La escalera de las distancias cósmicas

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(Publicado originalmente en Madrid Sindical)

Contribución al Carnaval de la Física

¿Cómo miden las distancias los astrónomos? Para determinar las enormes distancias que nos separan de estrellas, galaxias y otros objetos astronómicos se emplea la llamada “escalera de las distancias cósmicas”, una sucesión de métodos que, apoyándose unos en otros sucesivamente, permiten conocer con bastante aproximación la distancia que nos separa de objetos cada vez más lejanos.

La base de medida es la distancia media de la Tierra al Sol, también llamada unidad astronómica. Con la ayuda de las Leyes de Kepler, que rigen los movimientos de los planetas alrededor del Sol, basta con medir la distancia a un objeto cualquiera del Sistema Solar y conocer las características de su órbita para calcular el valor de la unidad astronómica. Hoy en día, estas medidas se hacen con radar, determinando el tiempo que tarda en volver una señal enviada a dicho objeto. Así, se ha medido la unidad astronómica (149,6 millones de kilómetros) con una precisión de unas pocas decenas de metros.

Una vez conocida la distancia de la Tierra al Sol, o lo que es lo mismo, el radio de su órbita, se puede aplicar el método de la paralaje anual para medir la distancia a las estrellas cercanas. La paralaje anual es la variación de la posición aparente en el cielo de una estrella al ser observada desde dos puntos extremos de la órbita terrestre. Una estrella cercana, observada desde la Tierra con seis meses de diferencia, parece haberse desplazado en el cielo con respecto a los objetos más lejanos, aunque en realidad la que se ha movido es la Tierra. Conocido el desplazamiento de la Tierra en su órbita (el diámetro de la órbita, o sea, el doble de la distancia de la Tierra al Sol), basta aplicar las leyes de la trigonometría para conocer la distancia a dicha estrella. Debido a la lejanía de las estrellas, los desplazamientos observados son siempre ángulos muy pequeños, y por tanto difíciles de medir: Para Próxima Centauri, la estrella más cercana al Sistema Solar, el desplazamiento es de sólo 0,77 segundos de arco, equivalente a un objeto de dos centímetros de diámetro visto a una distancia de 5,3 kilómetros. Con el satélite Hipparcus de la Agencia Espacial Europea se ha medido la paralaje de 100.000 estrellas de nuestra galaxia, hasta una distancia máxima de 1.600 años luz.

Entre estas estrellas cercanas cuya distancia se ha podido medir con el método anterior, algunas pertenecen a un tipo especial de estrellas variables llamadas cefeidas. Así se ha podido saber que estas estrellas tienen la particularidad de que su magnitud absoluta (la intensidad de la estrella) esta relacionada con el periodo de variación de su brillo. A su vez, la relación entre la magnitud absoluta y la magnitud aparente, la observada desde la Tierra, es una indicación de la distancia a la que se encuentra la estrella: cuanto más lejos se encuentre, más débil se verá. De esta manera, podemos conocer la distancia a la que se encuentra cualquier estrella cefeida, sea en la Vía Láctea o en otra galaxia. En las galaxias que no están demasiado alejadas de nosotros es posible identificar estrellas individuales; si una de ellas es una cefeida, la medida de su periodo y de su magnitud relativa permite conocer la distancia a la que se encuentra la estrella, y por tanto la galaxia.

Debido a la expansión del Universo, todas las galaxias se alejan de nosotros. Este movimiento provoca en la luz que nos llega de las galaxias lo que se conoce como corrimiento hacia el rojo, un desplazamiento de la frecuencia análogo al efecto Doppler, que altera la frecuencia de un sonido, como la sirena de una ambulancia, cuando se aleja del observador. Cuanto más lejos se encuentra una galaxia, más rápidamente se aleja, y mayor es el corrimiento hacia el rojo de su luz. La relación entre el corrimiento hacia el rojo y la distancia se ha determinado para las galaxias cercanas con el método anterior, el de las cefeidas. Una vez conocida esa relación, se puede aplicar a las galaxias más lejanas, en las que es imposible distinguir las estrellas individuales, y a otros objetos astronómicos más lejanos. Así sabemos que la galaxia más lejana descubierta hasta la fecha se encuentra a 13 mil millones de años luz de la Tierra.

Existen además otros métodos más específicos para determinar la distancia a algunas galaxias de ciertos tipos concretos, que resultan ser compatibles con los anteriores y por tanto permiten confirmar y afinar las medidas realizadas.