Los caballeros de 21 cm

¿Qué hay en la vastedad oscura que vemos entre las estrellas? Sólo las más grandes y calientes alcanzan a hacer brillar el hidrógeno que llena este abismo con su intensa radiación ultravioleta. Pero donde no vemos nada también debe haber gas, sólo que frío, oscuro e invisible.

En 1945 el astrónomo holandés Jan Oort (el de la nube de cometas) le pidió a su estudiante de doctorado Henk Van de Hulst que revisara si no podría haber alguna señal proviniendo de estos átomos fríos. Van de Hulst calculó que era posible. Esos átomos fríos se encontrarían en su nivel de mínima energía, lo que llamamos su estado fundamental. Pero resulta que hay dos configuraciones posibles, permitidas por la naturaleza cuántica de los átomos, dependiendo de una muy tenue interacción entre el electrón y el núcleo del átomo de hidrógeno. Estas dos configuraciones tienen prácticamente la misma energía, y su diferencia es tan pequeña que una transición (llamada hiperfina) entre ambas se llama además "prohibida". Es un abuso del nombre: en realidad está permitida, pero es inobservable en un laboratorio por dos razones. En primer lugar, el mejor vacío de laboratorio tiene demasiados átomos y las colisiones entre ellos perturbarían la observación de la transición hiperfina. En segundo lugar, aún cuando se pudiera mantener a los átomos imperturbados, la transición es tan improbable que jamás se la observaría. Pero en el espacio... ¡Ah! En el espacio interestelar el gas es mucho menos denso, con átomos helados y tranquilitos... ¡y además es inmenso! Aunque la densidad es bajísima, el espacio es tan vasto que la cantidad de átomos aseguraría que la transición prohibida ocurriría suficientes veces para ser observada. O tal vez no, nadie lo sabía.

Como resultado de la transición hiperfina, calculó Van de Hulst, debería observarse una radiación electromagnética de 21 cm de longitud de onda. Esto corresponde a las ondas de radio en el espectro electromagnético. En 1931 Karl Jansky había descubierto inesperadamente ondas de radio viniendo de la Vía Láctea, así que Oort y Van de Hulst conjeturaron que podría ser posible observar en radio este gas interestelar. Publicaron sus cálculos en una oscura revista holandesa, Nederlands tijdschrift voor natuurkunde, con el rarísimo título Ondas de Radio del Espacio: Origen de las Ondas de Radio. Un físico ruso, Iosif Shklovskii confirmó el cálculo con mayor detalle, y lo publicó... en ruso.

Unos años más tarde, del otro lado del Océano Atlántico, Harold Ewen estaba trabajando full time en la construcción de un nuevo ciclotrón en Harvard, usando más materiales que los que a su juicio hacían falta. El trabajo técnico no terminaba de gustarle y se interesó por la radioastronomía. Lo comentó con un destacado físico, Edward Purcell. La esposa de Purcell sabía ruso, así que le pidieron que tradujera el artículo. También consiguieron una traducción del artículo de los holandeses. Cuando los leyó, Purcell se entusiasmó y alentó a Ewen para que construyera un receptor de radio para tratar de observar el fenómeno. Era una época en que, si querias usar un radiotelescopio, tenías que construirlo...

Purcell consiguió un subsidio de 500 dólares para fabricar un radiómetro. Ewen descubrió que no alcanzaba y se lo comentó a Purcell, quien sacó la billetera y le dio 300 dólares de su bolsillo (son como 3000 dólares de hoy, pero Purcell ganaría el Premio Nobel en 1952, así que no le debe haber hecho falta). Como todavía no alcanzaba Ewen usó partes "tomadas en préstamo" de otros laboratorios. La mayor parte del equipo era "secuestrada" cada viernes a la tarde del ciclotrón usando una carretilla, y devuelta el lunes a la mañana... El receptor estaba conectado a una antena en forma de cuerno de madera terciada recubierta de cobre, montada en una ventana del Departamento de Física. Un día llovió y la antena demostró su eficacia como embudo, inundando todo el laboratorio. Le pusieron esa tapa que se ve en la foto (plegada hacia atrás) para que no volviera a pasar.

Ewen midió, y vio. Usando un método delicado de sintonización en la banda de 21 cm, inventado por él mismo y hoy usado regularmente en los radiotelescopios, logró detectar la radiación de la transición hiperfina del hidrógeno proviniendo del espacio. Aquí vemos su aspecto satisfecho.

Resultó que Van de Hulst estaba en Harvard, como profesor visitante del Observatorio. El radioastrónomo australiano Frank Kerr también estaba de visita. Ewen y Purcell los convocaron, les contaron sus resultados, y los urgieron a confirmarlos en sus propios laboratorios. Van de Hulst les contó que hacía años que lo estaban intentando, pero sin éxito. En un ejemplo de caballerosidad que sería inimaginable hoy en día, Ewen les explicó su método de detección. No sólo eso, sino que Purcell insistió en que demorarían la publicación de sus observaciones hasta que los holandeses y los australianos confirmaran los resultados. Los tres trabajos se publicaron en conjunto en la revista Nature, en septiembre de 1951.

La detección de la línea de 21 cm (1420 MHz) revolucionó la naciente radioastronomía. Las regiones de hidrógeno frío (10 a 100 K, reíte de Frozen) no emiten nada de luz visible, pero están por todos lados en la galaxia. En poco tiempo permitieron, por ejemplo, mapear la estructura de brazos espirales de la Vía Láctea. Un programa que no ha terminado, hay que decir. Véase el gráfico de aquí al lado. Lo tomé de un artículo de enero de este año, y  muestra la posición de unas nuevas nubes de hidrógeno (círculos celestes) que parecen prolongar uno de los brazos de la galaxia mucho más allá de lo conocido (rombos celestes, resultados del 2011). ¿Tal vez la Vía Láctea es una galaxia grand design, sólo que de adentro es difícil verlo?

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Hace poco leí esta historia en Life and death of stars, de Kenneth Lang, y me encantó. La línea del hidrógeno de 21 cm (1420 MHz) alcanzó cierta fama más allá del ámbito académico de la radioastronomía por su potencial para comunicarse con civilizaciones extraterrestres. Las placas conmemorativas a bordo de las Pioneer y las Voyager también usan esta frecuencia como escalas de tiempo y de longitud en sus mensajes.

El gráfico de la Vía Láctea y las nuevas nubes de hidrógeno atómico está tomado de A Possible Extension of the Scutum-Centaurus Arm into the Outer Second Quadrant, Yan Sun et al. (2015) ApJ 798 L27.