Uno de los logros científicos más perdurables del telescopio espacial Hubble es la imagen del Campo Profundo del Hubble, que reveló una estructura del cosmos mucho más rica y compleja de lo que nunca se había imaginado. La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) celebra esta semana el avance que permitió el Campo Profundo y sus posteriores resultados científicos.
El Campo Profundo del Hubble se tomó durante 10 días consecutivos entre el 18 y el 28 de diciembre de 1995. Consiste en 342 exposiciones separadas tomadas a lo largo de más de 140 horas por la Cámara Planetaria y de Campo Ancho 2 (WFPC2), todas ellas en una pequeña región de la constelación de la Osa Mayor (de la que forma parte la Osa Mayor). Mirando a través de los telescopios de la superficie de la Tierra, ésta es una de las zonas más desprovistas de rasgos del cielo nocturno, con casi nada de polvo de la Vía Láctea y sólo un puñado de estrellas. La zona observada abarca una ínfima parte entre 24 millones del cielo total.
En aquel momento, los astrónomos no tenían claro qué se iba a ver realmente. Hubo muchos, como el astrofísico John Bahcall, que argumentó en un artículo de la revista Science que el Hubble no sería mejor que los instrumentos terrestres para observar las galaxias lejanas. Esta posición se reforzó inmediatamente después del lanzamiento del Hubble en 1990, cuando las primeras imágenes mostraron que el telescopio tenía un defecto óptico que ponía en peligro todo el proyecto. Sólo después de que se corrigiera la óptica durante la primera misión de mantenimiento del Hubble, llevada a cabo por astronautas en órbita por el transbordador espacial Endeavour, el telescopio empezó a producir imágenes más nítidas que las que se podían obtener desde tierra.
Inmediatamente después de la reparación, la NASA y el Instituto Científico del Telescopio Espacial, que es el centro de operaciones científicas del Hubble, utilizaron el telescopio espacial para realizar un estudio del Campo Mediano Profundo con el fin de aprovechar las capacidades de imagen mejoradas. Durante esta campaña, la WFPC2 tomó imágenes de campos aleatorios mientras otros instrumentos realizaban observaciones programadas. Las imágenes más intrigantes revelaron indicios de objetos que parecían estar mucho más lejos que los objetivos reales del Hubble y que se encontraban en zonas de cielo oscuro.
Para hacer un seguimiento, Robert Williams, el director de operaciones del Hubble, decidió utilizar lo que se conoce como tiempo discrecional del director para realizar una exposición mucho más larga, para escudriñar más sistemáticamente en la aparente oscuridad. Durante 10 días, el Hubble fue dirigido a mirar fijamente esta parte del cielo, en gran parte inobservada y anteriormente considerada poco interesante.
Los resultados fueron espectaculares. El primer campo profundo del Hubble se presentó en una reunión de la Sociedad Astronómica Americana en enero de 1996. 'Todos nos quedamos atónitos', señaló un astrónomo presente en la reunión. Las imágenes mostraban casi 3.000 galaxias distintas de todas las formas y tamaños, algunas de las cuales eran 4.000 millones de veces más débiles de lo que puede ver el ojo humano. La imagen dejaba claro que el Universo no está vacío en las zonas donde los telescopios terrestres veían entonces muy poco, sino que está repleto de galaxias y otras estructuras cósmicas en todas las direcciones.
Se comprendió que, a través de estas imágenes, el Hubble no sólo sondeaba el espacio, sino también el tiempo. Incluso la luz, que es más de 1,3 millones de veces más rápida que el avión de pasajeros, puede tardar millones o incluso miles de millones de años en atravesar las enormes distancias entre las galaxias y los cúmulos galácticos. Observar objetos tan lejanos significa que los estamos viendo cómo eran hace millones y miles de millones de años, tiempos que constituyen puntos nodales definitivos en la historia del Universo.
El campo de la cosmología observacional se revolucionó cuando los astrónomos asimilaron estos conocimientos. Aunque se habían observado objetos muy brillantes y compactos, conocidos como cuásares, a grandes distancias ('a altos corrimientos al rojo' en la jerga astronómica), antes del Campo Profundo del Hubble se conocían pocas galaxias tan lejanas. Por primera vez, los astrónomos observaron directamente galaxias de hace 12.000 millones de años, sólo unos mil millones de años después del Big Bang.
El gran número de galaxias en las imágenes del campo profundo también ayudó a confirmar la evolución de las tasas de formación estelar a lo largo de la historia del Universo. Los datos muestran que esta tasa alcanzó un máximo hace 8.000-10.000 millones de años, y que ha disminuido en un orden de magnitud desde entonces, en gran medida producto de la disminución de la densidad del Universo y de la menor frecuencia de las fusiones galácticas, que desencadenan episodios de formación estelar.
Con el éxito de la imagen original del Campo Profundo, se llevaron a cabo numerosas observaciones adicionales. Entre ellas se encuentran el Hubble Deep Field South (1998), el Hubble Ultra Deep Field (2004), el Hubble Deep Field-Infrared (2009) y el Hubble eXtreme Deep Field (2012). En cada uno de ellos se han obtenido imágenes de miles de galaxias, lo que ha confirmado una vez más que las galaxias están en todas partes y ha permitido profundizar en la estructura del cosmos.
A partir de 2013 y hasta 2017, se inició una nueva campaña en la que se combinaron las capacidades de observación del Hubble y sus grandes observatorios hermanos, el telescopio Spitzer y el observatorio de rayos X Chandra, en el proyecto Frontier Fields. La extensa campaña dio como resultado 12 nuevas imágenes de campo profundo que detallaban los confines del Universo en todo el espectro electromagnético --visible, infrarrojo, ultravioleta y rayos X--, proporcionando conocimientos que cada uno de los telescopios por separado nunca habría podido alcanzar.
Una de las observaciones más significativas fue la del cúmulo galáctico Abell 370, que se observó por primera vez en la década de 1980 que actuaba como lente gravitacional. La lente gravitacional es una predicción de la relatividad general según la cual el camino que recorre la luz se dobla por la gravedad de un objeto masivo, como una estrella o una galaxia. Cuando todo un cúmulo galáctico actúa como una lente, como en el caso de Abell 370, se convierte en un telescopio a escala cósmica que amplía y aclara los objetos que hay detrás de él de una forma que supera la capacidad de imagen de los mejores telescopios, una propiedad utilizada con gran efecto por Hubble, Spitzer y Chandra.
Los experimentos de campo profundo tienen también un interesante aspecto social. La cantidad de datos recogidos en cada uno de ellos hizo necesaria una colaboración mucho más amplia de los astrónomos que nunca antes se había concebido para procesar y comprender la física que contienen, tanto a nivel nacional como internacional. Además, el desarrollo de Internet ha permitido la creación de conjuntos de datos públicos y abiertos, lo que ha permitido que la clase trabajadora en general se involucre en cuestiones profundas de astronomía y cosmología de una manera que había sido imposible antes de la década de 1990.
La importante inversión de tiempo de telescopio y de conocimientos científicos para generar campos profundos los convierte en hitos poco frecuentes, pero son absolutamente fundamentales para nuestra comprensión del Universo. Se están llevando a cabo muchas otras observaciones para cartografiar galaxias lejanas y situarlas dentro de estructuras más amplias, como los Sloan Digital Sky Surveys, que elaboran mapas tridimensionales detallados del Universo a escalas de cúmulos galácticos y mayores. A través de los campos profundos, la humanidad ve tanto el espacio como el tiempo, reconstruyendo la historia de las estrellas y nuestro lugar en el desarrollo cósmico.
(Artículo publicado originalmente en inglés el 4 de agosto de 2021)