Felices los cuatro

Han pasado 60 años desde octubre de 1957. Sesenta años del estreno de El puente sobre el río Kwai. Del lanzamiento del Sputnik. Del primer Toyota exportado de Japón a Estados Unidos. De la aparición de este número del Reviews of Modern Physics:

Síntesis de los elementos en las estrellas, por Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler y Fred Hoyle. Un tremendo paper de 108 páginas, popularmente conocido como B²FH. Cuando lo fui a buscar en la Biblioteca me sorprendió encontrar que comienza con un par de citas de Shakespeare:

"Son las estrellas, las estrellas sobre nosotros, las que controlan nuestra condición"; pero tal vez: "La culpa, querido Bruto, no está en nuestras estrellas sino en nosotros mismos".

El trabajo es brillante y monumental, y fue revolucionario en su época. Por primera vez había una explicación científica del origen de los elementos químicos, especiamente de los elementos "pesados". Pesados entre comillas, ya que en realidad son todos los elementos excepto el hidrógeno, el helio y el litio. Todos. Paradójicamente, fue una respuesta de Hoyle a la explicación propuesta por Gamow y Alpher (ya conté sobre ellos y el famoso paper alfa-beta-gamma). Gamow era un defensor del comienzo denso y caliente del universo (el Big Bang), pero su modelo, a pesar del pretensioso título del paper, sólo explicaba el origen primordial de los tres elementos más livianos.

Hoyle no creía que el Big Bang fuera cierto; fue él quien le puso el nombre con intención peyorativa, tipo: "No me van a decir que el universo comenzó con una gran explosión". Durante una década buscó una explicación alternativa, un "estado estacionario" que pudiera explicar la formación continua de todos los elementos químicos. Atraído por la capacidad humana y técnica del Laboratorio Kellogg de física nuclear en Caltech, Hoyle empezó a visitarlos frecuentemente. Allí estableció una buena colaboración con William Fowler, recientemente doctorado. Pronto se les unieron los Burbidge, una pareja de astrónomos británicos que habían trabajado con Hoyle en Cambridge. La pasaban bien los cuatro.

El modelo de estado estacionario no prosperó, pero la explicación de los diversos procesos nucleares que dan lugar a todos los elementos químicos, en diversos tipos de estrellas, descriptos con enorme detalle en el paper B²FH, era sensacional y sobrevivió a la intención original de Hoyle. Explicaron cómo las estrellas suficientemente pesadas, las gigantes y supergigantes rojas, podían formar en sus núcleos los elementos hasta el hierro. Y cómo las condiciones extremas de las explosiones de supernova eran capaces de producir el resto, y de liberarlos en el espacio interestelar para la siguiente generación de estrellas y planetas.

Nunca entendí cómo no les dieron el premio Nobel a los cuatro, por haber explicado nada menos que el origen de los elementos químicos de los que estamos hechos: desde nosotros mismos hasta el oro mismo con el que funden las medallas Nobel. En 1983 Fowler recibió medio premio por su trabajo. Murió en 1995. Hoyle falleció en 2001 y Geoffrey en 2010.

Margaret, de 98 años, todavía vive. Este mes, brindemos por ella. La bebida que elijamos estará hecha de átomos forjados en las estrellas, como ella explicó.

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PD: Podés ver mi charla TEDx, donde hablo de ellos.

Derecho al fondo

Más allá de los planetas, más allá de las estrellas, más allá de la Vía Láctea, atravesando el inimaginable vacío del espacio intergaláctico, más allá de las galaxias más lejanas, vemos la oscuridad de la noche. Negrura total, por lo menos en la parte visible de la luz. Pero un resplandor invisible y muy tenue nos llega de todos lados, como de un rescoldo muy muy frío. El rescoldo de una fogata apagada también tiene un brillo invisible. No podemos verlo, pero podemos sentirlo. Si acercamos la palma de la mano podemos sentir esa luz invisible, la radiación infrarroja. Pero el rescoldo del espacio es más frío aún, no es ni siquiera radiación infrarroja. No podemos sentirlo con la mano. Son microondas. Como si hubiera algo, un muro helado a 270°C bajo cero rodeándonos por todos lados. ¿Estamos encerrados?
 
La luz de todas esas estrellas, de todas esas galaxias, viene hacia nosotros con una velocidad finita, los famosos 300 mil kilómetros por segundo. De manera que cuanto más lejos miramos, más antiguo es lo que vemos. Ese muro helado de microondas viene del fondo de todo, es un fósil de 13800 millones de años de antigüedad.

Es el universo bebé. El universo cuando tenía apenas 380 mil años. ¿Bebé? Un bebé de 380 mil años... parece mucho. Pero comparémoslo con 13800 millones de años, la edad del universo. Así no parece tanto. Comparado con una vida humana de 80 años, son las primeras 20 horas de vida. Es realmente la edad de un bebé, ¡y un bebé muy joven!

Este rescoldo de radiación ancestral fue descubierto de casualidad por Arno Penzias y Robert Wilson el 20 de mayo de 1964, hace exactamente 50 años al momento de escribir estas líneas. Penzias y Wilson lo descubrieron con una antena en forma de cuerno, de 6 metros de largo, diseñada para detectar las ondas de radio reflejadas en los primeros satélites de comunicaciones (que eran simplemente unos globos metálicos gigantes en órbita, llamados Echo). La señal de estas comunicaciones era tan débil que se necesitaba conocer todas las posibles interferencias, tanto de otras antenas terrestres, de radio, de radar, etc, como de fuentes extraterrestres, el Sol, la Vía Láctea... Enfriaron el detector con helio líquido a -269°C, y barrieron el cielo en elevación. A pesar de sus esfuerzos (que incluyeron rasquetear la caca de las palomas que insistían en anidar en la acogedora antena) no lograban eliminar una persistente señal que, día y noche, les llegaba por igual de todo el cielo. Finalmente se convencieron de que era real, y expresaron su intensidad con la temperatura del cuerpo negro equivalente: 3K, 3 Kelvins, 270 grados Celsius bajo cero.

Un cuerpo negro a esa temperatura produce radiación electromagnética en todo el espectro, como ya hemos contado, con una forma muy precisa conocida desde la última Navidad del siglo XIX. El pico, el máximo de la intensidad de esta radiación, está en los 160 GHz, que corresponde a las microondas milimétricas (a diferencia de las estrellas como el Sol, que emiten más intensamente en la parte visible del espectro electromagnético). De todos modos, Penzias y Wilson midieron en una sola frecuencia centimétrica con su primitivo detector, 4080 MHz, según reza inocentemente el título de su trabajo en el Astrophysical Journal: A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mcs.

Este fondo cósmico de microondas había sido predicho años antes por los cosmólogos que impulsaban la hipótesis que ya entonces se llamaba Big Bang para el origen del universo. Gamow, quien ya apareció por aquí, fue el primero, si no recuerdo mal. Las microondas de Penzias y Wilson vinieron como anillo al dedo. Hoy por hoy, 50 años después, son la mejor evidencia que tenemos de que el universo realmente comenzó con un Big Bang.

Al cumplirse un aniversario tan redondo, y aprovechando la nota de la semana pasada sobre el cuerpo negro, me parece adecuado contar algo sobre estas cosas. Son la piedra fundamental de la cosmología, y todo el mundo debería conocerlas como quien conoce, no sé, al Quijote, a Hamlet, a la Gioconda o la Quinta de Beethoven. Seguiré la próxima semana, a la misma batihora, y por el mismo baticanal...

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Las fechas están redondeadas para claridad de la lectura. Para los curiosos y los fanáticos de las cifras exactas (entre los cuales no me incluyo): la edad del universo es de 13798 ± 37 millones de años (medida por el observatorio espacial Planck); el fondo cósmico de microondas se formó 377 mil años después en un fenómeno que se llama recombinación (pero no fue un momento exacto, fue un proceso rápido que no viene al caso).

La foto de la antena es de Wikipedia, usuario Fabioj.

¡Cómo brillan las estrellas!

Un físico de origen ruso, George Gamow (gran divulgador de la ciencia además), desentrañó en la década del 30 cómo funcionaban las estrellas. Algo que había sido un misterio para la humanidad durante milenios, y aun para la física durante siglos, empezaba a develarse. Las estrellas brillan, durante muchos millones de años, mediante la fusión nuclear de elementos químicos livianos en elementos más pesados. Estas reacciones termonucleares (así las bautizaron Gamow y sus colegas) sólo son posibles en sus centros supercalientes, donde las altísimas temperaturas (mucho mayores que los 5700 C de la superficie del Sol, por ejemplo) permiten a los núcleos atómicos vencer la repulsión eléctrica debida a que todos tienen carga positiva. La fusión nuclear de elementos livianos es exotérmica: al producirse libera energía, lo cual contribuye a mantener la temperatura del centro de la estrella y sostener las reacciones. En la fusión se crean nuevos elementos químicos: el sueño de los alquimistas hecho realidad. Nacidas del gas y polvo interestelar por colapso gravitacional de una nebulosa, las estrellas viven sus vidas generando nuevos elementos químicos, que devuelven al medio interestelar al final de su existencia. Son las grandes recicladoras de la materia en la Galaxia. Era un descubrimiento fenomenal y Gamow estaba chocho. Esa noche salió con su novia. Sentados en el banco de una plaza pensaba cómo contárselo. Entonces la novia de Gamow dijo algo así: "¡Ay, George, mirá qué lindo cómo brillan las estrellas!". Gamow vio la oportunidad y replicó: "Sí, y esta noche, en todo el mundo, ¡yo soy el único que sabe CÓMO brillan! ¿Te cuento?". Se casaron y fueron felices. Ahí tenés: lo romántico no quita lo científico.

Gamow era un tipo fenómeno, muy divertido. Durante su doctorado y los primeros años de su carrera visitó y trabajó en Götingen, en Copenhagen y en Cambridge, en cuyas universidades se estaba forjando la nueva física, la mecánica cuántica. Vivió desde adentro esta tremenda revolución científica y la contó en sus libros de divulgación. Cuando, junto con su estudiante Alpher, descubrieron el mecanismo de nucleosíntesis del Big Bang (uno de los primeros pasos teóricos en el establecimiento de la actual teoría de evolución del universo), se le ocurrió publicarlo con un autor adicional: Hans Bethe, con el único propósito de que los autores fueran Alpher, Bethe y Gamow... Bethe era un físico famoso de Estados Unidos, que no había tenido nada que ver con el trabajo, y a quien ni siquiera consultó para la broma. El artículo, a pesar del extraordinario título Sobre la síntesis de los elementos, siempre se conoció como "el paper αβγ". Buenísimo. Se interesó también por otras áreas de la ciencia, y Francis Crick contaba incluso que Gamow le había sugerido que el código genético estaba escrito con cuatro símbolos combinados en tripletes.

Cuando cursaba el primer año del Colegio Nacional mi profesora de matemática, la Lewin, me prestó un libro de Gamow. Se llamaba Uno, dos, tres...infinito, y me reveló un mundo extraordinario que, en mi infancia de naturalista, había ignorado: el de la ciencia y la matemática modernas. La Lewin me prestó su propia copia, a pesar de que en la biblioteca del Colegio había cien mil volúmenes a nuestra disposición. Apenas lo devolví la profesora se lo prestó a mi compañero Javier Fernández, y yo saqué el ejemplar de la biblioteca para volver a leerlo. Y luego todos los libros de Gamow que había: Biografía de la Tierra, Treinta años que conmovieron la física, Gravedad... Eran un poco viejos ya entonces, y ahora lo son aún más, pero creo que todavía se los puede recomendar. Un libro bien escrito no envejece.

Los libros están magníficamente ilustrados por el propio Gamow. La imagen de aquí arriba es de una serie de novelas protagonizadas por Mr. Tompkins (el señor que va en bici, muy parecido al propio Gamow). En sus aventuras, Tompkins viaja a la velocidad de la luz y experimenta la relatividad, o se achica al tamaño de un átomo y vive en carne propia la mecánica cuántica. Están buenísimas.

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Post scriptum: Recuerdo haber leído la anécdota sobre el brillo de las estrellas en uno de sus libros. Sin embargo no puedo recordar cuál, y al buscar información en la web encontré la misma historia atribuida a uno de sus colegas de aquel trabajo, el físico Fritz Houtermans, también de gran sentido del humor (el otro era el astrónomo Robert Atkinson) ¡Ahora no sé la verdad! ¿O habrá sido Eddington? (sus cálculos permitieron por primera vez formular un modelo físico del interior de una estrella, lo cual llevó a Atkinson y Houtermans a reclutar a Gamow, que sabía de física nuclear, para desentrañar el mecanismo). Existe una autobiografía de Gamow, titulada Mi línea de mundo, pero no la leí. Si alguien tiene la posta, que la cuente. Igual, se non è vero, è ben trovato...