La escala del Universo

A veces miramos el cielo nocturno sin ser conscientes de su magnitud. De hecho la idea de la esfera celeste como algo real no hace tanto tiempo que fue desechada, y cuando nos tumbamos bajo el cielo estrellado cuesta mucho librarse de la sensación bidimensional que durante tanto tiempo ha hecho creer a los humanos que existía una esfera de estrellas fijas. En los últimos siglos se han ido rompiendo esferas conforme han sido calculadas las distancias que nos separan de los astros; primero de la Luna, Sol y planetas, luego de las estrellas, después de las nebulosas espirales (que resultaron ser otras galaxias) y recientemente de las galaxias más lejanas. Pero nos hemos habituado a las cifras astronómicas sin pararnos a pensar en las enormes distancias que representan, y de vez en cuando hay que detenerse a reflexionar sobre la escala de lo que estamos observando para ser conscientes de nuestro lugar en el Universo, aunque suponga poner a prueba los límites de nuestra imaginación. 

En 2005 la sonda Voyager I alcanzó los límites de nuestro Sistema Solar, el llamado frente de choque de terminación, la zona donde el Sol pierde su influencia para dar paso al espacio interestelar. Le ha llevado casi 30 años y podríamos decir que aún está en la puerta del jardín. Seguro que tenemos en mente la típica ilustración del Sistema Solar con sus hermosos planetas girando alrededor del Sol, todos aparentemente cerca en relación al tamaño con el que son representados. Pero hacer un dibujo a escala fidedigna del Sistema Solar (en el que se representen también las distancias) sería bastante complicado. Veamos cómo podríamos hacer una maqueta en la que el Sol fuera representado por una esfera de 1 metro de diámetro: 

• Mercurio podría ser un grano de pimienta a unos 40 metros de la esfera solar.
• Para Venus una canica podría ir bien, pero situada a 74 metros.
• La Tierra sería otra canica a algo más de100 metros.
• Para Marte necesitaríamos una bolita de apenas medio centímetro que tendríamos que colocar a casi 160 metros. 
• Para Júpiter iría bien un balón de balonmano a 533 metros de nuestro Sol. 
• Saturno sería un balón un poquito más pequeño situado a 1 kilómetro.
• Urano, más o menos como una pelota de golf, debería situarse a 2 kilómetros de nuestro punto de partida.
• Neptuno sería otra pelota de golf a más de 3 kilómetros. 

Este ejercicio de imaginación casi todos lo hemos hecho en la escuela y sirve para apreciar las grandes distancias que separan los cuerpos del Sistema Solar en relación a su tamaño. Y en esta maqueta ¿dónde situaríamos la estrella más cercana, Proxima Centauri? Pues ni más ni menos que en la Luna. Podemos comprender así la enormidad de las distancias interestelares, y que tras casi 30 años de viaje -a la no desdeñable velocidad de 17 kilómetros por segundo- la sonda Voyager I apenas acabe de entrar en el espacio interestelar. 

El Sistema Solar y la estrella más cercana

Dentro del Sistema Solar se toma como unidad de distancia la que hay entre la Tierra y el Sol, llamada Unidad Astronómica, que corresponde a 149.597.870,7 kilómetros. Saturno está a 9,55 ua y el límite del Sistema Solar se sitúa a unas 100 ua. Proxima Centauri está a 267.000 unidades astronómicas. Un hipotético viaje interestelar a una velocidad de crucero de 40 kilómetros por segundo nos llevaría unos 32.000 años... ¡para ir a la casa de enfrente!

Si para la distancia a la estrella más próxima hemos necesitado una cifra de seis dígitos, podemos deducir que la unidad astronómica se nos queda muy pequeña para referirnos a medidas interestelares. Para referirnos a objetos fuera de nuestro sistema planetario se utiliza el Año Luz, la distancia que recorre la luz en un año (si en un segundo cubre la friolera de casi 300.000 kilómetros, en un año recorre unos 300.000*60*60*24*365 = 9.460.800.000.000 km). La mencionada Proxima Centauri está a 4,22 años luz, su luz tarda 4,22 años en llegar a nosotros. El año luz es una medida de distancia pero indica también el tiempo que ha tardado la luz en llegar desde su fuente hasta nuestros ojos, por tanto cuanto más lejos esté lo que observemos más antigua es la imagen que vemos. 

Una vez superado el vértigo de la visita a nuestra estrella vecina vamos a ver lo que hay un poquito más lejos, digamos en la manzana, en un radio de unos 12 años luz. 

Estrellas en un radio de 12 años luz

La mayoría de las estrellas que encontramos en nuestras inmediaciones son enanas rojas (al igual que Proxima Centauri); no es de extrañar pues estas estrellas pequeñas y débiles son muy abundantes en la galaxia. Las estrellas apreciables a simple vista más cercanas son el sistema Alfa Centauri (a 4,37 años luz), Sirio (a 8,6 años luz) y Procyon (a 11,41 años luz). Destacan también Epsilon Eridani (a 10,5 años luz), una estrella muy parecida al Sol con un sistema planetario y Tau Ceti (a 12 años luz), también muy similar al Sol y con un disco de material a su alrededor. 

Estrellas en un radio de 20 años luz

Si nos alejamos un poco más hasta un radio de 20 años luz encontraremos también a Altair (a 16 años luz), la estrella principal de la constelación del Águila, y Delta Pavonis (a 19,9 años luz), otra estrella muy similar al Sol donde podrían existir planetas tipo terrestre. 

Estrellas en un radio de 50 años luz

Dentro de un radio de 50 años luz tenemos la mayoría de las estrellas que vemos más brillantes en nuestro cielo nocturno: Vega (a 25,3 años luz), Capella (a 42,2 años luz), Pollux (a 33,7 años luz), Fomalhaut (a 25 años luz) y Arcturus (a 36,7 años luz), entre otras. 

Principales estrellas en un radio de 250 años luz

En un radio de 250 años luz encontramos la tercera parte de las estrellas que vemos a simple vista en el cielo nocturno, entre las que destaca Aldebarán (a 65,1 años luz) y el cúmulo de las Híadas (a 151 años luz), ambos en la constelación de Tauro. 

Principales estrellas y objetos en un radio de 2.000 años luz

Demos ahora un salto considerable hasta un radio de 2.000 años luz. En este espacio casi abarcamos el grosor del brazo galáctico en el que nos encontramos, el brazo de Orión. En esta pequeña porción de galaxia puede haber 80 millones de estrellas, algunas gigantes muy luminosas, como Antares (a 550 años luz), las principales estrellas de la constelación de Escorpio, Betelgeuse (a unos 700 años luz), Rigel (a 860 años luz), Polaris (a 431 años luz) y Deneb (a 1.425 años luz, aunque esta distancia podría ser mayor).  

Dentro de los 2.000 años luz tenemos importantes cúmulos y nebulosas: las Pléyades (a 440 años luz), la nebulosa de Orión (a 1.270 años luz), la nebulosa California (a unos 1.000 años luz), el Pesebre (a 577 años luz), la nebulosa Dumbbell (a 1.250 años luz), etc. 

Principales estrellas y objetos en un radio de 5.000 años luz

A 5.000 años luz de distancia ya estaríamos saliendo de nuestro barrio en el brazo de Orión. Las nebulosas Trífida y de la Laguna se encuentran más o menos a esa distancia ya en el brazo de Sagitario. Más lejos aún tenemos la nebulosa Omega y la nebulosa del Águila, a más de 6.000 años luz. En el lado opuesto y en el brazo de Perseo está la nebulosa Roseta (a 5.200 años luz) y la nebulosa del Cangrejo (a 6.300 años luz), entre otras. Se cree que a unos 10.000 años luz está la estrella Rho Cassiopeiae, una de las más lejanas que podemos distinguir a simple vista; se trata de una rara hipergigante 550.000 veces más luminosa que el Sol. 

La Vía Láctea tiene unos 100.000 años luz de diámetro

Recreación de nuestra galaxia vista de frente

Ahora es el momento de detenernos a tomar aire para saborear las cifras. Estamos hablando ya de varios miles de años luz, lo que implica que esos fotones salieron de su estrella cuando aquí tomaban forma las primeras civilizaciones urbanas. Han necesitado toda nuestra Historia para llegar a nosotros. Y apenas nos hemos movido de nuestro brazo galáctico, de una porción pequeñísima de la Vía Láctea en la que se agolpan sólo un par de cientos de millones de estrellas. Pero nuestra galaxia es mucho más grande, una espiral barrada de 100.000 años luz de diámetro. El Sol se encuentra en el brazo de Orión a 27.700 años luz del centro, y para llegar a él deberíamos atravesar otros tres brazos: el de Sagitario, el de Scutum-Crux y el de Norma. Hacia la periferia tendríamos el brazo de Perseo y el de Cygnus. En total se estima que  unas 200.000.000.000 estrellas (doscientos mil millones) pueblan nuestra galaxia, de las que vemos una ínfima parte situada en nuestro vecindario. Los objetos más lejanos que podemos ver pertenecientes a nuestra galaxia son los cúmulos globulares, agrupaciones compactas de estrellas viejas situadas fuera del plano galáctico a varias decenas de miles de años luz.

Casi todo lo que vemos en el cielo nocturno sin más ayuda que nuestros ojos -o como mucho unos prismáticos- son estrellas y nebulosas pertenecientes a nuestra galaxia. Su densidad aumenta conforme dirigimos nuestra vista al plano galáctico, esa franja de apariencia lechosa a la que debe el nombre. Esa abundancia de estrellas y nebulosas (especialmente las oscuras) es precisamente la que nos impide penetrar en el plano galáctico hacia su centro observando en luz visible. Si embargo si observamos hacia las zonas del cielo alejadas del plano de la galaxia la densidad de estrellas baja, pero con un telescopio se puede apreciar que abunda cierto tipo de nebulosas más o menos débiles que en principio se pensaba que pertenecían a la Vía Láctea, pero cuya naturaleza quedó aclarada cuando se calculó la distancia a la más brillante de ellas, situada en la constelación de Andrómeda. M31 (la nebulosa de Andrómeda) resultó estar no a varios miles sino millones de años luz. Por tanto se encuentra fuera (y bien lejos) y se trata de otro sistema estelar, otro "universo-isla".

La Vía Láctea y su cortejo de pequeñas galaxias

Antes de llegar a nuestra galaxia vecina, si ampliamos a 500.000 años luz (5 veces el diámetro de nuestra galaxia) el radio de nuestra esfera virtual encontraremos que existe un cortejo de pequeñas galaxias vinculadas a la Vía Láctea. Las más grandes son las Nubes de Magallanes (a 175.000 y 200.000 años luz); el resto son galaxias enanas con apenas una veintena de millones de estrellas cada una.

El Grupo Local (radio de 5 millones de años luz)

Si ya nos ha sorprendido el enorme salto de escala cuando salimos de nuestro sistema planetario y miramos la estrella más cercana, el salto intergaláctico resulta abrumador. Las galaxia más cercana (la de Andrómeda) se encuentra a 2,5 millones de años luz, y la del Triángulo (M33) está a 2,8 millones de años luz. Estas dos galaxias junto a la Vía Láctea -y unas 40 galaxias enanas- forman el Grupo Local. La luz que observamos hoy de estos sistemas comenzó su viaje cuando los primeros australopithecus pululaban por las sabanas africanas.

El supercúmulo de Virgo (radio de 100 millones de años luz)

En un radio de 40 millones de años luz están las galaxias más brillantes que se pueden observar con telescopio de aficionado: M83 (a 15 millones de a.l.), M101 (a 25 m.a.l.), M81 (a 12 m.a.l.), M104 (a 28 m.a.l.), M51 (a 37 m.a.l.), etc. Conforme ampliamos la distancia nos damos cuenta de que las galaxias no están distribuidas de modo uniforme sino que presentan agrupaciones en forma de grupos (de varias decenas de galaxias) y cúmulos (de cientos o miles de galaxias). En un radio de 100 millones de años luz el principal es el cúmulo de Virgo, con unas 1.300 galaxias a una media de 60 millones de años luz de distancia. Si dirigimos nuestro telescopio al centro del cúmulo de Virgo observaremos un campo muy rico en galaxias, entre las que destacan algunas elípticas gigantes bastante brillantes. La luz que vemos fue emitida cuando la Tierra se estaba recuperando de la extinción del Cretácico-Terciario (la de los dinosaurios, para entendernos). En un radio de 100 millones de años luz puede haber unas 2.500 grandes galaxias y 50.000 galaxias enanas, que albergarían en total 200 billones de estrellas.

Supercúmulos de galaxias (radio de 1.000 millones de años luz)

El cúmulo de Virgo es el más grande de los que nos rodean y junto al de Fornax, Eridanus y otros grupos más pequeños forman el Supercúmulo de Virgo o Supercúmulo Local. Un supercúmulo de galaxias es una estructura compleja formada por centenares o miles de cúmulos galácticos que interaccionan entre sí. El Supercúmulo Local presenta una anomalía gravitatoria -denominada Gran Atractor- hacia la que caen las galaxias en un radio de millones de años luz. Se estima su distancia en unos 250 millones de años luz en  dirección a las constelaciones de la Hidra y el Centauro, pero su estudio está dificultado por la situación de nuestro propio plano galáctico.

Los principales supercúmulos más cercanos al de Virgo son el de Coma Berenices, Hydra, Centauro, Perseo-Pisces, Escultor, Hércules, Leo, Shapley, Horoligium y Corona Borealis. En un radio de 1.000 millones de años luz podemos tener 3 millones de grandes galaxias y 60 millones de galaxias enanas albergando 250.000 billones de estrellas. Hace 1.000 millones de años en la Tierra sólo existían organismos unicelulares, y unos 200 millones de años después nuestro planeta pasó su periodo más frío, posiblemente  cubierto de glaciares que incluso llegaron al ecuador.

Imagen del cielo en el infrarrojo cercano mostrando los principales supercúmulos de galaxias (NASA) 

Mediante el estudio de galaxias en diferentes longitudes de onda, y penetrando cada vez a mayor distancia  gracias a telescopios más avanzados, se ha podido elaborar un mapa de la distribución de galaxias en cúmulos y supercúmulos, y comprobar que forman una superestructura filamentosa entre la que quedan grandes regiones "vacías". Estas macroestructuras -filamentos y muros, dependiendo del tamaño- son las más recientes del Universo, formadas y cohesionadas por la fuerza de gravedad. Quizás la mejor analogía visual para entenderlas sería una red neuronal, en la que los nodos serían los supercúmulos de galaxias que estarían conectados por los filamentos. La mayor de estas estructuras fue descubierta en 2003 y denominada Gran Muralla de Sloan, de 1.370 millones de años luz de longitud y situada a una distancia de unos 1.000 millones de años luz. Por su parte el Supercúmulo Local forma parte del complejo de supercúmulos de Piscis-Cetus, una enorme estructura de 1.000 millones de años luz de largo y 150 millones de años luz de ancho compuesta por 60 supercúmulos.

El Universo conocido (radio de 14.000 millones de años luz)

Analizando la luz de las galaxias y estudiando su corrimiento al rojo se ha llegado a establecer la mayor distancia en unos 14.000 millones de años luz. La luz que nos llega de las galaxias más lejanas corresponde a un Universo primigenio en el que ni existía el Sol ni nuestra galaxia tal y como la conocemos hoy. En nuestro Universo observable se estima que hay 350.000 millones de galaxias agrupadas en 10 millones de supercúmulos. El número de estrellas posible es una cifra fácil de escribir pero muy difícil de imaginar: 30.000 trillones (un 3 seguido de 22 ceros).

Generalmente nos imaginamos el Big-Bang como una explosión en un punto que origina un universo-esfera en expansión. Pero el Big-Bang no se originó en ningún punto ni lugar concreto porque simplemente antes no existían ni el espacio ni el tiempo. Todo estaba en esa singularidad inicial y todo se está expandiendo, sin que exista centro ni bordes. Los modelos cosmológicos actuales establecen que seguirá esta tendencia, que no habrá un momento en el que se invierta. Queda aún mucho por explicar dentro del modelo del Big-Bang, sobre todo la naturaleza y papel que desempeñan la materia oscura y la energía oscura. Resulta que debe existir un tipo de materia y energía de naturaleza desconocida para que encaje lo que observamos con los modelos teóricos, que no vemos pero sí apreciamos sus efectos. Y no son despreciables, pues la materia oscura representaría el 90% de la materia y la energía oscura el 70% de la energía total; la primera puede que esté detrás de la cohesión de las estructuras que se observan y la segunda probablemente desempeñe un papel decisivo en la expansión acelerada del Universo.

De las primeras etapas del Universo primigenio sabemos poco. Los grandes colisionadores de partículas tienen como objetivo intentar reproducir estas condiciones iniciales para entender mejor la naturaleza de la materia y de la energía, en un ámbito en el que entra en juego el extraño mundo de la física cuántica. Existen diversas teorías y modelos matemáticos que intentan dar una explicación al origen del Big-Bang y nuestro Universo, que enlazan el mundo cuántico con el macrocosmos en un intento de ser una teoría unificadora, pero que aún no han sido confirmadas mediante la observación de alguna de sus predicciones. La más exótica es la controvertida Teoría de Supercuerdas y sus variantes, una estructura teórica muy compleja y de difícil comprensión que escapa al objetivo de este artículo.



En resumen: