¿Cómo mapean los astrónomos el universo?

El movimiento de los cuerpos celestes se ha estudiado e interpretado durante decenas de miles de años. Comprender cómo se mueven la Luna y el Sol ayudó a nuestros antepasados ​​a prosperar a lo largo de las estaciones cambiantes. Extender eso a los planetas nos dio una idea de nuestro lugar en el universo. Y la llegada de la astronomía de precisión hace varios siglos puso de manifiesto que somos un pez diminuto en un estanque muy grande. Pero ¿cómo calculan los astrónomos dónde están las cosas con respecto a nosotros?

Existen diferentes métodos dependiendo de cuándo y qué intentamos mapear. Y estamos tratando de mapear muchas cosas en el universo. Algunos para mantener nuestro planeta seguro, otros para comprender nuestra galaxia y su formación, y otros para responder a las preguntas más profundas de la cosmología.

Conoce a tu enemigo

La mecánica celeste es complicada. No existe una solución exacta para el movimiento de tres cuerpos en un campo gravitatorio (el infame problema de los tres cuerpos). Así que imaginemos lo que ocurre cuando hay miles de ellos, como en el Sistema Solar. La forma de hacerlo es midiendo sus posiciones una y otra vez.

Para los planetas y las lunas, no tenemos que hacer esto constantemente; sabemos lo suficiente sobre ellos como para saber dónde estarán durante bastante tiempo. Pero cuando se trata de cuerpos más pequeños como los asteroides, es importante comprender sus órbitas precisas. Esto es doblemente importante para los objetos cercanos a la Tierra, aquellos asteroides y cometas que se acercan mucho a nuestro planeta, porque podrían chocarnos.

Estas rocas espaciales (relativamente) pequeñas tienden a ser muy oscuras. Esta combinación de tamaño y color no es ideal para encontrarlas, pero esto no ha disuadido a los astrónomos. Mediante el uso de telescopios de radio, infrarrojos y ópticos, en los últimos 25 años se ha descubierto el 90 por ciento de los asteroides destructores de planetas (de más de un kilómetro de tamaño).

Pero no se trata sólo de encontrarlos. Repetir las observaciones es importante porque nos permite entender y refinar las órbitas de esos cuerpos, y determinar dónde han estado y dónde van a estar. Un avance reciente y emocionante en este campo es el uso de la tecnología de radar, que permite una mayor precisión de los parámetros orbitales.

Nuestro lugar entre las estrellas

El radar funcionaría como máximo hasta la órbita de Saturno, pero queremos saber nuestro lugar en la Vía Láctea. El primer enfoque es calcular la distancia de las estrellas utilizando el método de paralaje, lo que aporta algo de trigonometría a la astronomía. La trigonometría es el estudio de la función de los ángulos. Tienes el seno, el coseno y la tangente.

Esto resulta útil en astronomía cuando te das cuenta de que puedes crear pequeños y bonitos triángulos calculando cómo una estrella cambia su posición aparente en el cielo a medida que nuestro planeta se mueve alrededor del Sol. Los ángulos en cuestión son muy pequeños, pero con mediciones lo suficientemente precisas, podemos medir la distancia de muchas estrellas.

Y ningún instrumento es más preciso para este trabajo que la nave espacial Gaia. Esta misión de la Agencia Espacial Europea ha creado el mapa más preciso de la Vía Láctea, calculando la posición y el movimiento de más de mil millones de estrellas, pero también de exoplanetas, cometas y asteroides del Sistema Solar, e incluso algunos agujeros negros.

La forma del universo

Pero ¿qué ocurre con el cosmos en general? Durante mucho tiempo, sólo conocíamos nuestra propia galaxia. No teníamos forma de medir cosas más lejanas (el método de paralaje es tan bueno como nuestra precisión). Fue gracias a la astrónoma Henrietta Swan Leavitt que de repente el universo se abrió ante nosotros. Su trabajo muestra que ciertas estrellas llamadas variables cefeidas tienen una relación específica entre su período de variabilidad y su luminosidad intrínseca.

Si se sabe lo luminoso que es un objeto y se mide el brillo aparente después de que la luz haya recorrido una distancia tan larga, se puede calcular esa distancia. Este es el principio de las velas estándar. Al medir el período de las variables cefeidas, finalmente había una manera de medir distancias extragalácticas.

Los astrónomos no sabían que había algo ahí fuera hasta que Edwin Hubble encontró variables cefeidas en varias “nebulosas”, incluida Andrómeda, y se dio cuenta de que no podían estar en la Vía Láctea. Esas estrellas estaban en otras galaxias.

Pero el Hubble hizo otro descubrimiento importante mientras estudiaba estas galaxias recién descubiertas, hace aproximadamente un siglo. Casi todos se están alejando de nosotros. Fue la primera evidencia de que el universo se está expandiendo.

Sabemos que se están alejando porque podemos medir su corrimiento al rojo. Este fenómeno es similar al cambio Doppler, algo que experimentamos a menudo en las carreteras. Si se acerca una ambulancia con la sirena encendida su tono será más alto y una vez que pase y se aleje de nosotros su tono será más bajo. La sirena no cambia, pero las ondas sonoras se comprimen cuando se acerca a nosotros y se estiran cuando se aleja.

Si te mueves lo suficientemente rápido, ocurre lo mismo con la luz. Las cosas que se acercan a nosotros se vuelven más azules (sus ondas de luz se comprimen) y las que se alejan de nosotros se vuelven más rojas. Sin embargo, el corrimiento al rojo no es un verdadero corrimiento Doppler, porque no es el movimiento de las galaxias lo que lo causa, sino la expansión del universo.

Tanto el uso de velas estándar como el corrimiento al rojo nos ayudan a construir una imagen tridimensional del universo, y es ahí donde esperamos encontrar respuestas a las preguntas más importantes de la cosmología: ¿qué son la materia oscura y la energía oscura? Estos dos componentes constituyen el 95 por ciento de todo el contenido de materia y energía del universo. El resto es la materia normal que nos forma.

Las galaxias no están distribuidas aleatoriamente en el espacio, sino que están organizadas en una estructura llamada red cósmica, que está formada por todas las formas de materia y energía. Comprender cómo es con precisión (como en los próximos estudios, como el que planea el Observatorio Vera Rubin) proporcionará información importante sobre el misterio y, con suerte, soluciones.

Desde la antigüedad, hemos utilizado los cielos para orientarnos en nuestro planeta y trazar mapas de nuestro camino de un lugar a otro. Es natural, entonces, que nuestra obsesión por hacer mapas se haya extendido desde nuestro pálido punto azul hasta las galaxias más lejanas que hayamos visto jamás.