La controversia sobre el descubrimiento de la expansión del Universo

Hubble y Lemaitre

Es lugar común atribuir a Edwin Hubble la demostración de que el universo está en expansión. Su formulación en 1929 de la denominada Ley de Hubble establecía que la velocidad a la que se aleja una galaxia es directamente proporcional a la distancia al observador. Pero la autoría genuina de este descubrimiento no es una cuestión pacífica, y se cuestiona si Hubble actuó de buena fe en la publicación de su trabajo, al apuntarse desde diversas fuentes si se ocultaron intencionadamente las investigaciones de otros científicos.

En un texto de 1842 titulado Sobre la luz coloreada de las estrellas dobles y otros astros del cielo, el matemático austríaco Christian Doppler, profesor de matemáticas y geometría práctica en la Realschule de Praga, postuló que el color de la luz emitida por un objeto en movimiento dependía de la velocidad relativa entre el observador y la fuente de luz. Cuando la fuente emisora se acerca al observador, el tiempo transcurrido en la llegada entre crestas de la onda lumínica se hace menor, debido a que cada cresta tiene que recorrer una distancia más pequeña que la que le antecede, dando la impresión de que la onda posee una longitud más corta y por consiguiente una frecuencia más alta. El razonamiento es análogo cuando la fuente se aleja del observador, resultando en este caso en la impresión de experimentar una frecuencia más baja. Doppler quiso demostrar este principio aplicándolo al color observado en las estrellas, sugiriendo que los diferentes colores que presentaban eran debidos al movimiento relativo que experimentaban con respecto a la Tierra. Una idea que resultó equivocada, dado que en la época en la que Doppler aventuró su hipótesis se desconocía que el color de las estrellas depende en realidad de su temperatura y no de su velocidad relativa.

Unos años antes, en 1814-1815, el óptico y físico alemán Joseph Fraunhofer había redescubierto un fenómeno observado una década atrás por el químico inglés William H. Wollaston. Realizando mediciones con su recién desarrollado espectroscopio, al objeto de calcular el índice de refracción de ciertos materiales, encontró que en el espectro de la luz solar aparecían varios cientos de líneas oscuras. Explicó esta anomalía espectral bajo la hipótesis de que las líneas oscuras se producían por la absorción selectiva que los elementos químicos presentes en las atmósferas solar y terrestre realizaban sobre determinadas longitudes de onda, de tal modo que cada frecuencia absorbida generaba una línea oscura en el espectro. En honor a su descubridor fueron denominadas líneas de Fraunhofer. Dado que, al igual que le ocurre al resto del espectro, las líneas oscuras se ven desplazadas a causa del efecto Doppler, y gracias a que la medición de las longitudes de onda de las líneas espectrales es muy exacta, este fenómeno comenzó a utilizarse rápidamente como método fiable para medir la velocidad radial de los objetos astronómicos.

Así, fue el estudio del fenómeno del desplazamiento al rojo por efecto Doppler, lo que llevó a Hubble a descubrir la recesión de las galaxias y afirmar que el universo se está expandiendo. Pero, aunque suele atribuirse a Hubble el éxito en la deducción de la relación entre la distancia de las galaxias y la velocidad a la que se alejan del observador, lo cierto es que su trabajo fue la culminación de otros que se venían desarrollando desde algunos años atrás.

A principios del siglo XX estaba en plena efervescencia el debate sobre la naturaleza de las nebulosas que se observaban en el cielo nocturno. En los círculos académicos se discutía si se trataba de objetos de nuestra galaxia o bien si eran externos a ella, algo que no podría quedar despejado mientras no se delimitara la distancia a la que se encontraban. Pero determinar esas distancias hacía necesario disponer de un método fiable de medición, algo que podía aportar el cálculo del desplazamiento por efecto Doppler de las líneas espectrales. El astrónomo estadounidense Vesto M. Slipher, trabajando en el Observatorio Lowell de Arizona, comenzó en 1910 a tomar medidas espectrográficas de la nebulosa de Andrómeda.

Dos años después, en 1912, fue el primero en observar el desplazamiento de las líneas espectrales de una galaxia. La medida de este desplazamiento podía ser utilizada para determinar, además de la velocidad radial de la nebulosa, si se acercaba o alejaba de la Tierra. Si el desplazamiento era hacia el violeta, el objeto se estaría acercando; si el desplazamiento era al rojo, el objeto se estaría alejando. Con estas premisas, Slipher constató que Andrómeda se acercaba a la Tierra a una velocidad media de unos 300 Km/s, un valor mucho más elevado que el observado cuando se medían las velocidades de desplazamiento de las estrellas. Esta diferencia de magnitud en el valor encontrado en la medición de la velocidad entre ambos objetos, permitía sugerir que las nebulosas eran en realidad entidades ajenas a la Vía Láctea. Slipher publicó los resultados de sus estudios en un pequeño informe de dos páginas en el boletín del observatorio.

En los años siguientes continuó midiendo las velocidades de otras nebulosas. Hacia 1914 tenía ya registradas 13 velocidades, y hacia finales de 1925 otras 45. Salvo unos pocos casos de desplazamientos hacia el violeta, las galaxias presentaban en su gran mayoría desplazamientos al rojo, lo que implicaba que la mayor parte de ellas se estaban alejando de nosotros. Pero siendo esto sorprendente, lo que resultaba más llamativo era la elevada velocidad a la que lo hacían.

Edwin Hubble había estudiado matemáticas y astronomía en la Universidad de Chicago, donde en 1917 obtuvo su doctorado con la tesis titulada Investigaciones fotográficas de nebulosas débiles. Finalizada la Primera Guerra Mundial, en 1919 entró a formar parte del grupo de investigadores que trabajaban con el telescopio reflector Hooker de 2,5 metros del Observatorio del Monte Wilson en California. En 1923, mediante el estudio de la relación periodo-luminosidad de variables cefeidas en distintas nebulosas espirales, ya había adelantado que la distancia que les separaba de la Vía Láctea conducía a pensar que estas nebulosas eran objetos que no pertenecían a nuestra galaxia.

Gráfica con la relación velocidad-distancia entre nebulosas extra-galácticas que Hubble presentó en su artículo de 1929.

Finalmente, Hubble confirmó el carácter extragaláctico de las nebulosas, después de que en 1929 estableciera la relación entre velocidad y distancia de 24 galaxias cercanas a la Vía Láctea, resultados que publicó en un trabajo titulado Relación entre distancia y velocidad radial en nebulosas extragalácticas, en el que afirmaba que el corrimiento al rojo determinado espectroscópicamente de la luz procedente de las galaxias era aproximadamente proporcional a su distancia, estableciendo una relación entre velocidad de recesión y distancia que hoy es conocida como ley de Hubble. La ley de Hubble remite a una proporcionalidad de carácter lineal que se expresa frecuentemente como v , donde v es la velocidad de recesión, la distancia a la galaxia y la constante de Hubble. Esta constante representa el grado de expansión causado por el estiramiento del espacio-tiempo. Su valor aproximado es de unos 67 km/s por megapársec. La interpretación inmediata del descubrimiento de que las galaxias se alejaban proporcionalmente a la distancia a la que se encontraban de nosotros fue que el universo se estaba expandiendo.

Tomando como referencia esta versión ortodoxa de la historia, el hallazgo de la recesión de las galaxias y por extensión la demostración de la expansión del universo, es universalmente atribuido a Hubble. Sin embargo, la polémica rodea a la autoría del descubrimiento.

El astrofísico estadounidense de origen rumano Mario Livio afirma que el descubrimiento de la expansión del universo se debería atribuir a Georges Lemaître, quien la habría descubierto ya en 1927, dos años antes de la publicación del artículo de Hubble. En un artículo de Lemaître de ese año, publicado originalmente en francés en la revista Annales de la Société scientifique de Bruxelles, Lemaître habría llegado a concluir un universo relativista en expansión, independientemente a las soluciones que había encontrado Friedmann en 1922, y cuyas soluciones a las ecuaciones de la relatividad general de Einstein implicaban localmente la existencia de una relación entre distancia y velocidad, derivando de ellas la que hoy es conocida como Ley de Hubble. Además, en el mismo trabajo, adelantó un valor de 625 (km/s)/Mpc para la razón a la que se expande el universo, razón que hoy en día es conocida como constante de Hubble.

Sin embargo, el artículo de Lemaître no fue publicado en inglés hasta 1931, cuando apareció en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, dos años después de la publicación del artículo de Hubble. Por alguna razón, en la traducción al inglés se omitieron precisamente los párrafos donde Lemaître establecía esta relación entre distancia y velocidad de recesión, así como la primera introducción de la constante de Hubble. Tampoco aparecieron en la traducción las notas a pie de página donde interpretaba la relación entre velocidad y distancia como debida a una expansión cósmica del universo.

Con estas premisas, la sombra de parcialidad con el objeto de preservar la primacía del descubrimiento a favor de Hubble se cierne sobre la publicación. El cosmólogo canadiense Jim Peebles, de la Universidad de Princeton, escribió a este respecto en un libro sobre Lemaître escrito en 1984: «Resulta curioso que los párrafos cruciales que describían cómo Lemaître estimó la constante H y en los que se evaluaba la evidencia de linealidad, se eliminaran de la traducción al inglés de 1931» (Livio, 2011, p.172).

La consideración de prioridad en el descubrimiento a favor de Lemaître es compartida por el profesor de la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo David L. Block, quien afirma, confrontando las versiones francesa e inglesa, que se debe a Lemaître la formulación original de la relación, y que el artículo original en francés fue meticulosamente censurado en todo lo relativo al tratamiento de las velocidades y distancias, así como en la determinación empírica de la constante H, cuando la Royal Astronomical Society decidió imprimir la traducción inglesa en 1931: «Sería históricamente exacto decir que la comprobación de una relación lineal velocidad-distancia se debe a las meticulosas observaciones de Hubble y Humason durante los años siguientes, pero no la formulación original de esta relación.» [cursivas en el original] (Block, 2011, p.90). Block carga las tintas sobre Hubble cuando se pregunta: «¿No es extraño que Vesto Slipher no fuese citado en absoluto en el trabajo de Hubble de 1929?» (Block, 2011, p.92). Hay que tener en cuenta que Hubble se valió para su investigación de las medidas espectroscópicas que habían realizado previamente Milton Humason y especialmente Vesto Slipher, a quienes no citó en su trabajo. Asimismo, el astrónomo canadiense Sidney van den Bergh, afirma por su parte que se eliminaron deliberadamente aquellas partes del documento que trataban sobre la determinación de lo que actualmente se conoce como el parámetro de Hubble.

Cartas entre Georges Lemaître y William Smart, editor de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Créditos: Universidad Católica de Lovaina

En contraposición, hay quienes por otro lado arguyen que la censura, siendo cierta, se debió más a la solicitud de un modesto Lemaître que a un gesto malintencionado del traductor. En esa dirección apuntan Harry Nussbaumer y Lydia Bieri, cuando refieren que al requerimiento del secretario de la Royal Astronomical Society a Lemaître para que autorizase la publicación del artículo en inglés, éste le contestó: «No encuentro aconsejable reimprimir la discusión provisional sobre las velocidades radiales, las cuales actualmente carecen claramente de interés» (Nussbaumer & Bieri, 2012, p.4). De esta misma opinión es el citado Mario Livio, quien si bien afirma la prioridad de Lemaître sobre el descubrimiento, exime de responsabilidad en la supresión de los párrafos cruciales tanto al astrónomo William M. Smart, editor de Monthly Notices, como al propio Hubble, suscribiendo la opinión de que fue el propio Lemaître quien desaconsejó su publicación.

Sea como fuere, el descubrimiento de la recesión de las galaxias fue un descubrimiento trascendental para nuestra comprensión del cosmos. La moderna cosmología nació con el paradigma de la teoría general de la relatividad en 1915 y su aplicación al universo en su conjunto. Por entonces el universo conocido se reducía a nuestra propia galaxia, y la presunción entre los científicos ocupados de la cosmología era que el universo era estático sin principio ni fin. Sin embargo, desde la publicación del artículo de Lemaître y de las observaciones de Hubble a finales de la década de 1920, quedó constatado que la ley de proporcionalidad distancia-velocidad de recesión gobierna la expansión del universo, más allá de la controversia que envuelve al descubrimiento.

Este artículo nos lo envía Paco Mariscal, Ingeniero Técnico de Telecomunicación y Máster Universitario en Lógica, Historia y Filosofía de la Ciencia. Trabajo como informático en un centro de investigación del CSIC. Mantiene un blog llamado El barril de Newton, donde regularmente escribe entradas sobre historia y filosofía de la ciencia.

Referencias científicas y más información:

Block, D. (2011). Georges Lemaître and Stigler’s Law of Eponymy. En Georges Lemaître: Life, Science and Legacy (pp. 89-96). arXiv:1106.3928

Doppler, C. (1843). Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels. Abhandlungen der Königlichen Böhmischen Gesellschaft der Wissenschaften, serie 5, vol. 2, pp. 465-482. doi: 10.3931/e-rara-4259

Hubble, E. (1929). A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), vol. 15, no. 3, pp. 168-173. doi: 10.1073/pnas.15.3.168

Lemaître, G. (1927). Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant, rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques. Annales de la Société scientifique de Bruxelles, série A, no. 47, pp. 49-59. SAO/NASA (ADS)

Nussbaumer, H., & Bieri, L. (2012). Who discovered the expanding universe? arXiv:1107.2281

Livio, M (2011). Mystery of the missing text solved. Nature, vol. 479, pp. 171–173. doi: 10.1038/479171a

Slipher, V.M. (1913). The radial velocity of the Andromeda Nebula. Lowell Observatory Bulletin No. 58, vol. II, no. 8, pp. 56-57. SAO/NASA (ADS)

Van den Bergh, S. (2011). The curious case of Lemaître’s equation no. 24. Journal of the Royal Astronomical Society of Canada, vol. 105, no. 4, p. 151. arXiv:1106.1195v1

Te invitamos a comentar y conversar sobre este artículo en nuestras redes sociales: Facebook y Twitter.