Galaxias, distancias y la expansión del Universo

Cuando miramos al cielo en una noche oscura, lejos de las luces de la ciudad, podemos ver tantas estrellas que nos podemos llegar a sentir abrumados por la cantidad. Cuando miramos a determinadas zonas del cielo, podemos llegar a ver una banda casi continua de polvo, parecida al rastro que dejaría alguien que fuera derramando una botella de leche. Ese rastro de leche es nuestra Galaxia, la Vía Láctea. Sin embargo, la Vía Láctea no abarca todo lo que existe, el Universo se extiende más allá de nuestro hogar galáctico.

La Vía Láctea es una de entre las cientos de miles de millones de galaxias que nos acompañan, cada una de las cuales es un enorme conjunto de sistemas estelares por derecho propio.

Desde la Tierra, a simple vista y dependiendo de la región del cielo que estemos observando, podemos ver fácilmente tres galaxias. Es el Grupo Local, que incluye la Vía Láctea, la Gran Nube de Magallanes y la Pequeña Nube de Magallanes. El tercer miembro del trío es la galaxia de Andrómeda en la constelación homónima.

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Las nubes de Magallanes y la Vía Láctea

En el siglo XVIII, el francés Charles Messier, que era un cazador de cometas, escrutaba el cielo con su telescopio (de menos de 20 cm de diámetro) hasta que observaba una mancha borrosa. Cuando encontraba alguna, anotaba su posición en un mapa estelar de la época. A la noche siguiente volvía a apuntar el telescopio al mismo sitio para ver si la mancha seguía allí. Si se había movido era un cometa, si no, era otra cosa. En esa época,  estas manchas eran conocidas como nebulosas, palabra que deriva del latín y que significa “niebla” o “nube”. En 1774, Messier había catalogado 45 junto con sus coordenadas celestes y en 1784 su catálogo ya incluía 103 objetos.

Un músico de origen alemán, William Herschel, que dedicó la segunda mitad de su vida a construir grandes telescopios, junto con su hermana Caroline, apuntó sus instrumentos hacia los objetos que había descubierto Messier y dada la “potencia” de su telescopio (4 veces mayor que el de Messier) llegó a descubrir en siete años hasta 2000 objetos.

Con este catálogo, Herschel intentó construir un mapa celeste que incluyera todos estos objetos. Del estudio de las nebulosas, Herschel propuso que si la Vía Láctea se observara desde una distancia suficientemente grande, ésta parecería una nebulosa en si misma.

Al ser la potencia del telescopio de Herschel mayor que la del de Messier, éste pudo resolver las manchas borrosas en cúmulos de estrellas, algunos de los cuales pasaron a denominarse cúmulos globulares. En la década de 1840, William Parsons empezó a construir un telescopio de 16 m de largo con un espejo de 2 m de diámetro que superaba en tamaño al mayor de Herschel.

Parsons dirigió su telescopio hacia uno de los objetos del catálogo de Messier, en concreto M51, y su sorpresa fue inmensa cuando vio una estructura espiral, que más tarde recibiría el nombre de galaxia del Remolino debido a esta característica. No pudo distinguir estrellas individuales en su interior, pero descubrió otras nebulosas con la misma forma espiral.

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M51. Galaxia del Remolino

Llegados a este punto surgió la pregunta: ¿pertenecían estas nebulosas a la Vía Láctea? Para responderla sería necesario saber el tamaño de la Vía Láctea y la distancia a las nebulosas.

Poco antes de este descubrimiento, los astrónomos ya conocían el método de la paralaje para medir distancias a estrellas cercanas, pero debido a las distancias enormes a las que se encontraban las nebulosas este método no era de gran utilidad. Tras el desarrollo inicial de las técnicas en espectroscopia, el astrónomo inglés William Huggins apuntó en 1867 su telescopio equipado con un espectroscopio a la estrella más brillante a simple vista, Sirio y aplicando la teoría del efecto Doppler desarrollada por el austriaco Christian Doppler 20 años antes encontró un ligero desplazamiento al rojo en las líneas espectrales de la estrella. Calculó que se alejaba a unos 50 km/s en la línea de observación. Asimismo, calculó la velocidad de recesión o aproximación de un gran número de estrellas. Fue sólo el comienzo del uso de la técnica del efecto Doppler en las medidas astronómicas. Años más tarde se encontraría la manera de emplear este método para el cálculo de distancias.

A principios del siglo XX, el observatorio del Harvard College realizaba tediosas observaciones estelares a partir de placas fotográficas y espectroscópicas. El trabajo era realizado por mujeres, las cuales, eran consideradas en aquella época, en un alarde de machismo, más idóneas para el trabajo pesado y repetitivo de medir y realizar  los cálculos, además de cobrar menos que los hombres. Muchas de estas mujeres realizaron contribuciones importantes, pero entre todas ellas destacó Henrietta Swan Leavitt.

Leavitt

Henrietta Swan Leavitt

En una serie de placas fotográficas de la Pequeña Nube de Magallanes, Leavitt observó multitud de estrellas que variaban su brillo periódicamente debido a que “pulsan”, es decir, se expanden y se contraen regularmente. Estas estrellas son conocidas como variables cefeidas, ya que la primera que se descubrió lleva el nombre de Delta Cefeo en la constelación del mismo nombre.

Leavitt compiló más de mil variables en la Pequeña Nube de Magallanes y al menos 16 aparecían en varias placas fotográficas, lo cual le permitió calcular sus periodos. Descubrió que las estrellas eran más brillantes cuanto más largos eran sus periodos y determinó que el periodo y el brillo máximo estaban relacionados y que se podía establecer gráficamente la relación entre periodo y luminosidad, es decir, Leavitt había relacionado la magnitud aparente de las estrellas variables con una medida que no dependía de la distancia a la estrella: el cambio de brillo. Leavitt había descubierto una conexión entre el periodo y su magnitud absoluta, es decir, su magnitud real.

Al estar estas estrellas en la misma región de la Pequeña Nube de Magallanes se podía asumir que estaban todas a casi la misma distancia de la Tierra.

La diferencia entre magnitud absoluta de las cefeidas de la Pequeña Nube de Magallanes y su magnitud aparente se podría usar entonces para calcular la distancia a la estrella usando la ley del cuadrado inverso: Una estrella, como cualquier fuente de luz, mostrará sólo una cuarta parte de su brillo si se dobla su distancia al observador, una dieciseisava parte si se cuadruplica, etc.

Como la relación que descubrió Leavitt se aplica a las cefeidas en general, el hecho de poder determinar la magnitud absoluta de una permitiría deducir la magnitud absoluta de las demás y se podría usar la escala periodo-luminosidad para hallar la magnitud absoluta de cualquier estrella variable del tipo cefeida, y con ella la distancia a la estrella.

El problema era crear un patrón de distancias a partir del comportamiento de las cefeidas ya que la cefeida más cercana era demasiado  lejana como para medir su distancia con el método de la paralaje.

Leavitt fue apartada de sus tareas ya que el jefe del observatorio creía que su trabajo era recoger datos y no hacer cálculos, pero Ejnar Hertzsprung, en el observatorio cerca de Berlín, recogió el testigo.

Hertzsprung estudió los movimientos propios, movimientos en el espacio de la estrella y nuestro Sol, de trece cefeidas cercanas al sol y usando técnicas estadísticas calculó la distancia “media” para las cefeidas locales, así como una magnitud aparente “media”. Con estos valores pudo calcular una magnitud absoluta “media” para una cefeida de periodo “medio”.

Quizá fueran muchas “medias”, pero lo que Hertzsprung hizo a continuación fue elegir una cerfeida de la Pequeña Nube de Magallanes con el mismo periodo que su estrella “media”. Comparó el brillo fotográfico de la cefeida de la Nube con la magnitud absoluta que debía tener y calculó su distancia: 3000 años-luz. Esta distancia ponía a la Pequeña Nube de Magallanes en el interior de la Vía Láctea. Se cree que fue un error tipográfico y que la distancia debía ser de 30000 años-luz. Aún así esta distancia era muy inferior a la real.

¿Por qué esta discrepancia? En realidad se trató de un error experimental. Las cefeidas de la Pequeña Nube de Magallanes habían sido fotografiadas con placas sensibles a la luz azul, mientras que para las cefeidas locales se usaron placas sensibles a la luz roja. Esto daba una diferencia en el brillo aparente que hacía que las cefeidas de la Pequeña Nube de Magallanes parecieran más brillantes y por lo tanto más próximas.

El astrónomo norteamericano Harlow Shapley supo comprender el significado  astronómico que tenían las variables cefeidas. Trabajando en el observatorio de Monte Wilson en los Ángeles, con el telescopio de 1,5 m, Shapley estudió los cúmulos globulares y descubrió que también había cefeidas en ellos. Usando la técnica de Hertzsprung, y refinándola, determinó la distancia a los cúmulos que resultó ser de entre 50000 y 220000 años-luz. Se creía que los cúmulos formaban parte de la Vía Láctea, pero también se creía que la Vía Láctea tenía sólo unos 30000 años-luz de diámetro, por lo que el tamaño debía ser mayor que el que se pensaba. Shapley calculó un diámetro de 300000 años luz estando el centro de la Vía Láctea en la dirección de la constelación de Sagitario.

Los astrónomos tomaron este resultado con cautela, en parte porque consideraban todavía como poco fiable el método de Hertzsprung.

Al mismo tiempo se estaban apuntando los telescopios hacia las nebulosas espirales y muchos astrónomos sugirieron que eran galaxias comparables a la Vía Láctea repletas de estrellas ya que cuando la luz era pasada a través de un espectroscopio se parecía a la de las estrellas, no a la de una nube de gas.

En 1912, Vesto Slipher, en el observatorio Lowell observó detalladamente la galaxia espiral que se encontraba en la constelación de Andrómeda y pudo medir su desplazamiento Doppler. El valor que encontró sorprendió a todo el mundo: se estaba acercando a 300 km/s. Más adelante, Slipher observó otras 15 galaxias espirales más y descubrió que 13 de ellas se estaban alejando de la Tierra, incluso con velocidades superiores a la que se estaba acercando Andrómeda.

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M31. Galaxia de Andrómeda

En 1919, después de haber recibido formación como abogado y tras realizar un doctorado en astronomía y volver de la guerra, Edwin Hubble empezó a tratar de clasificar las nebulosas. Utilizando el nuevo telescopio de 2,5 m de Monte Wilson, esperaba resolver estrellas en las galaxias espirales, en concreto en Andrómeda. Hubble centró su atención en unos puntos de luz conocidos como novas, estrellas que sufren erupciones recurrentes de materia que hace que cambien su luminosidad (no confundir con supernovas que es la explosión de las estrellas completas).

A través de la comparación de placas fotográficas que mostraban la misma zona del cielo, lo que inicialmente creyó que era una nova, se dio cuenta de que una estrella aumentaba y disminuía periódicamente su brillo ¡No se trataba de una nova, sino de una cefeida!

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Placa en la que Hubble anotó que se trataba de una variable cefeida y no de una nova

Usando las técnica de Hertzsrpung, mejorada por Shapley, calculó la distancia a Andrómeda y obtuvo un valor de 900000 años-luz, que era superior al tamaño de la Vía Láctea de Shapley. ¡Andrómeda era una galaxia por si misma!

Al encontrar cefeidas en galaxias espirales, Hubble hizo que el tamaño del Universo conocido aumentara considerablemente. Hubble usó las cefeidas para desarrollar indicadores de distancias para galaxias, al igual que hizo Shapley para los cúmulos globulares.

Mientras esto ocurría en Monte Wilson, en Lowell, Slipher seguía midiendo desplazamientos Doppler de galaxias espirales, incluidas aquellas a las que Hubble aplicó su técnica para calcular la distancia.

Milton Humason entró a formar parte de la plantilla de Monte Wilson para trabajar como ayudante a través de su suegro y cuando una noche el operador del telescopio enfermó, paso a ocupar su puesto, y lo hizo con tal destreza que desde entonces ocupó el puesto del operador y de asistente de Hubble de manera permanente. Humason adquirió suficiente información sobre más desplazamientos Doppler al rojo de más galaxias. Hubble reunión todos esos datos para establecer una conexión entre los desplazamientos al rojo y las distancias. La conexión era sencilla: salvo las galaxias más cercanas, cuanto más lejos estaba una galaxia, más rápido se alejaba. El ritmo al que se alejaba es conocido actualmente por el nombre de constante de Hubble.

Aunque lo valores que Shapley o Hubble hallaron en su época eran muy burdos, actualmente se ha mejorado la precisión en la medida y ahora sabemos que la Vía Láctea tiene un diámetro de 100000 años-luz y que la galaxia de Andrómeda está a 2,5 millones de años-luz. Aunque los valores sean ligeramente distintos, lo importante es recordar que el esfuerzo por entender el universo hizo que se desarrollaran técnicas y métodos de observación que, aún hoy en día, están utilizando los astrónomos y astrofísicos modernos.

Como dijo Hubble:

“Con el incremento de las distancias nuestro conocimiento se desvanece, y se desvanece rápidamente, hasta que en el último e impreciso horizonte buscamos entre fantasmales errores de observaciones puntos de referencia que apenas son más sustanciales. La búsqueda continuará. El ansia es más antigua que la historia. Nunca resulta satisfecha, y nunca podrá ser reprimida”

Referencias:

Galaxias. Time Life Folio

Astrofísica. Manuel Rego, María José Fernández

Galaxies, distances and the expansion of the Universe

When we look at the sky during a dark night, far from the city lights, we can see so many stars that we can feel overwhelmed because of the amount of stars. When we look towards specific areas we can see an almost continuous belt of dust, similar to the trace that someone leaves when a spills a bottle of milk. This trace of milk is our Galaxy, the Milky Way. However, the Milky Way does not cover everything that exists, the Universe extends beyond our galactic home.

The Milky Way is one in the hundreds of thousands of millions of galaxies that share the Universe with us, each one being an enormous set of stellar systems on their own.

From the Earth, to the naked eye and depending on the region of the sky we are observing, we can easily see three galaxies. It is the Local Group, which includes the Milky Way the Large Magellanic Cloud, and the Small Magellanic Cloud. The third member of the trio is the Andromeda galaxy in the homonymous constellation.

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Magellanic Clouds and the Milky Way

In the 18th century, the French Charles Messier, who was a comet hunter, scrutinized the sky with his telescope (less than 20 cm of diameter) until he saw a blurry spot. When he found any, he took note of the position in a stellar map. The night after he aimed his telescope to the same point to see whether the spot was still there. If the spot had moved from there, it was a comet if not it was other thing. By that time, those spots were known as nebulae, latin word meaning ‘mist’ or ‘cloud’. In 1774, Messier had catalogued 45 nebulae together with their celestial coordinates and in 1784 the catalogue included 103 objects already.

A German born musician, William Herschel, who worked in the second half of his life in the construction of large telescopes together with his sister Caroline aimed his instruments towards the objects discovered by Messier, and given the ‘power’ of his telescope (4 times bigger than the one of Messier) discovered in seven years more than 2000 objects.

With this catalogue, Herschel tried to make a celestial map including all these objects. From the study of the nebulae, Herschel proposed that if the Milky Way was observed from a distance far enough it would look like a nebula itself.

Because of the power of Herschel telescope, he could resolve some of the blurry spots into globular clusters. In the decade of 1840, William Parsons started to build a telescope 16 m long with a mirror of 2 m of diameter, which was bigger than the one of Herschel.

Parsons aimed his telescope towards one of the objects of the Messier catalogue, concretely M51, and his surprise was immense when he saw a spiral structure, that later was named as the Whirpool galaxy because of this characteristic. He couldn’t find individual stars in it but discovered other nebulae with the same spiral structure.

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M51. The Whirpool galaxy

At this point, the question arose: did these nebulae belong to the Milky Way? To answer it, it was necessary to know the size of the Milky Way and the distance to the nebulae.

Shortly before this discover, astronomers knew already the parallax method to measure the distance to close stars, but due to the large distances of the nebulae, this method was useless. After the initial development of methods in spectroscopy the English astronomer William Huggins aimed, in 1867, his telescope equipped with a spectroscope to the brightest star in the night sky, and applying the Doppler effect theory, developed by the Austrian Christian Doppler 20 years before, he found a slight red shift in the spectrum of the star. He calculated that Sirius was moving away from us at a speed of 50 km/s in the line of sight. In the same way, he calculated the speed of a large number of stars. It was only the beginning of the use of the Doppler effect technique in astronomy. Some years later it was found a way to use this method to calculate the distance of stars.

In the early 20th century, the observatory of the Harvard College was making tedious stellar observations from photographic and spectroscopic plates. Women who were deemed by that time appropriate for the tedious and repetitive work, showing machismo behaviour, did the measures and calculations earning less money than men. Several of these women made important contributions but, among all, stressed Henrietta Swan Leavitt.

Leavitt

Henrietta Swan Leavitt

In a number of photographic plates of the Small Magellanic Cloud, Leavitt observed multitude of stars, which changed their brightness periodically because they ‘pulse’, i.e. they expand and shrink regularly. These stars are known as Cepheid variables because the firsts Cepheid discovered is in the homonymous constellation.

Leavitt compiled more than one thousand of Cepheid in the Small Magellanic Cloud and, at least, 16 of them appeared in several photographic plates what enabled her calculating their periods.

She found that the stars were brighter when their periods where longer and established that the period and the brightness were related and that it was possible to graphically show the relation between the period and the luminosity, i.e. Leavitt had found a relation between the apparent magnitude of a variable star with a measure that was independent of the distance to the star: the change in the brightness. Leavitt had discovered a connexion between the period and the absolute magnitude, i.e. its actual magnitude.

Being these stars in the same region of the Small Magellanic Cloud, it could be assumed that all were almost at the same distance from Earth.

The difference between the absolute magnitude in the Cepheid of the Small Magellanic Cloud and their apparent magnitude could be then used to calculate the distance to the star using the inverse squared law: A star, as any other light source, will only show a quarter of its brightness if the distance to the observer is doubled, a sixteenth if the distance is increased fourfold, etcetera.

Since the relation discovered by Leavitt is applied to the Cepheid in general, the fact that determining the absolute magnitude would enable estimate the absolute magnitude of the others and it could be used the period-luminosity scale to find the absolute magnitude of any Cepheid variable star, and thus the distance to the star.

The problem was how to create a distances pattern from the behaviour of Cepheid because the closer Cepheid was farther enough so as to measure its distance using the parallax method.

Leavitt was set aside from the tasks she was doing because the boss in the observatory thought that her job was to gather data and not making calculations, but Ejnar Hertzsprung, in the observatory close to Berlin, took charge of it.

Hertzsprung studied the proper motion of stars, the motion in the space of the star and our Sun, of thirteen Cepheid close to the Sun, and using statistics calculated the ‘average’ distance to the local Cepheid, as well as an ‘average’ apparent magnitude. With these values he was able to calculate an ‘average’ absolute magnitude for an ‘average’ period Cepheid.

Perhaps there were too many ‘averages’, but what Hertzsprung did next was to choose a Cepheid in the Small Magellanic Cloud with the same period as his ‘average’ star. He compared the photographic brightness of the Cepheid in the Cloud with absolute magnitude it should have and calculated the distance: 3000 light-years. This distance put the Small Magellanic Cloud within the Milky Way. It is thought that it was a typo and that the distance should have been 30000 light-years. Even though the distance was well below the actual one.

Why this discrepancy? Actually it was an experimental error. The Cepheid in the Small Magellanic Cloud had been photographed using plates sensitive to the blue light while the local Cepheid had been photographed using plates sensitive to red light. This provoked a difference in the apparent brightness making that the Cepheid in the Small Magellanic Cloud look brighter and thus closer.

The North American astronomer Harlow Shapley knew how to understand the astronomical meaning of Cepheid. Working in the Mount Wilson observatory in Los Angeles, with the 1.5 m telescope, Shapley studied the globular clusters and discovered Cepheid in them. Using the Hertzsprung’s technique, and refining it, he determined the distance to the clusters, being between 50000 and 220000 light-years. It was thought that the clusters were within the Milky Way, but it also was thought that the Milky Way had a diameter of 30000 light-years so the real diameter should be larger than thought. Shapley estimated a diameter of the Milky Way of 300000 light-years being the galactic centre in the direction of Sagittarius.

Astronomers were cautious about this result, in part because they considered as unreliable the Hertzsprung’s method.

At the same time, telescopes were aiming at spiral nebulae and many astronomers suggested that they were galaxies comparable to the Milky Way full of stars because, when the light was passed through a spectroscope it was similar to the light of the stars and not to the one of a gas cloud.

In 1912, Vesto Slipher, in the Lowell observatory, took a detail look at a spiral galaxy in the Andromeda constellation and could measure its Doppler shift. The value he found impressed everybody: it was approaching at a speed of 300 km/s. Later, Slipher observed 15 more spiral galaxies and discovered that 13 of them were moving away from the Earth even faster than the approaching speed of Andromeda.

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M31. Andromeda galaxy

In 1919, after having received education as lawyer and after getting a Ph.D. in astronomy and return from war, Edwin Hubble started trying to classify nebulae. Using the new 2,5 m telescope in Mount Wilson he hoped to resolve stars in the spiral galaxies, concretely in Andromeda.

Hubble focused his attention in a points of light known as novae, stars that suffer recurrent mass explosions provoking their luminosity to change (don’t mix it up with supernovae where the explosion of the full star occurs)

Through the comparison of photographic plates showing the same region of the sky, what he initially thought to be a nova he later realised that a star was increasing and decreasing its brightness periodically. It wasn’t a nova but a Cepheid!

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Plate where Hubble annotated that it was a variable Cepheid and not a nova

Using the Hertzsprung’s technique, as refined by Shapley, he calculated the distance to Andromeda and got a value of 900000 light-years, what was larger that the size of the Milky Way as Shapley calculated. Andromeda was itself a galaxy!

Because he found Cepheid in spiral galaxies, Hubble made the Universe size to considerably increase. Hubble used the Cepheid to develop distance indicators for galaxies in the same way Shapley did for globular clusters.

While this was occurring in Mount Wilson, in Lowell, Slipher was still measuring Doppler shifts for spiral galaxies, including the ones where Hubble used his technique to calculate the distance.

Milton Humason joint Mount Wilson to work as assistant because of his father-in-law. When one night the telescope operator was ill he worked in his position in such a successful way that he was appointed as permanent operator as well as assistant to Hubble permanently. Humason got enough information about additional Doppler shifts from other galaxies. Hubble gathered all these data to establish a relation between the red shifts and the distances. The relation was simple: except for the closest galaxies, the farther a galaxy the faster it moved away. The rate is now known as the Hubble’s constant.

Although the values that Shapley or Hubble found by their time were rough, the precision has been increased now and currently we know that the Milky Way has a diameter of 100000 light-years and that the Andromeda galaxy is 2.5 million light-years away from us. Though the values are slightly different, the important thing is to remember that the efforts to understand the Universe made possible the development of techniques and methods that, even nowadays, are being used by the modern astronomers and astrophysicists.

As Hubble said:

But with increasing distance our knowledge fades, and fades rapidly, until at the last dim horizon we search among ghostly errors of observations for landmarks that are scarcely more substantial. The search will continue. The urge is older than history. It is not satisfied and it will not be suppressed.

References:

Galaxias. Time Life Folio

Astrofísica. Manuel Rego, María José Fernández