cuando la ambulancia se aleja. Cuanto más lejos está la galaxia, más estirada llega la luz. El propio espacio se estira, como un pan con pasas que sube. Por cierto, en la carga había fruta fresca. Me acordé de ti».

La respuesta de Sami llegó después de su turno. «Oigo sirenas todas las noches», escribió. «Nunca volveré a oírlas igual». Añadió que una de las personas a las que llevaba pedidos, una panadera mayor que empezaba a trabajar a las cuatro de la madrugada, se había reído cuando le contó lo del pan con pasas. Le había dicho que llevaba cuarenta años haciendo modelos del universo sin saberlo.

Noor se rio al leerlo y se lo leyó en voz alta a Tomás y a Ade durante el desayuno. Tomás dijo que las mejores explicaciones siempre parecían venir de gente que trabaja con las manos. Ade dijo que quería la opinión de la panadera sobre la historia de la noche siguiente, que trataba de pasar hacia atrás toda la película del universo.

Quizá esta noche, si oyes pasar un coche o un tren, puedas fijarte en cómo cambia su sonido cuando pasa de acercarse a alejarse. Es una pequeña cosa de todos los días. Pero la misma idea, aplicada con gran cuidado a la luz de las galaxias lejanas, mostró que vivimos en un universo que crece y que en otro tiempo tuvo que ser muy distinto.

Malentendidos frecuentes

Mucha gente cree que, si todas las galaxias se alejan de nosotros, debemos de estar en el centro del universo. Desde luego, desde aquí lo parece. Pero recuerda las pasas. Desde cada pasa de la masa que sube, todas las demás parecen alejarse. Una astrónoma que viviera en una galaxia a miles de millones de años luz de nosotros vería exactamente lo mismo: todas las galaxias lejanas alejándose de ella, y las más lejanas, más deprisa. No hay ningún centro especial. Cada lugar se ve a sí mismo como el centro, y ninguno lo es.

Otra creencia frecuente es que las galaxias salen volando por el espacio desde un punto, como los pedazos de una explosión. Es una imagen muy natural, pero no es la mejor descripción. Las galaxias sí se mueven un poco por el espacio, atraídas por sus vecinas. Pero la razón principal por la que crecen las distancias es que el propio espacio se estira entre ellas. Por eso tampoco hay ningún punto del espacio donde empezara la expansión. El estiramiento ocurre en todas partes a la vez, y así ha sido desde el principio.

Algunas personas se preguntan si todo se está expandiendo, incluidas la Tierra, la estación y su propio cuerpo. Si el espacio se estira, ¿nos estiramos también nosotros? La respuesta es no. El estiramiento solo cuenta en las enormes distancias vacías entre grupos de galaxias. Dentro de un átomo, una persona, un planeta, un sistema solar o una galaxia, las fuerzas que mantienen unidas las cosas son mucho más fuertes que el suave estiramiento del espacio, así que esas cosas conservan su tamaño. Tu cuerpo, la mesa de tu cocina y el brazo robótico de Noor no están creciendo. Y no todas las galaxias se alejan de nosotros. Nuestra vecina cercana, Andrómeda, se mueve hacia nosotros, atraída por la gravedad, tal como Slipher descubrió en su primera medición. La expansión es un patrón del universo a la mayor escala, no una regla para cada objeto que contiene. En la próxima noche seguiremos ese patrón hacia atrás en el tiempo y veremos adónde nos lleva.