Protocluster

La materia del universo, en la era estelífera en que vivimos, está organizada en estrellas (como el Sol), galaxias (que son sistemas de estrellas), cúmulos de galaxias (que son sistemas de galaxias), y supercúmulos (que son sistemas de cúmulos de galaxias). No hay estructuras más grandes, no hay "cúmulos de supercúmulos". La jerarquía se detiene allí, y llena el universo formando una especie de espuma, con grandes vacíos entre los supercúmulos y filamentos que los conectan. ¿Cómo llegó el universo a ser así? Tenemos dos herramientas para saberlo: primero, la física, capaz de describirnos matemáticamente la evolución del universo porque las leyes de la física son las mismas en todos lados y en todo momento. Segundo, Francia. Y tercero, la observación, porque la física es una ciencia empírica. El telescopio Webb está acumulando rápidamente las observaciones que servirán para entender la primera fase de la formación de esta estructura.

Este es el cúmulo Pandora, nombre informal de cúmulo Abell 2744, en la constelación de Sculptor. Es un supercúmulo, formado por al menos cuatro cúmulos menores (en este recorte se distinguen a simple vista al menos dos agrupamientos de las galaxias blancas que lo forman). Está a 4 mil millones de años luz de nosotros, así que lo vemos tal como era cuando la Tierra estaba recién formada en el sistema solar primitivo, y tal vez ya tenía alguna forma de vida rudimentaria. Es un objeto fascinante en sí mismo, pero no es lo que quería mostrar. 

Una grupo de astrónomos ha usado el cúmulo Pandora como si fuera unos anteojitos delante del Webb, para observar un sistema de galaxias aún más lejanas. Están marcadas en este recorte:

Esos cinco recuadritos encierran siete galaxias, siete galaxias extremadamente rojas, extremadamente lejanas, extremadamente antiguas:

Estas galaxias tienen un redshift confirmado espectroscópicamente de 7.9, lo cual se traduce en una distancia de casi 30 mil millones de años luz de nosotros. Más apropiadamente, vale decir que los vemos tal como eran hace 13100 millones de años, apenas 650 millones de años después del Big Bang. En esa temprana era del universo, de todos modos, ya tenemos esas 7 galaxias ligadas gravitacionalmente, interactuando, y en camino a convertirse, hoy en día, en un cúmulo como el de Virgo (ellos lo comparan con el de Coma, pero nunca hablé de él en el blog). Es un protocúmulo. La masa total estimada en las siete galaxias es más o menos la mitad que la de la Vía Láctea solita. Unas 10 mil veces menos que la masa que deben tener hoy en día. En esa temprana época todavía les estaba lloviendo hidrógeno primordial, y seguramente les faltaba fusionarse con otros grupos vecinos. Las vemos separadas en la foto, pero teniendo en cuenta el efecto de magnificación que produce el Pandora, resulta que están apretaditas en una región de sólo 200 mil años luz (dos vías lácteas).

Esta observación es parte de uno de los ambiciosos programas de observaciones profundas del Webb, llamado GLASS-JWST, y está contada en el paper XIV de sus "resultados iniciales". Los espectros se obtuvieron con exposiciones de menos de 5 horas. El Webb es tremendo. 

Coincidentemente, también se publicaron resultados iniciales de otro de los programas que observan el universo temprano: ASPIRE. En este caso se trata del componente que complementa a los cúmulos en la formación de la espuma de materia cósmica, conectándolos: un proto-filamento:

Las galaxias que lo forman están marcadas con circulitos. En uno de ellos (el que indica la flecha) hay además un quasar (sean buenos y digan cuéisar, más que nada para mandarse la parte). El quasar es el núcleo activo de una de las galaxias: un agujero negro gigante con un chorro de materia y energía, tan pequeño en comparación con las galaxias que en la foto del Webb tiene las 6 puntas características de las estrellas (quasar significa "quasi stellar", if you know what I mean). Vemos este filamento poco después de que comenzó a formarse, 800 millones de años después del Big Bang:

Hoy, como el otro, debe ser pesado como cualquiera de los cúmulos que vemos a nuestro alrededor.

Estos no son los primeros protocúmulos que se conocen. El de GLASS, por ahora, es el más antiguo. Pero esos récords son efímeros e irrelevantes: lo importante es acumular sus observaciones, entender cómo funcionan como población dinámica, y usarlos para mejorar los modelos matemáticos que nos dirán cómo el universo llegó a ser como es. 

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El primer paper es Morishita et al., Early Results from GLASS-JWST. XIV. A Spectroscopically Confirmed Protocluster 650 Million Years after the Big Bang, ApJL 947:L24 (2023).

El segundo es: Wang et al., A SPectroscopic survey of biased halos In the Reionization Era (ASPIRE): JWST reveals a filamentary structure around a z=6.61 quasar, ApJL 951:L4 (2023).

Las reglas del juego

Los Colleges forman parte de la Universidad de Cambridge (y la de Oxford, y un par más, menos famosas), de una manera peculiar y distinta que en todas las demás universidades. Son comunidades de alumnos y profesores, que allí viven, estudian, trabajan y socializan. Por supuesto, también existen las facultades, departamentos, laboratorios e institutos, donde se lleva a cabo la mayor parte de la investigación y la docencia. Pero en los Colleges es donde los alumnos pasan sus años de estudiantes, incluso disfrutando de tutorías pesonalizadas con un profesor. A Trinity College se unió Isaac Newton en 1660, a los 17 años, cuando terminó la Grammar School en Grantham, que contamos la semana pasada. Su madre, Hannah, quería que Isaac volviera a la granja familiar. Pero cada vez que le encargaba alguna tarea de campo, Isaac la embarraba: se le escapaban las ovejas o los chanchos, se olvidaba de traer de vuelta el caballo, y cosas por el estilo. Además, el hermano de Hannah había estudiado en Cambridge, y también el cuñado del farmacéutico donde Isaac se alojaba en Grantham, que era fellow de Trinity, y debe haber pescado el valor del muchacho, que no paraba de fabricar máquinas de madera. Así que Hannah dijo "y bueno", y a Trinity marchó el chico. 

Isaac se graduó de Bachelor en 1665, justo antes de que la universidad cerrara a causa de la peste. Así que volvió a casa de su madre, donde permaneció durante un año y medio, período durante el cual inventó el cálculo infinitesimal, reformuló las ciencias de la óptica y la mecánica, y descubrió la ley de la gravitación universal. Ya hemos contado estas cosas. Al finalizar su "año milagroso" Isaac regresó a Trinity, fue elegido fellow en 1667 y obtuvo su grado de Master of Arts en 1668. Empezó a mostrarle sus trabajos al profesor de matemáticas, Isaac Barrow, quien inmediatamente se dio cuenta de que el joven era un genio. En 1670 renunció a su cátedra en favor de Newton, que se convirtió así en Lucasian Professor, y se mudó a un departamento que se encuentra en este edificio, junto a la entrada principal de Trinity. 

Allí vivió 26 años, hasta que lo nombraron algo así como "presidente del Banco Central" y se mudó a Londres. Visto desde afuera del edificio, el departamento de Newton se ve así, con un pequeño jardín donde también crece un retoño del famoso manzano. 

No visité el departamento (no se puede, sigue funcionando como alojamiento de un profesor), pero sí la Biblioteca Wren, donde se exhiben varias reliquias de Newton. Fue Barrow el que convenció a Christopher Wren, arquitecto, astrónomo, fundador de la Royal Society y amigo de Newton, de que diseñara una nueva biblioteca para Trinity. Es una  preciosidad, de un estilo neoclásico muy distinto del gótico de los edificios antiguos de los Colleges.

En el fondo vemos una ventana de vitreaux, obra muy posterior, de un artista inmigrante italiano llamado Giovanni Battista Cipriani:

Allí está Fama, la Musa de Trinity, presentándole a Newton al rey George III (el que le regaló a Manuel Belgrano el reloj de oro que usó para pagarle a su médico en su lecho de muerte). Detrás de éste está Britannia, vestida como Pallas Atenea, y al frente otro exalumno glorioso, Francis Bacon, tomando nota y mirando de frente. 

Entre las reliquias en exhibición están su bastón, un mechón de pelo, una libretita de gastos, instrumentos de dibujo, cositas que mostraré otro día. Pero además tienen su propio ejemplar de la primera edición de los Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, la obra fundamental de la Revolución Científica del siglo XVII:

El libro tiene abundantes anotaciones en los márgenes:

Incluso hay muchas correcciones en el texto. Vean por ejemplo estos dos cuadratus enmendados con cubus. Así que ya saben, si la copia de ustedes de los Principia es una primera edición, ¡ojo que tiene errores!

En los Principia, Newton estableció las leyes fundamentales del movimiento de los objetos materiales. Todos: desde las manzanas hasta los cuerpos celestes, en la primera gran unificación de las leyes de la física. Hoy parece una pavada, pero en el siglo XVII fue una revolución, que desató el fenomenal desarrollo de las ciencias físicas, que desembocó en la increíble civilización tecnológica que disfrutamos hoy.

Newton compuso los Principia en Trinity. Pero las leyes del movimiento físico no fueron las únicas escritas allí. En 1863 un grupo de sportsmen de Trinity escribieron unas reglas para un juego deportivo y las publicaron en el diario, con el anuncio de que el primer partido se jugaría el viernes 20 de noviembre a las dos y media de la tarde, en el parque llamado Parker's Piece. Fue el primer partido de fútbol moderno. Fue aquí: 

En diciembre de ese año se creó la Football Association, que adoptó las Reglas de Cambridge. Hay que decir que los pibes venían pateando la pelota en Trinity desde hacía siglos, pero las reglas cambiaron todo. ¿Habrá jugado Newton algún picadito? Hay evidencia de que iba al pub y jugaba a las cartas, al tenis y a las bochas, pero no sé si se le daba por el balompié.

Trinity College: allí se escribieron las reglas de la física, y las del fútbol. Qué más.

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Si leyeron recientemente sobre un error de interpretación de la Primera Ley de Newton, diré solamente que es algo mucho menos relevante y trascendente que lo que los títulos sensacionalistas intentaron transmitir. Tal vez lo comente en algún momento, pero ni sé si vale la pena.

Muy poco después, el 20 de junio de 1867, se jugó el primer partido de fútbol en la Argentina. ¿Dónde? En el parque donde hoy está el Planetario Galileo Galilei.

Isaac Newton, a las piñas

A los 12 años de edad, Isaac Newton fue enviado por su madre a la Grammar School (una escuela secundaria), en la ciudad de Grantham, a unos 15 km de la granja donde vivían, en Woolsthorpe-by-Colsterworth. La escuela hoy se llama King's School y es mucho más grande que en el siglo XVII, pero el edificio original todavía existe:

Era un poco lejos para ir y venir todos los días, así que Isaac se alojó en casa del farmacéutico, el Sr. Clarke. Su esposa, viuda del Sr. Storer, Babington de soltera, era hermana del Rev. Humphrey Babington, fellow de Trinity College, quien jugaría un rol en la decisión de Isaac de marchar a Cambridge para seguir sus estudios en la universidad, también en Trinity. Todos ellos eran amigos de Hannah, la madre de Isaac, que provenía de una familia más acomodada que su padre, el próspero pero analfabeto granjero Isaac Newton, un yeoman de Colsterworth. El hermano del farmacéutico era asistente del director de la escuela, donde asistían Isaac Newton y los varios hijos de la familia Clarke. 

En la foto de la escuela se puede ver, sobre la puerta, la tradicional placa redonda azul que en el Reino Unido marca los sitios históricos. Es la que señala que Isaac Newton estudió allí. Pero en el otro extremo del edificio, junto a la ventana, hay otra placa azul. Es la que indica que allí estudió Arthur Storer:

Cuando vi que era amigo de Newton y que aparecía en los Principia me puse a averiguar. Arthur tenía un par de años menos que Isaac, era el menor de los hijos de la Sra. Clarke (de su matrimonio anterior) y vivía en la misma casa en la que Isaac alquilaba el altillo. También lo encontré en la curiosa lista de pecados que Isaac Newton compiló cuando tenía 20 años, y en la que confiesa todo tipo de cosas, desde violaciones simpáticas del descanso dominical, hasta amenazar a su madre y su padrastro con quemarlos vivos en su casa, o mentir sobre un piojo. Uno de los pecados es: "Pegarle a Arthur Storer". ¿Será Arthur el contrincante de Isaac en la siguiente anécdota, que cuenta John Conduitt?

«El chico que estaba inmediatamente por encima de él mientras iban a la escuela, le dio una patada en la panza que le dolió mucho. Apenas terminó la escuela desafió al niño a pelear, y salieron juntos al patio de la iglesia. El hijo del maestro se acercó mientras peleaban y le dio una palmada en la espalda a uno y le guiñó un ojo al otro para animarlos a ambos. Aunque Isaac no era tan vigoroso como su antagonista, tenía tanto más espíritu y resolución que lo golpeó hasta que declaró que no pelearía más, [...] después de lo cual el hijo del maestro [le pidió] que lo abusara, e Isaac trató al otro de cobarde y le restregó la nariz contra la pared, [...] lo agarró de las orejas y empujó su rostro contra el costado de la Iglesia.»

¡A la pucha! Arthur era menor en edad, pero Isaac era sietemesino, y es posible que fuese más chiquito de físico. Todo esto ocurrió en el jardín/cementerio de la preciosa iglesia de St. Wulfram, justo frente a la escuela.

De todos modos, parece que terminaron siendo amigos y respetándose mutuamente el resto de sus vidas. Arthur también se convirtió en un científico. Como dice la placa, fue el primer astrónomo reconocido por su nombre en las colonias de Norteamérica, donde emigró junto a su hermana Anne y la familia de ésta, en 1672. Aparentemente Arthur era médico y comerciante, y la astronomía era una actividad paralela, como en tantos casos siglo tras siglo. Y fue un excelente astrónomo. Tal como dice la placa, Newton lo menciona más de una vez en Principia Mathematica, la monumental obra fundacional de la Revolución Científica. Lo encontré en la Proposición XLI, Problema XX, donde Newton se plantea el siguiente problema: si un cometa se mueve en una órbita parabólica, cómo calcular la parábola a partir de tres observaciones del cometa en el cielo. Se trata, dice, de un "problema dificilísimo", y después de desarrollar un método aproximado plantea un ejemplo: el cometa del año 1680. Allí dice «El mismo día, el Dr. Arthur Storer, en el río Patuxent, cerca de Hunting Creek, en Maryland, en la frontera de Virginia, a 38.5 grados de latitud, a las 5 de la mañana (10 horas de Londres), vio el cometa sobre Spica.» Este es un recorte de la propia copia de Newton de la primera edición, con anotaciones entre líneas):

Storer le escribía a Newton sobre sus observaciones astronómicas, que eran más exactas que las de Halley, e incluso que las de Hevelius (el último de los grandes observadores pretelescópicos). En este capítulo Newton pone la famosa órbita del cometa con la cola, dibujada en escala a partir de las observaciones, y que le sirve para discutir la naturaleza de los cometas, sus colas, y las raras órbitas en forma de hebilla que describen, tan distintas de las casi circulares de los planetas, pero que de todos modos obedecen a la ley de gravitación universal que había imaginado 20 años atrás, en la granja de Woolsthorpe-by-Colsterworth.

Storer fue también uno de los primeros en observar y reportar el cometa de 1682, que se llamó brevemente cometa Storer, hasta que Edmund Halley reconoció que era el mismo cometa que había sido observado en 1531 y 1607, y empezó a llamarse cometa Halley. Le escribió muchas cartas a Newton (y a su tío Babington), con detalladas observaciones, no sólo de cometas sino también sobre eclipses, conjunciones, oposiciones, ocultaciones, etc. No tenemos ninguna de las respuestas, pero la mejor evidencia del valor que les otorgaba son las menciones a su trabajo nada menos que en los Principia.

Habrá más sobre los Storer.

 

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Sobre Storer, un análisis muy completo está en: Broughton P, Arthur Storer of Maryland: His astronomical work and his family ties with Newton. Journal for the History of Astronomy 19:77 (1988).

El detalle de la cita de Storer es de la primera edición anotada por Newton, accesible en la Biblioteca de la Universidad de Cambridge (CC BY-NC).

La figura de la órbita del cometa es de la tercera edición de Principia, en la biblioteca del ETH Zurich.

Los pecados de Newton están en una de sus libretas de gastos, de cuando era estudiante en Cambridge, escritos en un sistema taquigráfico popular en el siglo XVII, usado seguramente como precario código secreto. Curiosamente, están precedidos por algo que sí parece una clave: Nabed Efyhik Wfnzo Cpmkfe. ¿Del Gmail? ¿Del home banking? No lo sabemos. Dejo aquí la lista completa como una ventana a la vida del Newton adolescente, del que apenas sabemos algo, por si se animan a comentar.  Sin traducción:

Before Whitsunday 1662

    1. Vsing the word (God) openly
    2. Eating an apple at Thy house
    3. Making a feather while on Thy day
    4. Denying that I made it.
    5. Making a mousetrap on Thy day
    6. Contriving of the chimes on Thy day
    7. Squirting water on Thy day
    8. Making pies on Sunday night
    9. Swimming in a kimnel on Thy day
    10. Putting a pin in Iohn Keys hat on Thy day to pick him.
    11. Carelessly hearing and committing many sermons
    12. Refusing to go to the close at my mothers command.
    13. Threatning my father and mother Smith to burne them and the house over them
    14. Wishing death and hoping it to some
    15. Striking many
    16. Having uncleane thoughts words and actions and dreamese.
    17. Stealing cherry cobs from Eduard Storer
    18. Denying that I did so
    19. Denying a crossbow to my mother and grandmother though I knew of it
    20. Setting my heart on money learning pleasure more than Thee
    21. A relapse
    22. A relapse
    23. A breaking again of my covenant renued in the Lords Supper.
    24. Punching my sister
    25. Robbing my mothers box of plums and sugar
    26. Calling Dorothy Rose a jade
    27. Glutiny in my sickness.
    28. Peevishness with my mother.
    29. With my sister.
    30. Falling out with the servants
    31. Divers commissions of alle my duties
    32. Idle discourse on Thy day and at other times
    33. Not turning nearer to Thee for my affections
    34. Not living according to my belief
    35. Not loving Thee for Thy self.
    36. Not loving Thee for Thy goodness to us
    37. Not desiring Thy ordinances
    38. Not long {longing} for Thee in {illeg}
    39. Fearing man above Thee
    40. Vsing unlawful means to bring us out of distresses
    41. Caring for worldly things more than God
    42. Not craving a blessing from God on our honest endeavors.
    43. Missing chapel.
    44. Beating Arthur Storer.
    45. Peevishness at Master Clarks for a piece of bread and butter.
    46. Striving to cheat with a brass halfe crowne.
    47. Twisting a cord on Sunday morning
    48. Reading the history of the Christian champions on Sunday

Since Whitsunday 1662

    49. Glutony
    50. Glutony
    51. Vsing Wilfords towel to spare my own
    52. Negligence at the chapel.
    53. Sermons at Saint Marys
    54. Lying about a louse
    55. Denying my chamberfellow of the knowledge of him that took him for a sot.
    56. Neglecting to pray
    57. Helping Pettit to make his water watch at 12 of the clock on Saturday night

La vida, el Big Bang, y todo lo demás

Douglas Adams fue un extraordinario humorista y autor, nacido en Cambridge y alumno de St. John's College. 

Hace poco hubo una exposición en la hermosa Old Library del College, que generalmente no está abierta al público. Se exhibieron una cantidad de reliquias: su oso de peluche, su primer relato publicado a los 12 años, una carta a un productor donde le cuenta el guión para la producción radial de The Hitchhiker's Guide to the Galaxy:

Los fans de Adams entenderán qué genial fue ver este tipo de cosas. En medio de los centenarios volúmenes había otro objeto que me llamó la atención:

¡Un telescopio! Un pequeño telescopio refractor de bronce, prácticamente un juguete, pero de otra era. Como se ve en la foto, está apuntado hacia el escudo de armas que se ve en la pared opuesta. Acercando el ojo al ocular vi en todo detalle uno de los leones del escudo:

Era efectivamente el telescopio de un niño, y a su lado se reproducía una carta a su padre donde le contaba que había visto Saturno:

¿Quién era este niño? ¿El pequeño Douglas? No. ¡Era Fred Hoyle! Fred Hoyle también fue alumno de St. John's (es el segundo de la izquierda):

Hoyle fue uno de los más distinguidos, creativos y controvertidos científicos del siglo XX y también, como Adams, autor de ciencia ficción. Después de graduarse hizo un doctorado también en Cambridge, con la dirección del legendario Paul Dirac. Era una combinación rara: Dirac era renuente a dirigir alumnos, y Hoyle era reacio a ser dirigido. Tras convertirse en profesor, rápidamente alcanzó la primera línea en la astrofísica de fines de los años 1940 y 50, demostrando cómo las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas permitían explicar fenómenos tales como las enanas blancas, las supergigantes rojas, las supernovas y los quasars. Su trabajo teórico lo llevó a predecir la existencia de un estado desconocido del carbono, que fue finalmente observado en experimentos por William Fowler. Como ya hemos contado, con Fowler más Geoffrey y Margaret Burbidge, escribieron la monumental teoría que explica en minucioso detalle el origen estelar de los elementos químicos, forjados en el horno nuclear de las estrellas (el famoso paper B2FH). Fowler recibió el premio Nobel por esto, y hasta los críticos de Hoyle sostienen que también él lo merecía. Pero se fue de Cambridge de mala manera, peleado con mucha gente influyente, y eso le debe haber jugado en contra. 

Hoyle es más famoso por oponerse al modelo de expansión del universo a partir de un estado denso y caliente inicial. Desarrolló una teoría alternativa en la que el universo se expandía eternamente sin un origen, mientras un campo iba creando átomos de hidrógeno de a poquito (no muy distinto del campo de la inflación cósmica, hay que decir). En una entrevista radial se refirió al modelo rival como un "big bang", una gran explosión. Gamow y el resto de los que sostenían este modelo se lo tomaron a mal, se sintieron insultados, y Hoyle sumó algunos enemigos más. Pero un nombre marketinero nunca muere, y hoy llamamos Big Bang al modelo generalmente aceptado de la evolución del universo. 

Si bien es una teoría muy bien sostenida por muchísimas observaciones astronómicas y aceptada por la comunidad científica, hay algunos resquicios que todavía no se entienden. En los últimos años surgió uno nuevo: la velocidad a la que el universo se expande, expresada en la constante de Hubble, H₀. Parece haber dos valores irreconciliables, según cómo se la mida. La forma tradicional es la original de Hubble: se mide directamente la velocidad (estrictamente, el redshift) a la cual se alejan de nosotros las galaxias, usando supernovas como candelas estándar. El resultado da unos 73 kilómetros por segundo por megapársec. En los últimos 20 años se desarrollaron nuevas técnicas, basadas en la observación del universo lejano (como la radiación cósmica de fondo, por ejemplo), y el valor encontrado es de 67.7 kilómetros por segundo por megapársec. La repetición de estas mediciones, la incorporación de nuevas técnicas, y la reducción de los errores de medición, han demostrado que los dos valores, si bien son cercanos, son irreconciliables. Hay algo que no está bien, que no se entiende. 

La situación se llama Hubble tension, y tal vez en otro momento lo cuente en más detalle. En todo caso, imagino que Douglas Adams preferiría el resultado cosmológico, porque expresado en unidades imperiales es 42 millas por segundo por megapársec. Y 42, como se sabe, es la respuesta a la Pregunta Definitiva sobre la Vida, el Universo y Todo lo Demás.
 

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La constante de Hubble, que estrictamente tiene unidades de frecuencia, se suele expresar como una velocidad en km/s por megapársec. Significa que dos galaxias lejanas se alejan entre sí a una velocidad que es el producto de los km/s por la distancia en megaparsecs. No es correcto imaginar (aunque es medio inevitable) que realmente se están moviendo a esas velocidades; se alejan por la expansión del espacio entre ellas.