¿Qué tan lejos dijiste?

Puedo apostar que de vez en cuando te quedas fascinado con la vista del cielo nocturno y la multitud de estrellas visibles, particularmente cuando estás lejos de las grandes ciudades donde el cielo nocturno parece más oscuro. Una cosa que es notoria es cómo las estrellas tienen diferente brillo e intensidad, este es un efecto derivado de de dos factores, qué tan caliente es esa estrella y qué tan lejos de nosotros está ubicada. Y tal vez te preguntas mientras contemplas las estrellas, si aquellas que lucen más brillantes están más cerca que las más tenues.

Esta no es una pregunta sencilla, ya que las estrellas tienen una gran variedad de tamaños y luminosidad, y algunas de ellas siendo miles de veces más grandes que nuestro Sol y, por supuesto, todas estan dispersas y a diferentes distancias de nosotros. Pero espera, no es típico escuchar de vez en vez, noticias donde se menciona la distancia de ciertas estrellas u otros objetos celestes, entonces, ¿cómo los astrónomos pueden medir tales distancias? Bueno, la respuesta, como se comentó, no es tan simple como podría parecer.

En primer lugar, es importante reconocer que las distancias de las estrellas son realmente muy grandes; tan grande que la medida en dimensiones terrestres es casi impráctica. Por ejemplo, considerando nuestra estrella más cercana, aparte de nuestro Sol, por supuesto. Esta es Proxima Centauri, que está a unos 25 billones de millas (40 billones de kilómetros), de distancia de la Tierra. Así que, ¿qué unidades de distancia “más amigables” son utilizadas por los astrónomos entonces? Esta es también una respuesta en etapas, un método es medir en base a múltiplos de la distancia de la Tierra al Sol, a esta se denomina Unidad Astronómica (UA), que es la distancia promedio de la Tierra al Sol (aproximadamente 149 millones de kilómetros o 93 millones de millas). Usando esta escala, la distancia a la mencionada estrella Proxima Centauri es 12,950 AU. Otro método es usar el tiempo que la luz tarda en recorrer cierta distancia; por ejemplo, la distancia de la Tierra al Sol es de 8 minutos luz (esto significa que nosotros vemos el sol como lo fue ocho minutos en el pasado; ¡todo el tiempo!). Si usamos  esta escala, la distancia a Proxima Centauri es de 4.22 años luz.

El método del Paralaje (Parallax)

La concepción y el estudio de cómo se organiza el universo han evolucionado desde la Roma antigua hasta los tiempos modernos. Antes del siglo XIX, la astronomía, predecesora de la astrofísica, era una ciencia un tanto aburrida, ya que se dedicaba principalmente a la clasificación de planetas y sus lunas, estrellas cercanas y algún asteroide o cometa aquí y allá. Y ciertamente, no había una medida precisa de las distancias de las estrellas. Fué hasta inicios del siglo XIX cuando comenzó a usarse el método de paralaje, el efecto fué notado por primera vez por Giuseppe Calandrelli, y luego fue usado para mediciones precisas por Friedrich Bessel en 1838.

El llamado paralaje solar, es una medición hecha al verificar la posición de una estrella objetivo contra estrellas más distantes en el fondo, esta medición se realiza dos veces, con 6 meses de separación entre mediciones, esto significa que la primera se hace cuando la tierra está en un lado de su órbita alrededor del sol, y el segundo se hace exactamente en el otro extremo de la misma, siendo la distancia entre las mediciones equivalente a dos Unidades Astronómicas (UA). Al usar estas lecturas, puedes medir el ángulo de un hipotético triángulo isósceles formado entre la Tierra, el Sol y la estrella objetivo. En este caso, el ángulo clave se registra debido al movimiento aparente de la estrella medida en comparación con objetos más distantes ubicados en el fondo. Dado que estos ángulos medidos son muy pequeños, estos están en el rango de los “segundos de arco”.

Medición de paralaje (ircamera.as.arizona.edu)

Medición de paralaje (ircamera.as.arizona.edu)

Si consideramos que cada uno de los 360 grados de arco en un círculo tiene 60 minutos de arco, y cada minuto tiene a su vez 60 segundos de arco. Con este método fue posible medir distancias a estrellas cercanas, y esta referencia se convirtió en la base para el “parsec”, la unidad de distancia más utilizada por astrofísicos actualmente, que es la distancia a la que se encuentra un objeto para formar un ángulo de 1 segundo de arco, por ello el nombre, parallax-second o “parsec”. Un parsec es equivalente a 206,265 UA, o aproximadamente 3,26 años luz. Usando nuestra estrella de referencia, Proxima Centauri, su distancia equivale a 1.3009 parsecs.

Candelas estándar

Por supuesto, el método de paralaje está también limitado por la precisión en el ángulo medido, actualmente esta precisión está en el rango en microsegundos de arco (del telescopio Hubble), esta precisión limita las distancias medidas con este método a cerca de 3.066 parsecs (o 10.000 años luz), siendo esto sólo alrededor del 10% del diámetro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Esto, por supuesto, planteó un problema, más con el ingenio de los astrofísicos, por supuesto alternativas fueron encontradas; lo que se usó para resolver este problema se basa en la llamada ley del cuadrado inverso, una ley física que establece que la intensidad o cantidad de cierta fuente es inversamente proporcional a la distancia de la fuente. Para explicar esto en términos más figurativos, si imaginas una lámpara en una habitación oscura, la intensidad de la luz en una superficie a un metro de esta lámpara será cuatro veces más fuerte que la intensidad de la luz en una superficie ubicada a dos metros de la lámpara, y dieciséis veces más fuerte que la intensidad de la luz en una superficie a 4 metros de la lámpara; siendo más específicos, la energía o intensidad de la fuente disminuye en 4 a medida que la distancia se duplica. Así que, al saber qué tan intensa es una luz, entonces se puedes determinar qué tan lejos está. Simple, ¿verdad?

Ley del cuadrado inverso (wikipedia.org)

Ley del cuadrado inverso (wikipedia.org)

El problema en la astrofísica fue cómo encontrar estas candelas estándar, una fuente para la cual su luminosidad fuera bien conocida. Afortunadamente, la solución fue provista por la astrónoma estadounidense Henrietta Leavitt, quien estudió un tipo particular de estrellas llamadas Cefeidas variables en las Nébulas de Magallanes, estas son estrellas que cambian su luminosidad a intervalos regulares. En sus estudios, notó cómo el brillo de estas estrellas cambiaba en un período y una amplitud bien definidos y estables, lo que permitía conocer su verdadera luminosidad al observar su período de pulsación, y de esta manera, tener un tipo especial de candela estándar. Fue el trabajo de Henrietta Leavitt el que permitió que Edwin Hubble descubriera que la conocida “nebulosa de Andrómeda” era en realidad una galaxia, a gran distancia de nuestra propia Vía Láctea, y así darse cuenta de que el cosmos era un lugar mucho más grande, y nuestra galaxia era solo una de muchas en el cosmos. Hubble hizo esta medición al verificar la distancia de una estrella Cefeida variable en esta nebulosa en 1924; y como resultado, notando que su distancia era de 2,5 millones de años luz (o 778 Kilo-parsecs), colocándola fuera de nuestra Vía Láctea, que tiene apenas cien mil años luz de longitud.

Supernovas tipo 1A

Las cefeidas variables fueron un recurso valioso para medir objetos distantes, pero este método también tiene sus limitaciones, que es básicamente la resolución del telescopio para detectar la pulsación de estas estrellas. Esto limita este método a un máximo de alrededor de 50 Mega-parsecs. Y nuevamente se presentó otra restricción para medir los objetos del espacio profundo. Para resolver esto, se desarrollaron métodos adicionales, pero el método por excelencia para medir las distancias cósmicas fue el uso de otra candela estándar, las supernovas tipo 1A.

Supernova SN2014J (spacedaily.com)

Supernova SN2014J (spacedaily.com)

Una supernova es la forma en que una estrella masiva termina cuando llegue a sus etapas evolutivas finales, y se caracteriza por una destrucción dramática y catastrófica, causada por una explosión final épica. Una supernova tipo 1A, es causada por la explosión de una estrella enana blanca en un sistema binario, esta estrella enana tiene una estrella compañera de la cual roba y acumula materia, hasta que alcanza un punto donde ya no puede mantener la presión gravitacional y luego explota; estas supernovas son menos comunes, ocurriendo en promedio una vez cada 200 años en una galaxia como la nuestra; estas tienen un brillo bien definido en su punto máximo, por lo tanto, son excelentes candelas estándar, con el valor agregado de ser extremadamente luminosas, a veces casi eclipsando a su galaxia anfitriona. Considerando que típicamente las galaxias están compuestas por miles de millones de estrellas, este es un objeto extremadamente luminoso. Debido a estas características, estas supernovas se pueden usar para medir distancias desde el espacio profundo, cubriendo prácticamente todo el universo observable, que es de aproximadamente 14.26 giga-parsecs o 46.5 billones de años luz en cualquier dirección dada.

Más podrías preguntarte, ¿no es cierto que las explosiones de supernovas son un fenómeno raro en el cosmos? Entonces, ¿cómo podemos medir las distancias continuamente mediante el uso de estas elusivas explosiones? Bueno, es cierto, las supernovas en general son un fenómeno raro, que ocurre en promedio una vez cada 50 años en una galaxia del tamaño de nuestra propia Vía Láctea (que contiene 100 mil millones de estrellas).

Sin embargo, debemos considerar que el espacio es un lugar muy grande. Las últimas cifras estimadas sobre el número de galaxias se miden en 200 billones en el universo observable, con esta cantidad y un poco de análisis dimensional, , se puede deducir que hay supernovas ocurriendo cada segundo; y si observas cualquier sección del cielo es muy probable que puedas detectar una supernova en horas o días, esto significa que hay mucho material de referencia para realizar estas mediciones.

Entonces, la próxima vez que mires al cielo estrellado, puedes estar seguro de que las distancias de estrellas y galaxias están bajo control, y pueden determinarse con precisión, así que, si le preguntas a tu astrofísico personal, seguramente te responderá “no te preocupes, ¡lo tenemos!”

Saludos – Alex

ScienceKindle

 

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