Las galaxias -esas vastas colecciones de estrellas que pueblan nuestro universo- están por todas partes. Pero, ¿cuántas galaxias hay en el universo? Contarlas parece una tarea imposible. El número de galaxias es uno de los problemas: una vez que el recuento llega a los miles de millones, se tarda en hacer la suma. Otro problema es la limitación de nuestros instrumentos. Para obtener la mejor vista, un telescopio necesita tener una gran apertura (el diámetro del espejo principal o de la lente) y estar situado por encima de la atmósfera para evitar la distorsión del aire de la Tierra.
Tal vez el ejemplo más resonante de este hecho sea el Campo Profundo Extremo del Hubble (XDF), una imagen realizada combinando 10 años de fotografías del telescopio espacial Hubble. El telescopio observó una pequeña porción de cielo en repetidas visitas durante un total de 50 días, según la NASA. Si se pusiera el pulgar a la distancia de un brazo para cubrir la Luna, el área del XDF sería del tamaño de la cabeza de un alfiler. Al recoger la luz tenue durante muchas horas de observación, el XDF reveló miles de galaxias, tanto cercanas como muy lejanas, lo que la convirtió en la imagen más profunda del universo jamás tomada en ese momento. Así que si ese único y pequeño punto contiene miles, imagínese cuántas galaxias más podrían encontrarse en otros puntos.
Aunque las estimaciones entre los diferentes expertos varían, un rango aceptable es entre 100.000 y 200.000 millones de galaxias, dijo Mario Livio, astrofísico del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland. Cuando se lance el telescopio espacial James Webb en 2020, se espera que el observatorio revele aún más información sobre las primeras galaxias del universo.
Vamos a lo profundo
Por lo que sabe Livio, el Hubble es el mejor instrumento disponible para el recuento y la estimación de galaxias. El telescopio, lanzado en 1990, tenía inicialmente una distorsión en su espejo principal que fue corregida durante una visita del transbordador en 1993. El Hubble también fue sometido a varias actualizaciones y visitas de servicio hasta la última misión del transbordador en mayo de 2009.
En 1995, los astrónomos apuntaron el telescopio a lo que parecía ser una región vacía de la Osa Mayor, y recogieron 10 días de observaciones. El resultado fue un estimado de 3.000 galaxias débiles en un solo cuadro, llegando a ser tan tenues como de 30ª magnitud. (A modo de comparación, la Estrella del Norte o Polaris se encuentra en torno a la 2ª magnitud). Este compuesto de imágenes se denominó Campo Profundo del Hubble y fue el más lejano que nadie había visto en el universo en ese momento.
Cuando el telescopio Hubble recibió mejoras en sus instrumentos, los astrónomos repitieron el experimento dos veces. En 2003 y 2004, los científicos crearon el Campo Ultra Profundo del Hubble, que en una exposición de un millón de segundos reveló unas 10.000 galaxias en un pequeño punto de la constelación de Fornax.
En 2012, de nuevo con instrumentos actualizados, los científicos utilizaron el telescopio para observar una parte del Campo Ultra Profundo. Incluso en este campo de visión más estrecho, los astrónomos pudieron detectar unas 5.500 galaxias. Los investigadores lo bautizaron como Campo Ultraprofundo.
En total, el Hubble revela unos 100.000 millones de galaxias en el universo, pero es probable que esta cifra aumente a unos 200.000 millones a medida que mejore la tecnología de los telescopios en el espacio, dijo Livio a Space.com.
Cuento de estrellas
Sea cual sea el instrumento utilizado, el método para estimar el número de galaxias es el mismo. Se toma la porción de cielo fotografiada por el telescopio (en este caso, el Hubble). A continuación, utilizando la relación entre la porción de cielo y el universo entero, se puede determinar el número de galaxias en el universo.
«Esto supone que no hay una gran variación cósmica, que el universo es homogéneo», dijo Livio. «Tenemos buenas razones para sospechar que es así. Ese es el principio cosmológico».
El principio se remonta a la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Einstein dijo que la gravedad es una distorsión del espacio y el tiempo. Con ese entendimiento en la mano, varios científicos (incluyendo a Einstein) trataron de entender cómo la gravedad afectaba a todo el universo.
«La suposición más simple de hacer es que si se ve el contenido del universo con una visión suficientemente pobre, parecería más o menos lo mismo en todas partes y en todas las direcciones», declaró la NASA. «Es decir, la materia del universo es homogénea e isotrópica cuando se promedia en escalas muy grandes. Un ejemplo del principio cosmológico es el fondo cósmico de microondas, una radiación que es un remanente de las primeras etapas del universo después del Big Bang. Utilizando instrumentos como la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson de la NASA, los astrónomos han descubierto que el CMB es prácticamente idéntico se mire por donde se mire.
¿Cambiará el número de galaxias con el tiempo?
Las mediciones de la expansión del universo -a través de la observación de las galaxias que se alejan de nosotros- muestran que tiene unos 13.820 millones de años. Sin embargo, a medida que el universo se hace más viejo y más grande, las galaxias se alejarán cada vez más de la Tierra. Esto hará que sean más difíciles de ver en los telescopios.
El universo se está expandiendo más rápido que la velocidad de la luz (lo que no viola el límite de velocidad de Einstein porque la expansión es del propio universo, en lugar de los objetos que viajan a través del universo). Además, el universo está acelerando su expansión.
Aquí es donde entra en juego el concepto de «universo observable», el universo que podemos ver. En 1 o 2 billones de años, dijo Livio, esto significa que habrá galaxias que están más allá de lo que podemos ver desde la Tierra.
«Sólo podemos ver la luz de las galaxias cuya luz tuvo suficiente tiempo para llegar a nosotros», dijo Livio. «Esto no significa que eso sea todo lo que hay en el universo. De ahí la definición de universo observable».
Las galaxias también cambian con el tiempo. La Vía Láctea está en curso de colisión con la cercana Galaxia de Andrómeda, y ambas se fusionarán en unos 4.000 millones de años. Más adelante, otras galaxias de nuestro Grupo Local -las galaxias más cercanas a nosotros- acabarán combinándose. Los residentes de esa futura galaxia tendrían un universo mucho más oscuro que observar, dijo Livio.
«Las civilizaciones empezaron entonces, no tendrían evidencia de que había un universo con 100 mil millones de galaxias», dijo. «No verían la expansión. Probablemente no podrían decir que hubo un Big Bang».
¿Qué hay de otros universos?
Al inflarse el universo primitivo, hay algunas teorías que dicen que diferentes «bolsas» se separaron y formaron diferentes universos. Estos diferentes lugares podrían estar expandiéndose a diferentes velocidades, incluir otros tipos de materia y tener leyes físicas diferentes a las de nuestro propio universo.
Livio señaló que podría haber galaxias en estos otros universos -si es que existen- pero no tenemos forma ahora de saberlo con seguridad. Así que el número de galaxias podría ser incluso superior a los 200.000 millones, si se tienen en cuenta otros universos.
En nuestro propio cosmos, dijo Livio, los astrónomos podrán afinar mejor el número cuando se lance el telescopio espacial James Webb (del que su instituto gestionará las operaciones de la misión y la ciencia). El Hubble es capaz de observar galaxias que se formaron unos 450 millones de años después del Big Bang. Tras el lanzamiento del James Webb en 2020, los astrónomos prevén que podrán observar hasta 200 millones de años después del Big Bang.
«Las cifras no van a cambiar mucho», añadió Livio, señalando que las primeras galaxias probablemente se formaron no mucho antes. «Así que un número como 200.000 millones es probablemente eso para nuestro universo observable».
Aportaciones de Webb
Aunque es interesante contar el número de galaxias en nuestro universo, los astrónomos están más interesados en cómo las galaxias revelan cómo se formó el universo. Según la NASA, las galaxias son una representación de cómo se organizó la materia en el universo, al menos, a gran escala. (Los científicos también están interesados en los tipos de partículas y la mecánica cuántica, en el lado pequeño del espectro). Dado que Webb puede remontarse a los primeros días del universo, su información ayudará a los científicos a comprender mejor las estructuras de las galaxias que nos rodean en la actualidad.
«Al estudiar algunas de las primeras galaxias y compararlas con las actuales, podremos comprender su crecimiento y evolución. Webb también permitirá a los científicos recopilar datos sobre los tipos de estrellas que existían en estas galaxias tan tempranas», dijo la NASA sobre la misión de Webb. «Las observaciones de seguimiento mediante espectroscopia de cientos o miles de galaxias ayudarán a los investigadores a comprender cómo se formaron y acumularon los elementos más pesados que el hidrógeno a medida que la formación de las galaxias avanzaba a lo largo de los tiempos. Estos estudios también revelarán detalles sobre la fusión de galaxias y arrojarán luz sobre el proceso de formación de galaxias en sí mismo.»
Según la NASA, estas son algunas de las preguntas clave que Webb responderá sobre las galaxias:
- ¿Cómo se forman las galaxias?
- ¿Qué les da su forma?
- ¿Cómo se distribuyen los elementos químicos a través de las galaxias?
- ¿Cómo influyen los agujeros negros centrales de las galaxias en sus galaxias anfitrionas?
- ¿Qué ocurre cuando las galaxias pequeñas y grandes chocan o se unen?
Los científicos también están interesados en el papel que desempeña la materia oscura en el ensamblaje de las galaxias. Mientras que una parte del universo es visible en formas como las galaxias o las estrellas, la materia oscura es la que compone la mayor parte del universo, aproximadamente el 80 por ciento. Mientras que la materia oscura es invisible en las longitudes de onda de la luz o a través de las emisiones de energía, los estudios de las galaxias que se remontan a la década de 1950 indicaron que había mucha más masa presente en ellas de lo que era visible a simple vista.
«Los modelos informáticos que los científicos han realizado para entender la formación de las galaxias indican que las galaxias se crean cuando la materia oscura se fusiona y se agrupa», dijo la NASA. «Se puede pensar en ella como el andamiaje del universo. La materia visible que vemos se acumula dentro de este andamiaje en forma de estrellas y galaxias. La forma en que la materia oscura se agrupa es que los objetos pequeños se forman primero y se juntan para formar otros más grandes».
Los potentes espejos de Webb permitirán a los científicos observar la formación de galaxias -incluyendo el papel de la materia oscura- de cerca. Aunque esta investigación no responde directamente a cuántas galaxias hay en el universo, sí ayuda a los científicos a entender mejor los procesos que hay detrás de las galaxias que vemos, lo que a su vez informa mejor los modelos sobre las poblaciones galácticas.