La luz de Vavilov

En su vuelo alrededor de la Luna, los astronautas de Artemis II pudieron observar y fotografiar paisajes sorprendentes del lado lejano. No desconocidos, claro está, ya que conocemos la Luna con extraordinario detalle gracias que la sobrevuelan satélites que la escudriñan en todo detalle. Pero sí sorprendentes por la falta de familiaridad, ya que no los vemos a través del telescopio.  

Esta foto, por ejemplo, muestra una notable cuenca de impacto, formada por varios anillos concéntricos. Mide más de 500 km de diámetro, y es más grande que varios mares lunares de la cara visible, pero sin embargo el impacto que la formó no alcanzó a fundir la corteza e inundar la cuenca con basalto oscuro, que es la característica que define a los mares. Así que es "apenas" un cráter, llamado Hertzsprung en homenaje al descubridor de la relación entre el brillo y el color de las estrellas, que a principios del siglo XX se convirtió en la clave para el nacimiento de la astrofísica. 

Superpuestas a Hertzsprung hay un par de cosas notables. Por un lado, vemos largas cadenas de cratercitos de tamaños muy parejos. Son parte del gran sistema de rayos de material eyectado por el impacto que formó el Mare Orientale, que se encuentra a unos 1000 km hacia el sudeste. La segunda es un gran crater que vemos justo en el terminador, la línea que separa el día de la noche.

Este es el crater Vavilov, mucho menor y más joven que Hertzsprung, pero que también tiene su propio sistema de rayos (que no se aprecian con el Sol tan bajo como en esta ocasión). La estructura de Vavilov está muy bien conservada, sin cráteres más recientes superpuestos. El perímetro es bien circular, y desde su cima descienden terrazas y acantilados hasta un fondo plano, donde hay un macizo central con varios picos. 

Ya alejándose, hicieron esta foto también notable, donde podemos apreciar la oscuridad del suelo lunar (que refleja apenas el 8% de la luaz solar) comparada con el brillo de la Tierra (que refleja el 31%). Hertzprung y Vavilov se ven en el centro, cruzados por los rayos que vienen de Orientale.

¿A quien celebra este crater tan lindo? Sergei Vavilov fue un físico ruso, que en la década de 1920 se especializó en fenómenos luminosos en líquidos, haciendo experimentos que exploraban la naturaleza cuántica de la luz, en los primeros años de la física cuántica. En 1933 le propuso un experimento a un estudiante llamado Pavel Cherenkov: medir el efecto de la radiación gamma en una solución de sales de uranio. Pasándose horas en total oscuridad, Cherenkov se encontró con una luminiscencia azul, que aparecía incluso sin las sales de uranio. Al principio trató de eliminarla, porque le enmascaraban lo que quería medir. Frustrado, se lo mostró a Vavilov, quien en seguida se dio cuenta de que no era un ruido de fondo: era el sueño de cualquier estudiante de doctorado, era el descubrimiento de un nuevo fenómeno de la naturaleza. Vavilov publicó la primera explicación, que luego fue mejorada. La radiación gamma arranca electrones de sus átomos, con tanta energía que se mueven más rápido que la luz. (En el agua, la luz se mueve a 225 mil km/s, no a 300 mil, que es el límite absoluto de velocidad.) Esta perturbación violenta del campo electromagnético produce una onda de choque, que se expande como una luz azul. Hoy en día, el mejor lugar para observarlo es en un reactor nuclear en marcha, como el RA6 en el Instituto Balseiro. Al  fondo de un tanque de 10 metros de agua se puede ver el núcleo del reactor, donde ocurren las reacciones nucleares, del cual parece salir una luz fantasmal que no tiene parangón en la naturaleza. Sólo los que la hemos visto con nuestros propios ojos lo sabemos. 

En 1958, Cherenkov recibió el Premio Nobel de Física. Vavilov había muerto en 1951, antes de cumplir 60 años, y se lo perdió. En Occidente llamamos a este efecto luz de Cherenkov, pero en Rusia, hasta hoy en día, le dicen luz de Vavilov-Cherenkov.

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Las fotos de la Luna son de NASA/Artemis. La del reactor nuclear es mía, obvio. 

Hertzsprung tiene más anillos que los que vemos a simple vista. Mediciones de la intensidad de la gravedad, tomadas por el satélite GRAIL, muestran este notable mapa:

Explorando el universo oscuro

Ya he mencionado que estamos en una era de grandes surveys, como el del telescopio Vera Rubin. Desde hace un par de años está en operaciones el telescopio espacial Euclid, de la Agencia Espacial Europea, que es tan extraordinario que si no tiene más espacio en los canales de prensa, debe ser porque la oficina de comunicaciones de la ESA es mucho peor que la de la NASA. 

Cualquier telescopio, diría cualquier instrumento científico, tiene compromisos en su diseño. En el caso de los telescopios, suelen competir la resolución de la imagen con el tamaño del campo, el pedazo de cielo que pueden capturar. Los telescopios Hubble y Webb, por ejemplo, producen imágenes de extraordinaria resolución espacial, pero ven un pedacito minúsculo del cielo. Rubin, así como el telescopio espacial Roman que está pronto a ser terminado, en cambio, tienen campos visuales amplios. Pero Euclid fue el primero. Sus imágenes cubren más de medio grado cuadrado de cielo (miles de veces mayor que las del Hubble), y además está en el punto de Lagrange L2 (donde está el Webb) de manera que la Tierra no obstruye su visión (como en el caso del Hubble). Desde allí, Euclid envía 100 GB de datos cada día. La foto que puse arriba muestra el cúmulo de galaxias de Perseo íntegro, en una sola toma de unos 70 minutos, mostrando más de 1000 galaxias miembros del cúmulo, más unas 100 mil adicionales detrás, muchas de ellas desconocidas previamente. Una imagen similar del Hubble habría requerido meses de observación continua. La imagen original tiene 8000×8000 píxels. Les pongo un recortecito mínimo para que se vean los detalles:

Euclid fue diseñado de esta manera para observar la maraña cósmica, de la que nos ocupamos recientemente, que es la estructura del universo a gran escala, y caracterizarla desde el universo cercano hasta redshift z = 2 (unos 10 mil millones de años atrás). Para hacerlo, Euclid no se interesa en cada galaxia individual, sino que pretende observar, con su campo visual amplio, el efecto de lente gravitacional de grandes grupos de galaxias. La materia de estas galaxias (la materia normal, pero especialmente la oscura) tuercen la luz que viene de atrás, de una manera característica que permite inferir la distribución tridimensional de materia en el universo, así como su movimiento (tanto peculiar como debido a la expansión del universo). Durante sus años de operación, Euclid va a cubrir un 35% de todo el cielo, más o menos como el survey DESI que comentamos hace poco. Durante la campaña, va a observar unas 10 mil millones de galaxias individuales, cada una en al menos 7 filtros de luz visible o infrarroja. Una cosa única y extraordinaria, que va a ser una pieza clave en nuestra comprensión del universo en las próximas décadas. 

Más de una vez hemos contado que estos grandes surveys producen tantos datos que ningún astrónomo individual puede con ellos. Cada vez más, los astrónomos están recurriendo a sistemas de inteligencia artificial para analizarlos, pero en el caso de Euclid, además, están reclutando voluntarios humanos. Han creado un programa en el sistema Zooniverse de ciudadanos científicos, llamado Space Warps, para que los entusiastas participantes ayuden a descubrir casos de "lente gravitacional intensa", como éste:

Esto es una galaxia, detrás de otra galaxia. ¡Reíte de los "planetas alineados"! No sé por qué, pero parece que por ahora los humanos son mejores que las máquinas para hacer esto. El año pasado los voluntarios descubrieron 500 de estas galaxias en apenas el primer 0.04% de datos de Euclid. Fíjense este caso, por ejemplo. Es una galaxia enorme, con un núcleo muy brillante, pero si se fijan con cuidado verán que apretadito alrededor de él hay un anillo (un "anillo de Einstein") de luz distorsionada por acción gravitacional. 

Si les interesa participar, pueden unirse al equipo de Space Warps.

 

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Todas las imágenes son de ESA/Euclid. 

El universo en una pelota de fútbol

Hace 100 años, Edwin Hubble y su compinche el mulero Milton Humason, descubrieron que el universo se estaba expandiendo. Las implicaciones de este hallazgo fueron vastas y extraordinarias para la ciencia. Entre otras cosas, las ecuaciones de la Relatividad General preveían esa posibilidad, de manera que los físicos finalmente podían escribir una "ecuación de movimiento del universo", algo con lo que habían soñado durante siglos. 

Como el universo se está expandiendo, entonces en el pasado era más chico. Y, en el pasado remoto, mucho más chico, muy denso y caliente. Ese estado, a partir del cual se expandió el universo, se conoce popularmente como Big Bang, aunque naturalmente no se trata de una explosión. En una época temprana, muy caliente, el universo estuvo lleno de materia en forma de plasma y radiación de cuerpo negro (como si fuera el interior de una estrella). Al expandirse y enfriarse, en algún momento la temperatura bajó lo suficiente como para permitir la formación de átomos neutros, un evento que los cosmólogos llaman “recombinación” (no sé por qué re-). La radiación que llenaba el universo en ese momento empezó a viajar libremente y sigue existiendo, y hoy la observamos como un resplandor de microondas que llega uniformemente de todas partes del cielo.

Cuando uno piensa en ese universo primigenio, naturalmente, imagina que era mucho más chiquito que el actual. Sorprendentemente, en el momento de la emisión del fondo cósmico de microondas, no era taaaan chiquito. El fondo cósmico de microondas corresponde a una temperatura de unos 3 K (kelvins, no digan "grados kelvin"). Cuando se emitió, estaba a la temperatura de la superficie de una estrella, ponele 3000 K. Las longitudes de onda correspondientes son inversamente proporcionales a la temperatura (algo que se llama ley de Wien). O sea que la longitud de onda se estiró un factor 3000 ÷ 3 = 1000. Es decir, el universo era 1000 veces más chico. Si hoy es una esfera de 46 mil millones de años luz de radio, al terminar el Big Bang caliente tenía un radio 1000 veces más chico, o sea 46 millones de años luz. Todo el universo entraba de acá al cúmulo de Virgo. Chico, pero no tan chico. Pero antes, seguro, era todavía más chico. ¡En algún momento debe haber tenido el tamaño de una pelota de fútbol!  

¿En qué momento el universo tuvo el tamaño de mi globo del fondo cósmico del microondas, que es como una pelota de fútbol? El factor de escala, en este caso, es muchísimo más pequeño. Podemos calcularlo, y es:

22 cm ÷ 90 G años luz = 2 × 10^-28

o sea que el universo era 500 000 000 000 000 000 000 000 000 de veces más pequeño que ahora. (Quinientos cuatrillones castellanos, por si quieren pronunciarlo, pero en palabras no dice más que el número.)

Ese sí es un universo muy chiquito, y por lo tanto muy temprano. ¿Cuándo fue? Para un tiempo tan temprano, los detalles dependen del modelo cosmológico que se use para hacer el cálculo, pero nos da más o menos unos

0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 1 segundos,

así que estamos en plena era de la inflación cósmica. ¿Y acaso no somos los campeones de la inflación, eh? 

¡Muchaaaachos! 

 

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La última imagen es una composición que incluye las galaxias del cúmulo de Virgo con un verdadero par de galaxias que han chocado (Arp 147), y que dibujan un 10 en la constelación de la Ballena.

El mulero

En mi caminata diaria por el campus del Balseiro me crucé con este magnífico animal, de la tropilla de mulas de nuestros vecinos de la Escuela Militar de Montaña, y me acordé de Milton Humason, de quien tenía ganas de comentar algo. No porque fuera burro o tramposo, nada de eso.

Humason nació en Dodge Center, Minnesota, un pueblito rural del Medio Oeste de Estados Unidos, cerca del río Mississippi. Hoy en día, el pueblo tiene menos de 3000 habitantes. Cuando nació Milton, en 1891, serían unos cientos. Gogléenlo, todavía hoy parece el pueblo de los Ingalls. Fue a la escuela (como las chicas Ingalls), pero a los 14 se pasó un verano acampando en las montañas de California, y le gustó tanto que nunca volvió, ni a su casa ni a la escuela. Trabajó en lo que fue consiguiendo, y un día lo tomaron como mulero de carga para la construcción del Observatorio de Monte Wilson, que eventualmente albergaría el mejor telescopio del mundo. 

Humason se interesó por lo que estaban construyendo, y aunque no conocemos detalles, es fácil imaginarlo charlando con los astrónomos para averiguar qué era ese edificio redondo en la cima de una montaña. Cuando se inauguró el Observatorio, consiguió trabajo de ordenanza. Sus jefes no tardaron en notar el talento del muchacho y el Director, el legendario George Hale, lo convirtió en "asistente nocturno", un trabajo técnico que le permitió familiarizarse con los equipos ópticos. Era algo sin precedentes, ya que Humason no tenía un título de nada, ¡ni siquiera había terminado el primer año de la secundaria! Pero Hale tenía buen ojo: Humason era cuidadoso y dedicado en el manejo de los instrumentos, y pronto le permitieron llevar adelante sus propios proyectos de observación. Cuando se inauguró el gran telescopio Hooker, de 100 pulgadas, que sería durante décadas el mejor y más grande del mundo, Humason aprendió a usarlo como nadie.

Bueno, como nadie no. En 1919 se presentó a las puertas del Observatorio, todavía vestido con el uniforme del 343 de Infantería, el Mayor Edwin Hubble, apenas regresado de la Primera Guerra Mundial. Un par de años antes, cuando defendió su tesis doctoral en Chicago, Hale le había ofrecido trabajo como especialista en fotografía de las misteriosas nebulosas espirales. Hubble lo había rechazado para ir a la guerra, pero apenas volvió de Francia se fue a California, donde Hale lo recibió con los brazos abiertos. 

Hubble pronto demostró que las nebulosas eran galaxias como la Vía Láctea, y que se encontraban a enormes distancias. Obviamente se volvió necesario medir sus propiedades, para lo cual se diseñaron equipos especiales, cámaras y espectrógrafos, para hacer exposiciones largas (¡a veces de más de una noche!), guiadas a mano con microscopios especiales. Debido a su talento instrumental, le encargaron a Humason la mayor parte de las observaciones, y así se convirtió en el asistente de Hubble, y luego en su amigo y colega. Se atribuye a Hubble el descubrimiento de la expansión del universo, mediante la observación del corrimiento al rojo de las líneas espectrales de las que empezaron a llamar galaxias. Pero casi todas las observaciones las hizo Humason (como reconoce Hubble en su libro The realm of the nebulae), y están publicadas por él mismo. Hasta su jubilación en 1957, Humason midió las velocidades de 620 galaxias, varias de ellas más de una vez. 

A mediados de 1928, Hubble publicó los resultados y las conclusiones de su análisis. Fue una revolución no sólo en astronomía, sino en cosmología, ya que un universo en expansión encajaba perfectamente en la Teoría de la Relatividad General, tal como varios físicos estaban señalando, incluso en contra de lo que opinaba Einstein. Rendido ante la evidencia, Einstein los visitó en Mt. Wilson, donde llamó a su intento de obtener soluciones estáticas del universo "el peor error de su vida". Acá lo vemos con Hubble (el de atrás, como siempre con la pipa en la mano) y Walter Adams (otro gran espectroscopista de Mt. Wilson, a la derecha), en una foto probablemente posada (y modernamente intervenida).

Debido al mérito de su trabajo, Humason fue promovido al rango de Astrónomo Asistente, y luego al de Astrónomo. En 1950 recibió un Doctorado Honoris Causa de la Universidad de Lund, en Suecia. Un capo, el mulero. Miren esta otra foto de la visita, con Humason a la izquierda, junto a Hubble. El único que parece sonreir es Michelson (el del experimento crucial que dio lugar a la Relatividad).

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Michelson instaló un interferómetro en el telescopio Hooker, que le permitió medir, por primera vez, el tamaño de una estrella: la supergigante Betelgeuse.