L'expansió de l'Univers: Edwin Hubble, Georges Lemaître, Vesto Slipher

La XXX Assemblea General de la Unió Astronòmica Internacional (IAU), celebrada a Viena del 20 al 31 d’agost passat, reuneix tots els ingredients per passar a la història. D'entre les cinc resolucions que es van presentar per ser votades, i en el seu cas aprovades, https://www.iau.org/news/announcements/detail/ann18029/,  en destaca especialment la resolució B4, referent a un canvi de nom de la llei de Hubble i recomanant que, a partir d’ara, la llei d’expansió de l’Univers sigui coneguda com a “llei de Hubble-Lemaître”. L’argument principal en favor d’aquest canvi:

“L'astrònom belga Georges Lemaître, el 1927, va publicar (en francès) el document titulat 'Un univers homogeni de massa constant i de radi creixent que dona compte de la velocitat radial de les nebuloses' [G. Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles {\bf A47}, 49-59 (1927)]. En aquest text, Lemaître redescobreix la solució dinàmica de Friedmann de les equacions de la relativitat general d'Einstein que descriu un Univers en expansió. També dedueix que l'expansió de l'Univers implica que els espectres de les galàxies distants tenen un corriment cap al roig en una quantitat proporcional a la seva distància. Finalment, utilitza dades publicades sobre les velocitats i distàncies fotomètriques de les galàxies per derivar el coeficient d'expansió de l'Univers (assumint la relació lineal que havia trobat basant-se en la teoria)”.

En la bibliografia de suport, per tal d’ajudar els (i les) votants a decidir, s’hi va afegir un extracte del treball de David L. Block, “Georges Lemaître and Stigler's Law of Eponymy'', que informava d'un comentari interessant sobre el tema fet pel mateix Lemaître: "En un comentari publicat a Nature [M. Livio, Nature 479, 171 (2011)], Mario Livio ha descobert una carta de Lemaître a W.M. Smart (datada el 9 de març de 1931). A partir d'aquest document, resulta clar que Lemaître va traduir el seu document del 1927 a l'anglès i que també va ometre la seva determinació del coeficient d'expansió de l'Univers (H₀) a partir dels valors de velocitats radials disponibles el 1927. No obstant això, en el seu comentari, Livio omet una referència vital, és a dir, pensaments escrits pel mateix Lemaître l’any 1950" [G. Lemaître, "L'expansion de l'Univers", Annales d'Astrophysique 13, 344 (1950)]:

“Sobre la meva contribució del 1927, no vull discutir si jo era un astrònom professional o no. Vaig ser, en tot cas, membre de la IAU (Cambridge, 1925) i havia estudiat astronomia durant dos anys, un any amb Eddington i un any més en els observatoris dels Estats Units. Vaig visitar Slipher i Hubble i el vaig escoltar a Washington, el 1925, fent la seva memorable comunicació sobre la distància a la nebulosa d’Andròmeda. Tot i que els meus coneixements bibliogràfics de Matemàtiques eren més aviat minsos, ja que no coneixia el treball de Friedmann, estaven perfectament actualitzats pel que fa a l'astronomia. Calculo [en la meva contribució] el coeficient d'expansió (575 km per segon i per megaparsec, 625 amb una correcció estadística qüestionable). Per descomptat, abans del descobriment i l'estudi dels clústers de les nebuloses, no era possible establir la llei de Hubble, sinó només calcular-ne el coeficient. El títol de la meva nota no deixa cap dubte sobre les meves intencions: ‘Un univers amb massa constant i de radi creixent com a explicació de la velocitat radial de les nebuloses extragalàctiques’”.

Com s’afirma en la proposta de la IAU, queda ben clar que, l’any 1950, Lemaître no volia que la rica combinació de teoria i observacions contingudes en el seu article del 1927 fos enterrada en les sorres del temps.

La discussió sobre la Resolució B4 va ser molt animada, però va haver d’abreujar-se per tal de mantenir l’horari programat, en particular, la posterior cerimònia de cloenda. Algunes preguntes addicionals van ser enviades per correu electrònic, com ara aquesta:

P: Cal que també es reconeguin altres col·laboradors de les dades utilitzades en la llei d'expansió inicial (Slipher, Leavitt, Strömgren...)? 

R. No, perquè no van utilitzar les seves dades per inventar una nova teoria que portés a descobrir l'expansió universal.

És molt difícil no estar d'acord amb totes les consideracions anteriors, moltes de les quals he defensat des de fa temps jo mateix, en articles publicats en revistes científiques i en conferències que he impartit arreu del món (de Boston a Kazan', de Kyoto a Trondheim, de Nagoya a Ciutat del Cap) ... per no parlar de tants i diversos fòrums a Barcelona i voltants. Però les meves investigacions han anat més enllà del que aquí es reconeix, i tenen molt a veure amb la darrera pregunta formulada, que fa referència a Slipher i Leavitt. Per descomptat, no es pot rebatre l’afirmació, tal com queda formulat per part de la IAU, que aquests prominents astrònom i astrònoma “no van utilitzar les seves dades” (en particular, Slipher, tot i que va calcular pràcticament tots els redshifts utilitzats posteriorment per Hubble i Lemaître) o mètodes, com ara la importantíssima llei de Leavitt, emprada profusament per Hubble com la seva eina principal per a obtenir totes les seves mesures de distàncies, "per tal d'inventar una nova teoria per descobrir l'expansió universal". 

No obstant això, alguns fets històrics crucials, que han estat rescatats darrerament de l’oblit, i que contenen opinions documentades dels científics implicats (Hubble, per començar, i en diverses ocasions), així com estudis bibliogràfics molt recents, m’han portat a formular arguments de pes en favor d'una proposta (aquest cop personal) per tal d’incloure el prominent astrònom Vesto Melvin Slipher en la denominació de la llei d’expansió de l’Univers, i anomenar-la així llei de Hubble-Lemaître-Slipher (HLS).

Comencem. 

L'expansió de l'Univers és un dels descobriments més importants de tota la història de la humanitat

Per què? Fins als anys vint del passat segle hom considerava que l’Univers era: 1) etern (hauria existit des de sempre i existiria per sempre), 2) estàtic (o estacionari, ja que com tot sistema físic, sota condicions molt generals, hauria tingut prou temps d’evolucionar cap a l’equilibri), i 3) petit (tots els objectes celestes estarien dins de la Via Làctia). 

Quan el 1917 Einstein va voler fer servir les seves equacions de la relativitat general (que havia formulat el 1915 en la seva versió definitiva) per descriure l’Univers, es va adonar que tenien el mateix problema que les de la mecànica de Newton: no podien descriure un univers estàtic! Un univers així no pot correspondre a una solució de les EE, ja que col·lapsa per acció de la gravetat. Això el va portar a afegir a les equacions la constant cosmològica, Λ, que amb el signe adequat proporcionava una pressió negativa que s’oposava a l’atracció gravitatòria i podia mantenir l’Univers en equilibri. Això li va resoldre el problema, encara que aquesta constant la va posar a contracor: no hi havia cap motiu, ni físic ni matemàtic pel qual hagués de ser allí, i no se sabia d’on podia venir. Si Einstein hagués estat encara més intel·ligent del molt que ja ho era, si hagués cregut a fons en les seves equacions com les úniques que podien descriure l’Univers (tal com es va anar demostrant posteriorment), hauria pogut predir en aquell mateix instant que l’Univers s’havia d’expandir; ja que un univers en expansió sí que era una solució possible de les seves equacions originals (sense Λ), com varen descobrir Friedmann el 1923 i Lemaître el 1927. Einstein hauria pogut fer un descobriment encara més important del que van fer Wolfgang Pauli i Paul Dirac, quan van predir, respectivament, i ambdòs basats en consideracions purament teòriques, l’existència del neutrí i del positró, molt abans de que fossin descoberts al laboratori, .

L’any 1912 pot ser considerat com el del naixement de la cosmologia moderna. La gran astrònoma Henrietta S. Leavitt va publicar, després de diversos anys de recollir milers de dades, en particular dels estels dels núvols de Magallanes, una llei extraordinàriament important: la relació període-lluminositat de les estrelles variables cefeides. Es tracta d’una dependència lineal de la lluminositat versus el logaritme del període de variabilitat de la lluminositat de l'estrella [Henrietta S. Leavitt, Edward C. Pickering, Periods of 25 Variable Stars in the Small Magellanic Cloud, Harvard College Observatory Circular 173, pp. 1-3 (1912)]. Seria interessant descriure els mecanismes físics a l’abast per explicar aquesta relació (com el de vàlvula d’Eddington), però lamentablement, aquí no tinc espai per fer-ho. Henrietta era un membre distingit de l'anomenat "harem de Harvard d'Edward Pickering", conegut també com "l’equip de computadores de Harvard", un grup de dones joves que van fer un gran treball en astronomia en aquella època, estudiant la posició i lluminositat dels objects recollits en plaques fotogràfiques del cel. El resultat de Leavitt va ser una eina extremadament poderosa per calcular distàncies, de fet la principal que Hubble va emprar en els anys següents. I per diverses generacions d'astrònoms, més tard, amb un èxit enorme, fins que apareixerien altres tècniques millorades i, més recentment, les candeles estandarditzables, o SNI, que van conduir al descobriment de l'acceleració en l'expansió de l'Univers (PN de Física 2011). Però aquest ja és un altre tema.

El mateix any 1912 en què Leavitt havia publicat els seus resultats, Vesto Slipher va iniciar un projecte dirigit a obtenir les velocitats radials de les nebuloses espirals a partir dels seus espectres, desplaçats cap al color blau o vermell, utilitzant el telescopi de 24 polzades de l'Observatori Lowell, a Arizona. En realitat, el seu primer càlcul, del 17 de setembre de 1912, va ser per a la nebulosa d'Andròmeda (la més propera), i va donar un corriment cap al blau (blueshift), que indicava que Andròmeda es dirigia cap a nosaltres a gran velocitat. El 1914, en una reunió de la Societat Astronòmica Americana, va presentar resultats per a un total de quinze nebuloses. Excepte tres blueshifts, tota la resta eren redshifts, indicant que la major part de les nebuloses s’allunyaven de nosaltres molt ràpidament. La seva exposició resultà molt clara i convincent i els seus resultats van ser rebuts per l'audiència (diuen les cròniques) amb una llarga ovació i amb la gent dempeus. Això és molt inusual, en una conferència científica, tant aleshores com ara, i aquest dia ha quedat, amb gran raó, registrat a la història de l'Astronomia. Slipher va ser el primer a detectar fotogràficament els espectres de galàxies amb una proporció de senyal/soroll suficient per poder mesurar-ne de forma fiable els canvis per efecte Doppler. I els seus resultats van fer trontollar el model acceptat fins aleshores d’un univers estàtic.

Com el mateix Hubble reconeixeria més tard, Slipher va ser el primer astrònom a assenyalar que alguna cosa molt notable, molt estranya, estava passant en el cosmos: com podia ser estàtic amb aquelles nebuloses llunyanes que se n'anaven a velocitats tan grans? Per descomptat, també hi entraven en joc les velocitats peculiars, i calia tenir en compte l'efecte dipolar que va portar després a poder mesurar la velocitat de translació de la nostra pròpia galàxia. Però, ja en aquells primers resultats, la tendència general de dispersió dels objectes distants era evident. Així doncs, queda clar per què la importància del descobriment de Slipher va ser immediatament apreciada pels assistents a la seva exposició. 

En un article anterior del 2013, Slipher havia mesurat que el blueshift d'Andròmeda era de 300 km/s. En un altre, del 1914, va presentar el que sembla la primera demostració que les galàxies espirals giren. Però el seu treball més famosos és el de 2015, que correspon a l'esmentada reunió de l'AMS del 1914. I l'any 1917 Slipher tenia ja 25 resultats, només quatre dels quals blueshifts, i va donar una interpretació sobre l'enorme velocitat d’allunyament, de gairebé 500 km/s, d’alguns d'aquests objectes. Va dir que:

“Això podria suggerir que les nebuloses espirals s'estan dispersant, però la seva distribució al cel no coincideix amb això, ja que mostren tendència a l’agrupament''.

El terme dispersió ja indica una tendència a fugir en totes direccions, que podria conduir de manera natural a la noció d'un univers en expansió. Va afegir que: 

“...tot el nostre sistema estel·lar es mou i se'ns endú amb ell. S'ha suggerit durant molt de temps que les nebuloses espirals són altres sistemes estel·lars que es troben a grans distàncies... Aquesta teoria em sembla que queda beneficiada per les observacions actuals''.

És a dir, Slipher va deduir correctament que la nostra galàxia estava en moviment a una velocitat molt alta, i que, molt probablement, les nebuloses en desbandada podrien ser anàlegs llunyans de la Via Làctia. I això va ser escrit vuit anys abans de la detecció de Hubble de la famosa cefeida d'Andròmeda, que finalment va confirmar la "hipòtesi de l’Univers illa", un univers on les nebuloses espirals eren altres galàxies com la nostra, molt separades entre elles. 

Malauradament, Slipher no va repetir la mateixa anàlisi amb la nova taula de desplaçaments cap al vermell, que va arribar a l'abast de tothom el 1923 amb la publicació del llibre d'Arthur Eddington, The Mathematical Theory of Relativity (pàg. 162, cap. 5), un llibre que va ser enormement popular. De fet, Eddington havia fet un esforç especial per incloure una llista completa dels redshifts de Slipher en el seu llibre. Els va obtenir a través de correspondència directa amb aquest i consistien en 41 velocitats, amb només 5 blueshifts. Altres astrònoms havien ja confirmat algunes de les mesures de Slipher, però resulta evident  que la importància i el significat físic d'una relació distància-redshift no era clara a principi dels anys vint. El 1924, Eddington va discutir la distribució de velocitats i va intentar donar-li sentit en el context de la relativitat general, però no va poder fer el que Lemaître aconseguiria, d’una manera extraordinàriament brillant, tan sols tres anys més tard (com hem vist al principi). Al contrari, Eddington va pensar que hi havia involucrat algun efecte cinemàtic en l'explicació, encara que la interpretació més habitual en aquella època implicava el model de Sitter, que relacionava els redshifts  amb la curvatura de l'espaitemps. Ningú estava pensant en un univers en expansió quan buscava una relació lineal entre la velocitat i la distància. L'objectiu era buscar l'efecte "de Sitter" i així "mesurar el radi de curvatura de l'espaitemps". En aquest sentit, el treball de Lemaître va ser absolutament revolucionari i definitiu (encara que ningú no el va llegir durant molts mesos). Fins i tot el mateix Hubble, dos anys més tard, en el seu treball del 1929, també va esmentar encara l'efecte "de Sitter", així com l'argument d'Eddington d'una contribució cinemàtica, sense dir mai que l'expansió de l’Univers hi pogués tenir cap paper en la seva llei empírica de proporcionalitat [E. Hubble, A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 15, 168-173 (1929)]. De fet sembla que Hubble mai no va creure en l'expansió de l'Univers.

La taula de redshifts de Slipher del llibre d'Eddington va ser un dels dos ingredients necessaris per a la formulació de la relació velocitat/distància radial. L'altre, la taula de distàncies, sí que fou el resultat de la feina d'Edwin Hubble, amb una contribució posterior de Humason, que va obtenir alguns redshifts addicionals, utilitzats per Hubble, el 1931, per millorar els seus primers resultats. Encara que Milton Humason va estendre el càlcul de redshifts a les galàxies més febles, per encàrrec d'Edwin Hubble, els astrònoms de mount Wilson no haurien avançat ràpidament sense els resultats pioners de Slipher. Hubble va ser plenament conscient de la importància i la prioritat de l'espectroscòpia primerenca de Slipher, però consistent amb el seu estil de reclamar el crèdit exclusiu de la majoria dels temes en què va treballar, no va voler mai subratllar aquest punt, que només reconeixeria més tard, cap al final de la seva vida.

Així va ser com, quan ja havia adquirit tota la seva fama, l'últim any de la seva vida i mirant ja retrospectivament, el mateix Hubble va reconèixer el paper extremadament important de Vesto Slipher, parlant de “les vostres velocitats i les meves distàncies'', en una carta de Hubble a Slipher, del 6 de març de 1953 [Memòries biogràfiques, vol. 52, Acadèmia Nacional de Ciències (EUA)]. Recordem que Hubble va morir el setembre d'aquell mateix any. Segons explica Marcia Bartusiak, la cosa va anar així: "El 1953, quan Hubble estava preparant una xerrada, va escriure Slipher demanant-li algunes diapositives del seu primer espectre de la nebulosa d'Andròmeda del 1912; i en aquesta carta, per fi, va donar a l'astrònom de l'observatori de Lowell el crèdit degut al seu avenç inicial. Hubble va escriure:

“Considero els primers passos com, de fet, els més importants de tots. Una vegada que el camp s'obre, altres poden seguir-lo”. 

També durant la conferència, Hubble va reconèixer que el seu descobriment “emergia d'una combinació de velocitats radials mesurada per Slipher a Flagstaff amb distàncies obtingudes a mount Wilson”. 

A més, en el seu famós llibre [E.P. Hubble, The realm of the nebulae, The Scientific Monthly 39, 193-202, 1936 (També a: Dover Pub. Inc., Nova York, EUA, 1958); https://archive.org/details/TheRealmOfTheNebulae], va repetir gairebé la mateixa sentència, quan es refereix a Slipher, dient una vegada més que: 

“...els primers passos en un nou camp són el més difícil i el més significatiu. Un cop superada la barrera, el desenvolupament és relativament senzill”. 

Totes aquestes cites són un reconeixement explícit per part de Hubble del paper pioner de Vesto Slipher en la derivació de la llei d'expansió de l’Univers. Malauradament, això va succeir massa tard, com podem testificar avui dia, en què molt poca gent sap qui va ser Slipher. 

Hubble tenia raó en el reconeixement final de la importància de la contribució d’aquest. Encara que Slipher no va calcular les distàncies a les nebuloses llunyanes, els seus resultats sobre els desplaçaments cap al roig, que va començar a obtenir el 1912, en alguns casos amb velocitats de recessió molt elevades, el portaren a ser el primer astrònom que va reconèixer que alguna cosa ben estranya, increïblement inusual, estava passant a l'Univers: com podia ser estàtic? Quan va presentar els seus resultats corresponents a quinze nebuloses en la reunió del 1914 de la Societat Astronòmica Americana, va rebre una ovació extraordinària. La comunitat d'astrònoms es va adonar immediatament que allò era l'inici d'un importantíssim descobriment. Hubble també ho va veure, i això va ser la gran inspiració que el va guiar en el seu posterior treball i el va portar a formular, de manera empírica, la famosa llei d’expansió; usant, això sí, els redshifts de Slipher, a més de les seves distàncies. 

Després d'haver examinat la literatura més rellevant sobre aquest tema, resulta prou evident que una part important del crèdit per al descobriment de l'expansió de l’Univers l’hem de donar a Vesto Slipher. Coneguts ja els resultats de la votació duta a terme entre tots els membres de la IAU, que van decidir aprovar el canvi de nom a “llei de Hubble-Lemaître” (amb un 78% de vots a favor i només un 20% en contra), crec que seria just reconèixer ara, a més, la contribució pionera de Slipher i rebatejar finalment la llei d’expansió universal com a “llei de Hubble-Lemaître-Slipher”. He dit.

Per a més informació: E. Elizalde, Reasons in favor of a Hubble-Lemaître-Slipher's (HLS) law, arXiv:1810.12416.