Pues sí: la propia velocidad de la luz, esos 300.000 kilometros por segundo, hace que, en cierto modo, siempre veamos el pasado de las cosas. Y, aunque en nuestra vida diaria podemos pensar que la luz se mueve de forma instantánea, para distancias mayores resulta esencial considerar su velocidad limitada. Y las distancias que se manejan en astronomía son inmensas -tanto, que el kilómetro e incluso la Unidad Astronómica (la distancia de la Tierra al Sol: ciento cincuenta millones de kilómetros) se nos quedan pequeños y debemos recurrir a medidas como el año luz, equivalente a la distancia que recorre la luz en un año. Por ejemplo, y como señalamos en un capítulo anterior, la galaxia Andrómeda se halla a dos millones quinientos mil años luz, una distancia insignificante a escala cósmica pero que supone que vemos Andrómeda tal y como era hace dos millones y medio de años, es decir, cuando los primeros homo habilis caminaban sobre la Tierra.  

Pero esto supone más una ventaja que un inconveniente, porque nos permite conocer el pasado del universo. Como asegura Erasmus, los telescopios pueden verse como máquinas del tiempo puesto que, cuanto más lejos miremos, a épocas más antiguas nos estaremos asomando.  Y esto produce una curiosa ambigüedad, ya que una galaxia muy muy muy lejana aparecerá joven a nuestros ojos cuando en realidad se trata de una de las primeras que se formaron en el universo, es decir, una de las más viejas.

Redshift: cómo de pequeño era el universo

Antes de subirnos a lomos del telescopio espacial Hubble (HST), que nos ha aportado las imágenes más profundas del cielo, o de las lentes gravitatorias, fenómenos naturales que han permitido detectar las galaxias más distantes, debemos familiarizarnos con un término que ya explicamos en un episodio anterior, el corrimiento al rojo -o redshift- cosmológico (ver capítulo "Un rubor en las mejillas" https://henrietta.iaa.es/un-rubor-en-las-mejillas). El redshift es el desplazamiento hacia el rojo del espectro de la luz de una galaxia debido al distanciamiento progresivo producido por la expansión del universo, y es necesario hacer hincapié en que la recesión no se debe a movimientos propios de las galaxias, sino a la expansión del espacio-tiempo donde se hallan.

Edad del universo con respecto al redshift (Rychard Bouwens).

Así, el redshift de un objeto nos dice cuánto se ha desplazado al rojo su luz desde el momento en que fue emitida, y se denota como "z". Por ejemplo, un redshift de dos (z=2) indicaría que la luz del objeto ha triplicado su longitud de onda desde que se emitió y un redshift de tres que la ha cuatriplicado, mientras que un redshift igual a cero supone que la longitud de onda no se ha modificado. Visto de otra manera, el corrimiento al rojo nos permite conocer cuánto más pequeño era el universo en el momento en que se emitió la luz, y se emplea para medir distancias (de hecho, es la medida más empleada para objetos muy remotos): el desplazamiento al rojo de la luz de una galaxia permite conocer su velocidad, y aplicando la ley de Hubble, es posible determinar la distancia a la que se halla.  

El certero ojo del telescopio espacial Hubble

Aunque a día de hoy existe una carrera por hallar los objetos a más alto redshift, con el titular "hallada la galaxia más lejana" repitiéndose cada poco tiempo, ese universo joven estuvo vedado a nuestros ojos hasta 1996, cuando el telescopio espacial Hubble produjo el Hubble Deep Field, una imagen de campo profundo obtenida ensamblando trescientas cuarenta y dos exposiciones tomadas a lo largo de diez días. Según una cita de la web del HST, cuando se propuso emplear el telescopio para observar, durante días y días, la misma región del cielo, nadie aseguraba que aquello pudiera ofrecer resultados científicos interesantes, pero los datos superaron las mejores expectativas: en una minúscula y aparentemente poco poblada región del cielo (equivalente al tamaño de una pelota de tenis a una distancia de cien metros), surgieron unas tres mil galaxias (¡¡tres mil!!), muchas de ellas las más jóvenes y distantes conocidas. El telescopio Hubble fotografió galaxias situadas a redshift 6, correspondientes a una época en la que el universo no tenía ni mil millones de años -recordemos que su edad estimada se halla en los 13.700 millones de años-, algo inaudito ya que por entonces solo se conocían unas pocas galaxias a redshift mayor que uno.

A la izquierda, porción del cielo seleccionada para el Hubble Deep Field. A la derecha, fragmento de la imagen compuesta que mostraba unas tres mil galaxias.

La verdad es que dan ganas de terminar aquí el artículo, con ese abrumador salto en el conocimiento del cosmos que supuso el Hubble Deep Field, pero vamos a continuar un poco porque el telescopio Hubble nos ha permitido arañar el pasado del universo aún más. En 2004 se hacía público el Hubble Ultra-Deep Field, que compilaba ochocientas exposiciones y que permitía vislumbrar el cosmos tal y como era hace trece mil millones de años. Esta imagen de campo ultra profundo mostraba unas diez mil galaxias de distintas edades, tamaños, formas y colores, entre las que destacan unas cien galaxias pequeñas y rojizas que vemos congeladas en un tiempo en el que el universo tenía solo ochocientos millones de años de edad. Y en 2012 el Hubble eXtreme Deep Field, que se había centrado en una pequeña región en el centro del Ultra-Deep Field, añadía otras cinco mil quinientas al censo anterior y reducía aún más la porción oculta del universo al mostrarnos cómo era hace trece mil doscientos millones de años.

Lentes gravitatorias: telescopios naturales

¿Paramos ya? Pues no, porque un fenómeno natural, las lentes gravitatorias, se ha aliado con el penetrante ojo del telescopio espacial Hubble y ya estamos viendo lo que pudieron ser, nada más y nada menos, que las primeras galaxias. Para comprender el complejo –y bellísimo–efecto conocido como lente gravitatoria se precisan unas nociones básicas sobre la luz y el espacio-tiempo. Sabemos, gracias a la teoría de la relatividad, que la geometría del espacio-tiempo no es rígida, sino que en presencia de materia se modifica y, más concretamente, se "curva". Un ejemplo clásico consiste en imaginar el espacio-tiempo sin materia como una sábana tendida horizontalmente y tensada por los cuatro extremos; si dejamos caer una pelota ese espacio-tiempo se curvaría y, más curioso aún, desviaría los rayos de luz emitidos por objetos lejanos. En el fondo, la luz solo sigue el camino más corto: ante grandes cúmulos de materia se desvía o divide dependiendo de la masa del cúmulo y del nivel de alineación de los objetos. Como resultado, desde la Tierra podemos observar una magnificación de su luz (un efecto similar a una lupa), un aparente cambio de posición, una deformación o incluso una multiplicación del objeto más lejano.

Fue, precisamente, la magnificación de su luz lo que permitió hallar la que fue, durante unos meses de 2012, la galaxia más lejana conocida. La luz de MACS1149-JD nos llega amplificada casi quince veces por el efecto de lente gravitatoria producido por un cúmulo que se encuentra en su camino y que actúa como una lupa cósmica, y permitió observar esta jovencísima galaxia que data de cuando el universo tenía cuatrocientos noventa millones de años y que, se calcula, pudo formarse tan solo doscientos millones de años después del Big Bang. El hallazgo se enmarca en el proyecto CLASH (Cluster Lensing and Supernova survey With Hubble), cuyo objetivo principal reside en aportar luz sobre la materia y energía oscuras a través del estudio en detalle de una serie de cúmulos de galaxias. Uno de ellos, MACS J1149+2223, causante de la amplificación de la luz de MACS1149-JD, constituye una de las lentes más poderosas conocidas.

Sin embargo, y también gracias al proyecto CLASH, en octubre de 2012 conocíamos la existencia de MACS0647-JD, galaxia que le sucedió en el título de "la más lejana". Gracias nuevamente al efecto de lente gravitatoria producido por un cúmulo de galaxias, los investigadores pudieron observar tres imágenes magnificadas de MACS0647-JD que mostraban un aumento en brillo de ocho, siete y dos veces con respecto al objeto original. Esta galaxia, que vemos en una época en la que el universo contaba con cuatrocientos veinte millones de años de edad, es tan pequeña que podría hallarse en el inicio de la formación de una galaxia mayor. Se cree que las grandes galaxias, como la Vía Láctea, crecieron por la fusión de otras más pequeñas, y MACS0647-JD, con sus apenas seiscientos años luz de anchura (la Vía Láctea mide ciento cincuenta mil años luz) podría constituir uno de esos ladrillos galácticos.

Estos recientes hallazgos del proyecto CLASH han puesto de manifiesto las inmensas posibilidades de los cúmulos como telescopios naturales y, viendo la necesidad del estudio en profundidad de cada objeto (o, en otras palabras, de dedicarles más horas de observación), los investigadores propusieron una reducción de la muestra, de veinticinco cúmulos a veintidós, para centrarse en los efectos lente más intensos.

Terminamos con una sorpresa acontecida en diciembre de 2012 y que puso fin al reinado de MACS0647-JD: la galaxia UDFj-39546284, que se creía a un redshift 10, se puso (gracias a una nueva compilación de datos) de repente muy a la cabeza del pelotón, al registrarse una nueva medición de redshift de 11,9, lo que la sitúa en torno a los trescientos ochenta millones de años después del Big Bang.

Como ven, el viaje de los fotones durante miles de millones de años se traduce en récords verdaderamente pasajeros.