Previously on «cien años de curiosidad»:

La teoría de la relatividad general había logrado salvar la incongruencia entre la relatividad especial y la gravedad newtoniana y, de paso, había pronosticado la existencia de las ondas gravitacionales. El propio Einstein creyó toda su vida que sus señales serían demasiado débiles para ser detectadas, sin embargo, el empeño científico por lograrlo nunca cesó.

Esta es la historia de cómo una predicción teórica se ha transformado (gracias a la tenacidad de varias generaciones de físicos) en una nueva herramienta para observar el cosmos.

 

Capítulo cinco: hombrecitos verdes

La historia de la ciencia está plagada de casos de discriminación por razones de género, y el descubrimiento del que ahora voy a hablar es uno de ellos.

En 1967, Jocelyn Bell era una estudiante de doctorado de la Universidad de Cambridge. Su especialidad era la radioastronomía: una rama de la astrofísica que había surgido en los treinta, pero que no se había desarrollado hasta pasada la Segunda Guerra Mundial.

El 28 de noviembre de ese año, Bell detectó una extraña señal proveniente de la constelación de Vulpecula.

Se trataba de una emisión de radio repetida a intervalos regulares: 1,33730113 segundos.

De inmediato informó de su descubrimiento a su director de tesis, Antony Hewish, que corroboró sus observaciones y empezó a especular (junto a ella) sobre su posible procedencia.

Dada la intensidad de la señal y la exactitud de su período, barajaron que pudiera tratarse del mensaje de una civilización extraterrestre. Por ese motivo, el primer nombre que le dieron fue LGM (Little Green Men).

Claro que, por muy atractiva que sea una hipótesis, la misión de un científico es demostrarla, así que empezaron por buscar más señales con las mismas características. ¿Por qué? Porque todo fenómeno que se repite con frecuencia suele ser de origen natural.

Un mes después de la primera detección (revisando registros anteriores del radiotelescopio), Bell descubrió una señal similar en otra parte del cielo. Lo que ocurrió a continuación lo describe ella misma en un excelente documental de la BBC:

«Esa parte del cielo pasaba por el telescopio a las dos o tres de la mañana. Era el 21 de diciembre. Hacía un frío de muerte.

Entonces cambié la grabadora a alta velocidad y apareció el “blip… blip… blip… blip”. Claramente de la misma familia; el mismo tipo de material.

Y eso fue magnífico, fue realmente agradable… Eso finalmente descartaba la hipótesis de los hombrecitos verdes, ya que es altamente improbable que haya dos grupos de hombrecitos verdes en lados opuestos del universo decidiendo llamar a un poco visible planeta Tierra al mismo tiempo, usando una técnica tonta, en una frecuencia común de radio.

Esto tenía que ser un nuevo tipo de estrella nunca antes vista».

A este «nuevo tipo de estrella» se lo denominó «púlsar», contracción de «pulsating radio star» (el nombre lo sugirió un periodista), y el artículo que lo dio a conocer se tituló «Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source» (algo así como: «Observación de una fuente de radio de pulso rápido»).

Sus autores fueron Hewish (su director de tesis), en primer lugar, en segundo la propia Bell (que al fin y al cabo era quien lo había descubierto), y luego otras tres personas.

Esto es algo relativamente común, en el caso de los doctorandos. Lo que ya no es tan común es que, en 1974, cuando el descubrimiento de los púlsares fue galardonado con el Premio Nobel de física, el único que recibiera la distinción fuera Antony Hewish.

La excusa del comité para no entregárselo (también) a Joselyn Bell fue que, al momento de realizar el descubrimiento, era una estudiante bajo la tutoría de Hewish… Como imaginarás, la decisión propició una acalorada (y justificada) polémica. Debido a eso, antes de terminar este apartado quiero rebatir cierto argumento que pulula por la red.

Antony Hewish no fue el único en recibir el Premio Nobel de física de 1974; compartió el galardón con su colega de Cambridge, Sir Martin Ryle. Por ese motivo, en muchas páginas puede leerse que la razón por la que se les concedió el premio fue su trabajo pionero en el campo de la radioastronomía y no (tanto) sus descubrimientos concretos.

Como siempre, la mejor forma de salir de dudas es recurrir a las fuentes. Y en la página oficial del Premio Nobel se transcribe, entrecomillada, la justificación del jurado para otorgarles el galardón:

«Por su investigación pionera en radio astrofísica: Ryle, por sus observaciones e inventos, en particular por la técnica de síntesis de apertura, y Hewish, por su rol decisivo en el descubrimiento de los púlsares».

Si la justificación fue su «rol decisivo», está claro que el rol de Jocelyn Bell lo fue bastante más. Lamentablemente, intuyo que la razón principal por la que Jocelyn no recibió el premio Nobel fue que no se llamara Joseph.

Jocelyn Bell
Jocelyn Bell, poco después de haber descubierto el primer púlsar.

 

Capítulo seis: 1,33730113 segundos de oscuridad

Pero volvamos a los púlsares. ¿Qué son exactamente?

Para responder esa pregunta, debo comenzar por las investigaciones que Fritz Zwicky (del que ya hablé al referirme a la materia oscura) y Walter Baade realizaron en la década del treinta sobre estrellas de neutrones.

Su trabajo sugería que, tras la explosión de ciertos tipos de supernova, los restos de materia de la estrella entrarían en un colapso gravitatorio que solo sería frenado por la fuerza de repulsión de los núcleos atómicos. (En especial, por la presión de degeneración de los neutrones, de ahí su nombre). Sin embargo, a finales de los sesenta su existencia aún no había sido confirmada.

El resultado es un objeto que contiene hasta cinco masas solares en un radio que varía entre los 10 y los 15 km. Como supondrás, su densidad es abrumadora. Todavía recuerdo el símil dado por Carl Sagan en Cosmos: una cucharadita de té de su masa pesa lo mismo que una montaña.

Algunas estrellas de neutrones rotan a gran velocidad lo que genera, a su vez, intensísimos campos magnéticos. Y esos campos, sumados a su densidad (léase, atracción gravitatoria) producen un efecto muy interesante.

Las estrellas de neutrones son una especie de aspiradoras de gas y polvo interestelar, pero una vez que dichas partículas son atraídas hacia una de ellas, su campo magnético las acelera en espiral hacia sus polos, donde son «expulsadas» nuevamente en forma de rayos gamma, rayos X y ondas de radio. De este modo, los polos magnéticos de la estrella de neutrones actúan como «cañones» de radiación de sincrotrón apuntando en direcciones contrarias.

Y aquí viene lo más interesante: en muchos casos, los polos magnéticos de las estrellas de neutrones no coinciden con sus ejes de rotación… De hecho, están muy desplazados. Y dado que estos «cañones» giran a la par que la estrella, su haz de sincrotrón también rota, como si fuese la luz de un faro. Es más, al igual que la luz de un faro, su emisión es muy intensa y su período muy preciso…

Exactamente las mismas características que Jocelyn Bell y Antony Hewish habían detectado en los púlsares.

Así, de un modo curioso, la explicación del fenómeno de los púlsares demostró, al mismo tiempo, la existencia del tipo de estrellas que lo explicaba.

Púlsar
Púlsar detectado en la nebulosa del cangrejo. Fuente: NASA.

 

Capítulo siete: El púlsar que atrasaba

En 1974, Russell Hulse era un estudiante de doctorado de la Universidad de Massachusetts en Amherst. Su especialidad era la radioastronomía y el tema de su tesis, la búsqueda de «al menos un ejemplo de púlsar en un sistema binario». (Es decir, en un sistema de dos estrellas —ya sean, en su caso, ambas de neutrones o una de neutrones y otra de otro tipo— que orbitan en torno a un centro de masas común).

Lo cierto es que, dado que el estudio se estaba realizando desde el radiotelescopio de Arecibo (el más grande que existía en aquellos momentos) y que disponía de un algoritmo de búsqueda computarizada de última generación, sus posibilidades eran bastante altas. La sensibilidad de detección de sus instrumentos superaba en más de diez veces la alcanzada en cualquier búsqueda anterior.

El 2 de julio de ese año, Hulse detectó un púlsar con un período de 59 milisegundos. (El segundo más rápido hasta la fecha tras el detectado en la nebulosa del Cangrejo, de 33 ms).

Durante un par de meses, Hulse estudió en detalle el período del pulsar, pero sus primeros resultados no parecieron cuadrar. Su método consistía en tomar muestras cortas, separadas en el tiempo, y luego compararlas.

Una vez realizadas las correcciones necesarias, descubrió que los períodos diferían, de un día para otro, en valores que superaban los 80 milisegundos.

Esto, en principio, no tenía sentido: los púlsares son los «relojes» más precisos inventados por la naturaleza.

Hulse tardó varias semanas en comprender qué ocurría. Descubrió que dichas variaciones se repetían cíclicamente a lo largo de un período de alrededor de ocho horas… lo que podía deberse a que el púlsar se estuviera trasladando en su órbita dentro de un sistema binario. (Precisamente lo que buscaba). Así que llamó de inmediato a su director de tesis, Joe Taylor, quien voló a Arecibo a revisar sus conclusiones.

Taylor trajo consigo un hardware especial (para reducir la dispersión de datos) que les permitió realizar un estudio más preciso de las variaciones aparentes de período; lo cual, además de confirmar la teoría de Hulse, les permitió determinar con precisión la «curva de velocidad» del púlsar en sus distintas fases orbitales.

En un mes tuvieron listo el artículo que dio a conocer su descubrimiento, «Discovery of a pulsar in a binary system» («Descubrimiento de un púlsar en un sistema binario»), publicado en enero de 1975.

Sus autores fueron Russell Hulse (quien lo había descubierto), en primer lugar, y en segundo Joe Taylor (su director de tesis).

Gracias a dicho artículo, ambos recibieron el Premio Nobel de física en 1993.

La justificación del jurado para otorgarles el galardón fue la siguiente:

«Por su descubrimiento de un nuevo tipo de púlsares, un descubrimiento que ha abierto nuevas posibilidades para el estudio de la gravitación».

Al parecer, en esta ocasión el comité de los Nobel no tuvo reparos en otorgarle el premio a un doctorando.

Observatorio de Arecibo
Observatorio de Arecibo, Puerto Rico.

 

Capítulo ocho: la sombra de la gravedad

La consecuencia más espectacular del descubrimiento de un púlsar binario fue, sin lugar a dudas, la obtención de evidencia experimental de la existencia de las ondas gravitacionales. Pero fue una evidencia indirecta. De lo que se obtuvo evidencia directa fue de la emisión de radiación gravitacional en un sistema binario.

Pero vayamos paso a paso.

La radiación gravitacional es un tipo de energía producida por la aceleración de cualquier cuerpo masivo. Las ondas gravitacionales transportan la radiación gravitacional del mismo modo que las ondas electromagnéticas transportan la radiación electromagnética, por lo tanto, la detección de radiación gravitacional es una prueba indirecta de la existencia de ondas gravitacionales.

Ahora bien, ¿por qué el descubrimiento de un púlsar binario permitió demostrar la existencia de la radiación gravitacional? Porque, como te comentaba un poco más arriba, las estrellas de neutrones son sumamente masivas, lo que significa que al ser aceleradas su radiación gravitacional será muy intensa… o al menos lo suficientemente intensa como para ser detectada.

Lo interesante es que ni siquiera su detección fue directa.

Dado que Hulse y Taylor disponían de todos los datos del púlsar del sistema binario, empleando las ecuaciones de las ondas gravitacionales (derivadas de la teoría de la relatividad general) pudieron calcular la cantidad de radiación gravitacional emitida por la misma.

El problema era que la radiación, en sí misma, no podía ser detectada. Lo que podían detectar era el efecto de dicha radiación.

¿Y cuál era ese efecto? La reducción del período orbital debido a la pérdida de radiación gravitacional.

Conociendo la radiación gravitacional emitida, la reducción del período orbital podía ser calculada empleando la teoría de la relatividad general. Así que calcularon la curva de reducción y la compararon con los datos obtenidos a lo largo de los años… y ambas gráficas coincidieron a la perfección.

De un modo indirecto, habían obtenido evidencia experimental de que la radiación gravitacional existía, lo que a su vez sugería la existencia de las ondas gravitacionales.

Sin embargo, para obtener evidencia directa de dichas ondas habrían de pasar otros cuarenta años…

Russell Hulse, descubridor del primer púlsar en un sistema binario
Russell Hulse, poco después de haber descubierto el primer púlsar perteneciente a un sistema binario.

 

Capítulo nueve: los problemas de escribir con brújula

No hay saga que se precie que no termine llevando más entregas de las previstas en principio. Es lo que tiene escribir con brújula, que uno se deja llevar por las historias y los personajes piden espacio.

Te prometo que «cien años de curiosidad» no va necesitar siete entregas. En un arranque de originalidad editorial, va a quedarse en trilogía.

Así que ya sabes, en el próximo artículo te esperan experimentos en la Antártida, y túneles subterráneos… y cuando todo parezca perdido, el apoteósico final de esta historia.

To be continued…

cliffhanger 2

 

 

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