FAROS QUE ALUMBRAN EL PASADO

LA CONTROVERSIA DEL CORRIMIENTO AL ROJO

SERÍA una falta imperdonable de nuestra parte dejar al lector con la impresión de que las ideas aquí expuestas se han desarrollado sin dar lugar a pasiones y controversias, o que las teorías científicas se toman como dogmas de fe.

La idea fundamental que hemos manejado a lo largo del presente libro es que los cuasares se encuentran a distancias cosmológicas. Es decir, que el corrimiento al rojo se debe al efecto Doppler producido por una velocidad de recesión atribuible a la expansión del Universo, y que esta velocidad implica grandes distancias. Sin embargo, desde que se formuló esta interpretación hubo astrónomos que la objetaron, argumentando que podía haber explicaciones alternativas al corrimiento al rojo y que quizá los cuasares fuesen objetos relativamente cercanos. El atractivo de esta alternativa residía en que, si los cuasares eran objetos relativamente cercanos, su luminosidad intrínseca no sería descomunal. Se podría tratar de algún tipo de galaxias particularmente compactas.

Una de las primeras posibilidades que se exploraron fue que el corrimiento al rojo fuese un efecto gravitacional. De la misma manera como un alpinista debe gastar energía para llegar a la cima de una montaña, los fotones deben gastar energía para abandonar el campo gravitacional de un objeto masivo. Mientras más alta sea la montaña, más cansado llegará el alpinista a la cima;mientras más masivo y compacto sea un cuerpo, mas 'cansados' saldrán los fotones. Recordemos que, para un fotón, perder energía significa disminuir su frecuencia, es decir, enrojecerse.

Estudios detallados mostraron que si los corrimientos observados fuesen producidos por este efecto, esto tendría otra consecuencia: las líneas de emisión se ensancharían a tal punto que se embarrarían en el continuo, y sería imposible observarlas. Desde luego, este efecto existe (es particularmente importante muy cerca de un agujero negro), pero definitivamente no es el responsable del corrimiento al rojo observado en los cuasares.

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Figura 54. La galaxia NGC 4319 y el cuasar Markarian 205 parecen estar conectados físicamente. Sin embargo, la interpretación cosmológica del corrimiento al rojo implica que el cuasar es diez veces más distante.

No existe ningún otro proceso físico conocido capaz de explicar el corrimiento al rojo. Sin embargo, siempre es posible que exista algún proceso desconocido para la ciencia de nuestros días. El más ferviente defensor de esta posibilidad alternativa es el astrónomo norteamericano Halton Arp, quien ha obtenido una cantidad considerable de fotografías en las que aparecen cuasares aparentemente conectados a alguna galaxia o grupos de galaxias con corrimientos considerablemente menores al del cuasar. Uno de los ejemplos más patentes es el caso de la galaxia NGC 4319 y el cuasar Markarian 205 (Figura 54). El corrimiento al rojo de la galaxia es de Z = 0.006, mientras que el del cuasar es de Z= 0.07. Reproducimos (Figura 55) una imagen de CCD, que muestra en detalle lo que parece ser una conexión física entre la galaxia y el cuasar. Si ambos objetos se hallan ligados, deben estar a la misma distancia, dice Arp; ambos se encuentran a la distancia derivada del corrimiento al rojo de la galaxia, esto es, setenta y ocho millones de años luz. El corrimiento al rojo del cuasar (que por efecto Doppler implicaría una distancia de novecientos doce millones de años luz), se debe a algún efecto conocido. A Arp no le faltan ejemplos de situaciones similares, uno más se muestra en la figura 56.

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Figura 55. Imagen digitalizada de CCD que muestra el detalle del puente que une a NGC 4319 y Markarian 205. La línea delgada que los une es espuria (efecto del CCD), pero el halo circundante es real.

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Figura 56. Imagen digitalizada de la cadena de galaxias conocida como VVI72. La galaxia señalada con la flecha tiene un corrimiento al rojo discordante con el de las otras cuatro. Sin embargo, el grupo parece envuelto por un lado común.

Sin embargo, todos sabemos que dos objetos que se ven juntos en el cielo no necesariamente están cerca; uno de ellos puede ser un objeto más distante que se ve proyectado, en el plano del cielo, al lado del otro. Pero, squé podemos decir del aparente puente que une a NGC 4319 y Markarian 205? En realidad, hay algunas explicaciones posibles: puede tratarse de la proyección de un brazo de la galaxia espiral (Figura 57). Puede ser un pequeño brazo o una protuberancia de lagalaxia que por casualidad apunta en dirección al cuasar. Puede ser un tercer objeto, una galaxia de fondo que se interpone entre ambos. Arp ha insistido mucho en que la probabilidad de que el azar determine dichas proyecciones para todos los ejemplos que ha acumulado, es muy baja. Aunque los ejemplos de Arp son estimulantes, a través de los años se ha ido quedando solo. La razón es que la evidencia a favor de que los cuasares se encuentran a distancias cosmológicas es cada vez más abrumadora.

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Figura 57. sEs la Markarian 205 realmente compañera de NGC 4319? En (a) la galaxia y el cuasar se encuentran a la misma distancia, pero no podemos excluir la posibilidad (b), en que el cuasar está mucho más distante y se ve proyectado junto a la galaxia. La proyección de uno de los brazos espirales de la galaxia podría producir el efecto del puente.

Probablemente el argumento de mayor peso sea la relación, cada vez más clara, entre los cuasares y los núcleos de las galaxias. En el caso de las galaxias, está fuera de duda que el corrimiento al rojo se debe al efecto Doppler producido por la expansión del Universo. También está fuera de duda que las galaxias obedecen la ley de Hubble —a mayor velocidad de recesión, mayor distancia— pues para muchas galaxias se puede determinar la distancia por métodos independientes del corrimiento al rojo y verificar esta distancia con la que se obtiene del corrimiento. Si los cuasares representan el caso extremo —más energético— de actividad en el núcleo de una galaxia, entonces, en otrosaspectos, como su velocidad de recesión, representan también una continuidad.

Por otra parte, existen contraejemplos concretos a los casos de Arp: cuasares asociados a cúmulos distantes de galaxias, y gracias a los detectores CCD, se han logrado obtener imágenes de galaxias con corrimientos al rojo mayores de tres (Z ≥ 3), asociados a cuasares con el mismo corrimiento (Figura 58).

Existe un último argumento a favor de las distancias cosmológicas de los cuasares. Es el hecho de que las galaxias puedan producir imágenes de cuasares distantes actuando como lentes gravitacionales.

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Figura 58. El cuasar PKS 1614+051 y la galaxia marcada con la letra 'A' tienen el mismo corrimiento al rojo: Z=3.215.

2. LENTES GRAVITACIONALES

Einstein predijo que la gravedad del Sol debía deflectar los rayos luminosos de una estrella que pasase rozando el borde del Sol, por un ángulo de 1.75 segundos de arco.

Durante un eclipse total de Sol, podemos observar la posición de una estrella muy cercana al disco solar. Si la comparamos con la posición de esta misma estrella de noche, cuando su luz no es deflectada al pasar cerca del Sol, podemos medir el efecto de la deflexión gravitacional de los rayos luminosos. El efecto predicho por Einstein ha sido comprobado en múltiples ocasiones con gran exactitud. En este ejemplo, el Sol funciona como una lente gravitacional, pues análogamente a lo que hace una lente común —óptica—, deflecta los rayos de luz (Figura 59).

Aunque la teoría es bastante máscomplicada, muchos de los efectos que predice la óptica gravitacional son similares a los de la óptica ordinaria. La diferencia estriba en la manera como las diferentes lentes doblan los rayos de luz. Según la teoría general de la relatividad, la distorsión —curvatura— del espacio-tiempo alrededor de un cuerpo masivo producirá una deflexión de los rayos de luz con un ángulo directamente proporcional a la masa del objeto lente, e inversamente proporcional a la distancia a la que pasan los rayos del objeto lente.

Una pregunta sumamente interesante que surge en este contexto es: spuede una lente gravitacional producir imágenes como una lente óptica? En 1936, el mismo Einstein demostró que, en principio, una estrella podría enfocar la luz de otra mucho más distante. Sin embargo, al desarrollar el detalle de la teoría, se convenció de que las posibilidades de ver una imagen así formada eran despreciables. Esto se debe a que el efecto es importante sólo cuando el observador, la lente y la fuente luminosa están perfectamente alineados -coincidencia extremadamente improbable.

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Figura 59. El Sol deflecta los rayos luminosos de una estrella que pasan cerca de él produciendo un efecto de lente gravitacional. Este efecto se ha podido comprobar midiendo la posición de una estrella cercana al limbo solar durante un eclipse, y comparándola con su posición nocturna.

Un año más tarde, el astrónomo suizo Fritz Zwicky planteó el problema desde otra perspectiva: puesto que las galaxias distantes de gran masa son bastanteabundantes, la probabilidad de observar el efecto de lente con galaxias, debía ser mucho mayor. Desafortunadamente —y esto sucede con cierta frecuencia— la publicación en que hizo esta sugerencia pasó desapercibida, y durante años los astrónomos, como Einstein, no volvieron a ocuparse de las lentes gravitacionales.

En los años sesenta, los físicos regresaron a explorar el problema más detalladamente, y encontraron una cantidad de posibilidades teóricas bastante intrigantes. Dependiendo de una serie de propiedades de los elementos del arreglo —observador, lente y fuente luminosa—, como tamaños y posiciones relativas, un observador podría ver distintos tipos de imágenes: un anillo, arcos o un conjunto de varias imágenes (Figura 60).

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Figura 60. Imágenes formadas por diversas configuraciones de lentes gravitacionales. En (a) se forman dos pequeñas imágenes como consecuencia de una lente pequeña desalineada; en (b) una lente grande (masiva) forma una imagen triple; en (c) se forma una imagen cuando la lente está muy desalineada; en (d) una desalineación muy pequeña forma imágenes en forma de arcos y en (e) la imagen es un círculo como resultado de una alineación perfecta entre el observador, la lente y el objeto lejano.

En 1979 se descubrió un curioso par de cuasares cerca de la constelación de la Osa Mayor, que tienen una separación de tan sólo seis segundos de arco y se encuentran alineados en dirección Norte-Sur. Al cuasar del Norte se le bautizó A y al del Sur B y el par recibió el nombre de 0957+561A, B (los números se refieren a las coordenadas celestes).

Las líneas espectrales de ambos cuasares tienen exactamente el mismo corrimiento al rojo —que implica una distancia de tres mil millones de años luz. Además, las características espectrales de ambos cuasares son idénticas. La única diferencia es que A es más brillante que B.

La probabilidad de encontrar dos cuasares tan cercanos entre sí con esas características es por casualidad tan pequeña que resulta prácticamente imposible. Entonces los astrónomos se dieron cuenta de que, muy probablemente, estaban viendo por primera vez dos imágenes de un mismo cuasar, producidas por una lente gravitacional.

Esta idea se confirmó al estudiar estos cuasares a distintas frecuencias y descubrir que, desde el radio hasta el ultravioleta, la razón del brillo entre los cuasares gemelos permanecía constante. Cuando, un año más tarde, se descubrió un cúmulo de galaxias en dirección del par —a un segundo de arco de distancia proyectada en el cielo— todo pareció encajar de maravilla, pues este cúmulo debía ser el que producía el efecto de lente.

Existe, sin embargo, una dificultad con la interpretación: según la teoría, una galaxia tipo cD —que son las más masivas del cúmulo— debe producir un número non de imágenes (una, tres, cinco, etc.). Sin embargo, sólo vemos dos. Debe haber una tercera imagen que, quizá por ser mucho más débil, no se ha podido detectar. Hasta ahora, se han descubierto aproximadamente diez casos similares —algunos dudosos— que se interpretancomo lentes gravitacionales. En todos los casos se ven sólo dos imágenes, de modo que la tercera —u otras más— es muy débil o bien la interpretación no es la adecuada.

A fines de 1986, Vahe Petrosian y Roger Lynds, del observatorio de Kitt Peak, descubrieron dos inmensos arcos alrededor de los cúmulos de galaxias Abell 370 y 2242-02 en Acuario (Figura 61). Los arcos son perfectos y miden cientos de miles de años luz. El astrónomo polaco Bohdam Paczynski ha sugerido que quizá se trate de imágenes de lentes gravitacionales (Figura 60d).

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Figura 61. Recientemente se descubrieron dos arcos gigantescos (trescientos mil años luz de longitud) alrededor de los cúmulos de galaxias 370 Ceti (izquierda) y 2242-02 en Acuario (derecha), cuya distancia es de tres mil millones de años luz. El centro de los arcos coincide con el centro de masa de los cúmulos y son las estructuras brillantes de mayor longitud conocidas. Fotos del Observatorio Nacional de Kitt Peak.

3. FAROS QUE ALUMBRAN EL PASADO

Hemos visto que todo parece indicar que los cuasares son, efectivamente, los objetos más distantes en el Universo. Cuando la luz de los más lejanos de estos objetos inició su viaje hacia la Tierra, la edad del Universo era una cuarta parte de lo que es hoy en día (se calcula que la edad actual es de quince mil millones de años), de manera que del estudio de los cuasares podemos obtener información sobre el pasado del Universo.

Un primer tipo de estudio estadístico que se llevó a cabo fue el de ver qué tiposde corrimientos al rojo tienen los cuasares. Lo primero que resulta evidente, ya lo hemos señalado antes, es que no existen cuasares cercanos (con Z = O). Todas las estadísticas han mostrado que las tres cuartas partes de los cuasares tienen corrimientos al rojo entre 1.8 y 2.4 (en promedio de Z = 2). Y hasta hace unos cuantos años no se había detectado ningún cuasar con un corrimiento mayor de Z = 3. Surgía la pregunta fundamental: shay algún límite superior real al valor posible de Z, o se trata de un límite artificial impuesto por las técnicas de detección?

Las implicaciones de la existencia de dicho límite real son muy importantes; implica, por ejemplo, que al menos para un tipo de objeto astronómico estamos llegando a ver hasta el límite del Universo observable. Implica asimismo que, en lo que se refiere a este tipo de objetos, estamos presenciando el ciclo completo de su evolución, desde que nacieron hasta que se apagaron (o, cuando menos, hasta que se transformaron en algún otro objeto).

Al principio de la década de los ochenta, en los observatorios sureños de Australia y Cerro Tololo se inició la búsqueda de cuasares con grandes corrimientos al rojo.

Para esta clase de búsqueda se utiliza un tipo de telescopio llamado cámara Schmidt, con el cual se pueden obtener placas que cubren extensas regiones del cielo.

El logro fundamental consistió en desarrollar emulsiones fotográficas para estas placas, sensibles hasta longitudes de onda mayores de 5 500 Å. La razón es que para cuasares concorrimientos mayores de Z = 3, la línea de emisión más intensa del espectro, la línea Lyman α, cuya longitud de onda en reposo es de 1 215 Å, se corre hasta caer a longitudes de onda mayores de 5 500 Å. Y es precisamente con el uso de esta intensa línea de emisión como pueden identificarse los cuasares en las placas, distinguiéndolos de las estrellas. La emulsión usada es sensible hasta una longitud de onda de 6 900 Å, lo que equivale a la posibilidad de detectar cuasares con corrimientos de hasta Z = 4.7, si existen.

El resultado de estas búsquedas fue que, estadísticamente hablando, la densidad espacial de cuasares, con un corrimiento mayor de 3.5, es, por lo menos, tres veces menor que la de cuasares con un corrimiento de 3. Este límite no excluye la posibilidad de que se encuentren unos cuantos cuasares con corrimientos mayores (de hecho se conocen dos con Z = 3.78 y uno con Z = 3.80). Sin embargo, es evidente que estamos ante un límite real.

Una evidencia adicional que apoya esta conclusión es el hecho de que los radioastrónomos no han encontrado tampoco cuasares más distantes, con todo y que usan métodos de detección diferentes de los ópticos. Ni con los satélites infrarrojos o de rayos X se han podido detectar cuasares más lejanos. De vital importancia para este tipo de investigaciones será el lanzamiento del telescopio espacial.

Lo que indican los datos recopilados hasta ahora es que la densidad espacial de cuasares es máxima alrededor de Z =2; continúa a ser grande hasta Z =3.2, aproximadamente, y luegodecae abruptamente para corrimientos mayores de 3.5. Este límite implica un cambio abrupto en las propiedades del Universo correspondiente a esa época. La interpretación más simple es que todos los cuasares se formaron hace aproximadamente trece mil millones de años, lo cual, desde luego, marca un suceso muy importante en la evolución del Universo, sobre todo si tenemos en cuenta la idea de que los cuasares son los precursores evolutivos de las galaxias.

Hasta aquí hemos hablado de la distribución radial —en distancia— de los cuasares. También es importante saber cuál es su distribución espacial —en tres dimensiones— ya que esta es la única forma de saber cómo estaba distribuida la materia en el Universo hace 13 a 15 mil millones de años.

La inspección visual de los mapas es engañosa e insuficiente. Es necesario realizar varios análisis estadísticos de los datos para saber si hay algún patrón de agrupamiento. Imaginemos que lanzamos granos de arroz al aire; al llegar al suelo, algunos granos caerán más cerca de otros que la distancia promedio entre los granos; sin embargo, este agrupamiento se debe al azar. De la misma manera, se observan algunos grupos o cúmulos de cuasares. Los análisis estadísticos indican sin embargo que el agrupamiento es azaroso y que la distribución de los cuasares en el espacio es homogénea. La distancia promedio entre los cuasares con corrimientos alrededor de Z = 2 es de aproximadamente 400 millones de años luz. Para cuasares con corrimientos mayores, la separación promedio se mide en milesde millones de años luz. Estos datos conforman la evidencia observacional más sólida a favor de la suposición básica que se hace en cosmología: que el Universo, a gran escala, es uniforme.

Por último, el estudio de los cuasares nos puede dar información muy valiosa sobre el material intergaláctico y las galaxias más lejanas. Como ya mencionamos (capítulo IV, en los cuasares con grandes corrimientos al rojo se observan varios sistemas de líneas de absorción que se cree se producen por material a distintas distancias entre el cuasar y nosotros. Este material puede ser parte de la periferia de una galaxia o nubes de material intergaláctico.En el cuasar OQ 172, cuyo corrimiento es de Z = 3.78, se han analizado en detalle los sistemas de líneas de absorción (Figura 62). El sistema de mayor corrimiento corresponde a Z = 3.092. Del análisis de las líneas se obtienen dos conclusiones importantes: una es que la composición química del material absorbente a esa distancia es básicamente la misma que en nuestra galaxia. La segunda es que a esa distancia —o en esa época— existe hidrógeno en forma molecular. Estos descubrimientos son recientes y sus implicaciones para la comprensión de etapas tempranas de la evolución del Universo están aún en estudio.

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Figura 62. Parte azul del espectro de absorción del cuasar OQ 172 (Zemisión = 3.40). Se muestran diversos sistemas de absorción con distintos valores de Zabsorción. Espectro tomado con el telescopio soviético de 6 m.

La observación y estudio de los cuasares es unade las actividades más fascinantes en el campo de la astrofísica así como una fuente inagotable de sorpresas.