Henrietta Leavitt i l'expansió de l'Univers

Actualment sabem que l'Univers s'està expandint des que es va originar en el Gran Esclat (el que en anglès s'anomena "Big Bang") ara fa tretze mil vuit-cents milions d'anys. Però com vam arribar a descobrir aquest fet de l'expansió de l'Univers?

Fou decisiva la capacitat de poder mesurar distàncies fins a les galàxies més properes. A principis del segle XX, encara no se sabia que l'Univers estava format per moltes galàxies: només sabíem que el Sol era una estrella de la Via Làctia, un sistema de mils de milions d'estrelles en forma de disc que nosaltres veiem com una banda lluminosa en el cel, atesa la nostra perspectiva des de l'interior d'aquest disc. Amb els telescopis òptics s'havien descobert moltes nebuloses (o objectes lluminosos difusos) en el cel, però no se sabia si aquestes nebuloses eren núvols de gas i estels en formació dins de la Via Làctia, o bé galàxies molt llunyanes com la Via Làctia (avui dia sabem que hi ha una mica de tot, i anomenem nebuloses només als núvols de gas). Molts astrònoms pensaven que l'Univers era únicament la Via Làctia, amb l'espai infinit estenent-se més enllà i contenint només una gran buidor. Però d'altres ja proposaven la hipòtesi que vivim en un Univers de galàxies on la Via Làctia és només una entre moltes. La clau per treure'n l'entrellat era mesurar la distància a una de les nebuloses: si la distància era molt més gran que la grandària de la Via Làctia, havia de ser una galàxia externa.

La mesura de la distància sempre ha estat un problema tan difícil com fonamental en la història de l'astronomia. Quan es va mesurar la distància a les estrelles, es va poder entendre que el Sol és només una estrella entre tantes que habiten la nostra Via Làctia. No podem saber la distància d'un objecte lluminós en el cel simplement observant-lo: un punt de llum d'una brillantor acuradament mesurada pot ser un objecte molt llunyà i lluminós, o pot ser molt més a prop i molt menys lluminós.

La clau per mesurar distàncies a galàxies la va dissenyar una astrònoma que treballava a l'observatori de la Universitat de Harvard, Henrietta Leavitt. A principis del segle XX, Leavitt va investigar unes estrelles variables anomenades Cefeides que varien de brillantor d'una forma regular i periòdica. Va descobrir que les Cefeides més lluminoses varien amb un període més llarg que les menys lluminoses, seguint una relació de període-lluminositat que ella va calibrar. Gràcies a aquest descobriment, les variables Cefeides van esdevenir la tècnica de mesurar distàncies a galàxies que, posteriorment, va permetre demostrar que el nostre Univers de galàxies s'expandeix.

Henrietta Leavitt va realitzar la seva recerca amb les estrelles Cefeides dels Núvols de Magallanes, dues galàxies nanes que orbiten la Via Làctia com a satèl·lits.

Els Gran i Petit Núvol de Magallanes són dues galàxies nanes satèl·lits de la Via Làctia

Com que són més properes que qualsevol altra galàxia, aquestes galàxies nanes podien resoldre's en estrelles individuals amb les imatges fotogràfiques que es podien obtenir a principis de segle XX, i s'acceptava que eren eixams d'estels prop de la Via Làctia, però ningú sabia a quina distància eren de nosaltres ni si eren semblants a altres galàxies que no podien resoldre's. Les observacions que van permetre a Leavitt realitzar el seu descobriment es feien en un observatori australià, car els Núvols de Magallanes només es poden observar des de l'hemisferi Sud de la Terra. Es prenien plaques fotogràfiques de les mateixes àrees del cel en moltes nits diferents i s'enviaven a l'observatori de Harvard, on treballava Leavitt. Allà començava una ingent tasca per examinar les plaques i identificar les variables Cefeides entre la munió d'estels que quedaven registrats.

Durant anys d'estudi, Leavitt va identificar molts tipus d'estrelles variables i va descobrir que n'hi havia moltes de Cefeides. Amb lupa i micròmetre, buscava les Cefeides que tenia catalogades en les plaques fotogràfiques i mesurava amb tota la precisió possible la mida de la taca negra que havia quedat registrada en el negatiu de la placa. Com més gran la taca, més era la brillantor de l'estrella que se'n deduïa. Amb minuciós detall i gran dedicació, va mesurar les variacions de brillantor de més d'un miler de Cefeides que havia descobert. En una època sense ordinadors en què tots els números s'havien d'escriure en una llibreta i els càlculs i les gràfiques s'havien de fer a mà, escrivia extenses taules amb el resultat de les mesures per veure com variava cada Cefeida i quin era el seu període.

Com que les cefeides que estudiava Leavitt eren part dels Núvols de Magallanes, sabia que totes eren aproximadament a la mateixa distància de nosaltres, i que per tant la seva brillantor és directament proporcional a la lluminositat intrínseca de l'estel. Les variacions de les cefeides són perfectament periòdiques i regulars: augmenten ràpidament de brillantor, arriben a un màxim i després disminueixen més lentament. Quan comença el següent període repeteixen la mateixa variació seguint la mateixa corba de llum. Després de mesurar els períodes de moltes Cefeides, Leavitt va anunciar la llei que havia descobert: com més brillant era la Cefeida observada, més llarg el període de variació. És a dir, com que totes les Cefeides dels Núvols de Magallanes són a la mateixa distància, com més lluminoses més llarg el període.

Comparant amb les variables Cefeides conegudes molt més a prop del Sistema Solar, es va veure que eren molt més brillants que les Cefeides dels Núvols de Magallanes que tenien el mateix període. Això era simplement perquè els Núvols de Magallanes són molt més lluny que les estrelles Cefeides que podem trobar a prop nostre en el disc. D'aquesta comparació se'n va poder deduir la distància als Núvols de Magallanes, que és d'uns cent cinquanta mil anys-llum.

Henrietta Leavitt va demostrar que els Núvols de Magallanes són uns eixams d'estels a una distància força més gran que la grandària de la nostra galàxia, i que per tant, altres nebuloses de llum difusa de característiques semblants, tals com la nebulosa d'Andròmeda, podrien ser galàxies encara més llunyanes. A l'època en què va viure, el masclisme de la societat era molt més extrem que l'actual, i en general no s'acceptava que una dona pogués fer descobriments científics importants. Leavitt va tenir molta sort de poder treballar en un dels pocs llocs del món en què una dona podia tenir l'oportunitat de fer recerca en astronomia, l'observatori dirigit per Edward Pickering. Així i tot, la participació de les dones en els debats científics més importants no estava gens incentivada, i no podem saber què pensava Leavitt sobre les implicacions del seu treball per la naturalesa d'altres galàxies que llavors s'anomenaven nebuloses, i per l'estructura general de l'Univers.

Després de més observacions amb telescopis més grans, l'any 1924 Edwin Hubble va detectar les primeres estrelles variables Cefeides a la nebulosa d'Andròmeda i en va mesurar la distància. Així va demostrar que aquesta nebulosa no és pas un petit núvol dins la Via Làctia, sinó tota una galàxia semblant a la Via Làctia situada a una enorme distància, que ell va estimar aleshores en un milió d'anys-llum i avui sabem que és d'uns 2,5 milions d'anys-llum. D'això se'n deduïa que vivim en un Univers de galàxies, en què la Via Làctia és només una entre milions de galàxies semblants distribuïdes per tot l'espai. Poc després, l'any 1929, Edwin Hubble demostrava que l'Univers de galàxies està en expansió, utilitzant el mateix mètode de les cefeides per mesurar distàncies, i l'efecte Doppler per mesurar velocitats. Arribava així a la seva llei: les galàxies s'allunyen unes de les altres amb una velocitat proporcional a la distància que les separa.

Henrietta Leavitt va sofrir problemes de salut, i va contraure una malaltia que li va fer perdre l'oïda des de jove. Va morir l'any 1921, víctima d'un càncer quan només tenia cinquanta-tres anys. Dissortadament, no va poder veure tots els descobriments que les seves recerques van fer possibles i que van iniciar tot el que avui es coneix com la cosmologia. Un company seu, de nom Solon I. Bailey, li va escriure aquesta dedicatòria quan va morir, que tradueixo aquí al català: "Tenia l'alegre virtut d'apreciar tot allò que era valuós i bonic en els altres, i vessava d'una natura tan esplendorosa que, per ella, tota la vida esdevenia formosa i curulla de significat". Tant de bo hi hagi moltes altres persones que segueixin investigant l'Univers amb aquesta mateixa actitud de Leavitt.

 A les acaballes del segle XX, un nou mètode de mesurar distàncies es va descobrir basat en les supernoves, entre les quals n'hi ha algunes de característiques especials (anomenades de tipus Ia) que compleixen una relació entre la duració de la supernova i la lluminositat. És una relació semblant a la de període lluminositat que s'aplica per les Cefeides. Les supernoves són molt més brillants que les Cefeides, i per tant les podem veure de molt més lluny i ens serveixen per mesurar distàncies de galàxies molt més llunyanes. Això ens ha permès descobrir que l'Univers no només s'expandeix, sinó que aquesta expansió està accelerant-se actualment" (un tema que deixaré ara per un futur apunt en aquest bloc). Mentrestant, la relació descoberta per Henrietta Leavitt continua utilitzant-se avui dia per estudiar la distància a galàxies amb el Telescopi Espacial Hubble, que també hauria pogut tenir el nom de Telescopi Espacial Leavitt.