Eclipse de quasar

Cuando se los descubrió, en Cambridge en la década de 1960, los quasars causaron perplejidad. Eran fuentes de radio con una contraparte visible similar a una estrella. El más brillante era 3C 273, que se ve así en luz visible:

Brillaba como una estrella de magnitud 12.9 (visible en un telescopio de aficionado) pero su brillo en radio era inusual. Rápidamente le hicieron un espectro, y resultó que mostraba líneas atómicas también inusuales. Maarten Schmidt, del observatorio Mt. Wilson, se pasó un año mirando fijo el espectro, hasta que se dio cuenta de que las líneas eran la bien conocida "serie de Balmer" del hidrógeno, sólo que en longitudes de onda incorrectas:

Las líneas azules a ultravioletas estaban en el medio del visible, y la roja (la hache-alpha) estaba en el infrarrojo. Todas las longitudes de onda estaban estiradas un 16%. ¿Cómo podía ser? Por efecto Doppler, sería una estrella moviéndose al 16% de la velocidad de la luz, algo absurdo. La única explicación lógica era que el corrimiento al rojo fuese por la expansión del universo (algo no tan aceptado hace 60 años como ahora), y que por lo tanto estuviese a 2500 millones de años luz de nosotros, una distancia inmensa. 

A esa distancia, para brillar en el cielo con magnitud 12.9, el quasar debía tener una luminosidad 200 veces mayor que una galaxia entera como la Vía Láctea. ¿Cómo podía ser eso? Era tan luminoso, que si estuviese a 20 años luz del sistema solar, brillaría como el Sol. ¡En las noches de invierno austral el cielo sería celeste! ¡En primavera, con el Sol en Virgo, habría en el cielo como dos soles! Esto es de por sí impresionante, pero si les digo que las fluctuaciones de brillo que se observan indican que el objeto es del tamaño del sistema solar, se te vuela la cabeza.

Hoy sabemos que los quasars son los núcleos brillantes de ciertas galaxias, donde un agujero negro gigante está destruyendo materia a gran velocidad, lo que produce mucha radiación electromagnética en todo el espectro. ¿Cómo son esas galaxias? Son difíciles de ver, porque las abruma el brillo del quasar que tienen en el medio, como se ve en la foto de arriba. Recientemente, usando el Telescopio Espacial Hubble, lograron hacer una foto notable de 3C 273 eclipsando artificalmente el quasar:

Finalmente se puede ver la galaxia alrededor, con un montón de detalles. Los astrónomos distinguen lo que parecen ser galaxias satélites cayendo hacia el agujero negro central. Es la mejor imagen que tenemos de la galaxia que alberga un quasar. En las imágenes también se observa claramente el jet, el chorro de materia y energía que surge del quasar (similar al que hemos comentado recientemente en galaxias cercanas), con una parte brillante y visible incluso en la imagen del principio (sin el eclipse), y una parte más tenue y cercana al núcleo de la galaxia, antes invisible. Las observaciones del Hubble abarcan más de 20 años en este objeto, de manera que pudieron observar su movimiento, a esa enorme distancia. Las partes más lejanas del centro se mueven más rápido que las más cercanas, como si hubiera una aceleración. El jet brillante, vale la pena decir, es dos veces más largo que el diámetro de la Vía Láctea.

¿Cómo es el instrumento que permite hacer estas imágenes? Se llama Space Telescope Imaging Spectrograph, es decir, es un espectroscopio, no un coronógrafo. Pero delante de la cámara tiene una máscara, que es esencialmente una chapita con varias patitas, que permiten bloquear la luz selectivamente. En un apéndice del paper muestran algunas de las imágenes crudas, junto a un diagrama de la máscara:

Haciendo imágenes rotadas en varias direcciones lograron hacer la imagen con una resolución extraordiaria. Muy ingenioso. Espero que lo vuelvan a usar. 

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El paper es Ren et al., 3C 273 host galaxy with Hubble Space Telescope Coronagraphy, A&A 683:L5 (2024). De allí son las imágenes de quasar eclipsado. La imagen del quasar sin eclipsar, también es de NASA/ESA/HST. El espectro viejo de 3C 273 (creo que es el original que hicieron Maarten Schmidt y Tom Matthews) viaja por la web; esta es una versión anotada.

Las estrellas, como granos de arena

Edwin Hubble fue la primera persona que pudo fotografiar estrellas individuales en la galaxia M31, la galaxia de Andrómeda. Esto le permitió revolucionar la astronomía hace exactamente 100 años, demostrando que el universo era millones de veces más grande que lo que se creía. El telescopio que, 100 años después, lleva su nombre en la órbita terrestre, no ha descuidado a Andrómeda. Ha completado un nuevo panorama que cubre casi por completo la galaxia:

El campo visual del telescopio Hubble es pequeñito, así que este mosaico ha requerido más de 600 exposiciones individuales, a lo largo de 1000 órbitas y 10 años. Y, como se ve, ¡todavía no la cubre del todo! Es que M31 es muy grande en el cielo. La siguiente imagen muestra un círculo que tiene el tamaño de la Luna, para que se hagan una idea. Es la galaxia grande más cercana, a 2.5 millones de años luz, y por esa razón su estudio es de enorme importancia para entender la dinámica y evolución de las estrellas y las galaxias. Debajo se muestran detalles de varias regiones bien distintas, incluyendo la satélite M32 (panel d), que tiene pinta de ser el núcleo pelado de una galaxia pequeña que fue devorada por M31.

El detalle (e), que muestra una de las bandas de polvo frío cruzando por delante de un panorama de muchísimas estrellitas, es particularmente encantador. Es la región del bulbo, donde las estrellas son antiguas y mayoritariamente rojas, y el polvo las enrojece más aún (como el Sol velado por el humo de un incendio). Es el color de la mayor parte de la luz de una galaxia, como calculé una vez. Un beige estelar. Un color que las hace parecer granos de arena.

Si las estrellas fuesen como granos de arena, ¿la galaxia sería como una playa? No. Las estrellas son pequeñísimas, comparadas con las distancias que las separan, en la mayor parte de cualquier galaxia. Si fuesen como granos de arena, serían granos de arena cada uno a 10 km del otro. Es difícil de imaginar la vastedad de una galaxia.

La vista agudísima de Hubble (el telescopio, no el tipo) ha permitido identificar 200 millones de estrellas en este panorama de M31. La versión de resolución completa es un monstruo de más de 400 megapixels (1 GB, o un JPG de 300 MB). Hice un recortecito a resolución completa:

Las estrellas brillantes que se ven como diamantes caídos en la arena son estrellas de nuestra propia galaxia, muchísimo más cercanas. En la vastedad del campo estelar, a esta resolución, se aprecia que no todas las estrellas son rojitas, hay amarillitas y azulitas también. Ahí está, la multicolor playa de Andrómeda.

 

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Las fotos son de NASA/ESA/Hubble/PHAT/PHAST.

Los detalles y primeros resultados científicos están descriptos en Zhuo Chen et al., ApJ 979:35 (2025).

El día que descubrimos el universo

El 30 de diciembre de 1924 comenzó la 33a Reunión de la American Astronomical Society, en Washington, DC. En la mañana del último día de la reunión, 1 de enero de 1925 (se acaban de cumplir 100 años), se llevó a cabo una sesión conjunta con los matemáticos y los físicos que estaban participando de la simultánea conferencia de la American Association for the Advancement of Science. Se esperaba una charla de Arthur Eddington, sobre Evolución Estelar (Eddington estaba escribiendo su tratado sobre el tema), pero tuvo que regresar a Inglaterra. En su lugar, Henry Norris Russell improvisó un sumario de su propio trabajo en el área. Lo siguió una presentación del polígrafo Archibald Henderson: ¿Es el universo finito? Ambas presentaciones suscitaron una animada discusión entre los presentes. 

A continuación, Russell leyó una presentación de Edwin Hubble, del Observatorio de Monte Wilson, que no había podido asistir (imagino que viajar en tren de California a Washington en pleno invierno no era el mejor plan). Un resumen del trabajo apareció en la revista Popular Astronomy, reportando que la distancia a la "nebulosa espiral" de Andrómeda (Messier 31) y a la del Triángulo (Messier 33) era de 285000 pársecs, un millón de años luz:

Este resultado las ponía definitivamente fuera de la Vía Láctea, cuyo tamaño había medido Harlow Shapley, que aparece allí mencionado. Shapley y Eber Curtis (los marqué a los dos, y a Russell, en la foto del congreso) habían protagonizado en el Museo Smithsoniano, en 1920, el que se llamó Gran Debate, acerca de la naturaleza de estas "nebulosas espirales". Shapley sostenía que eran parte de la Vía Láctea, y que en el universo no existía más que nuestra Galaxia. Curtis, en cambio, decía que podían ser sistemas equivalentes a la Vía Láctea, muy lejanos, verdaderos "universos isla". El trabajo de Hubble zanjó la cuestión: las nebulosas espirales eran galaxias como la nuestra, y dada la cantidad que se veían en los telescopios, muchas de ellas pequeñitas, resultaba evidente que el universo era millones de veces más grande que lo que se creía.

Hubble había empezado a usar el telescopio de 100 pulgadas, el mejor del mundo, para estudiar las "nebulosas espirales", y fue el primero en poder fotografiar estrellas individuales en ellas. Rápidamente descubrió varias novas. Pero el 6 de octubre de 1923 descubrió que una de las estrellas no era una nova, sino que era una que ya había fotografiado dos días antes. ¡Era una estrella variable! Existen estrellas variables, las cefeidas, que cambian de brillo de manera regular, como un reloj, y del período de oscilación se puede calcular la luminosidad intrínseca, y por lo tanto la distancia. ¡Era un golazo! Uno puede imaginarse la emoción del tipo cuando, con tinta roja y mano temblorosa,  tachó la N de nova y escribió VAR!, sobre la placa de vidrio de la foto:

Hubble observó su cefeida durante un período entero y calculó la distancia. No vayan a creer que se guardó el descubrimiento más de un año sin decir nada. Por ejemplo, así se lo contaba por carta a Shapley, que era el experto mundial en cefeidas, el 19 de febrero de 1924:

Shapley tuvo que rendirse a la evidencia. La astrónoma Cecilia Payne estaba en su oficina cuando recibió la carta, y contó que Shapley le mostró las dos páginas exclamando "Acá está la carta que destruyó mi universo". El 26 de febrero Hubble se casó y se fue de luna de miel a Europa por tres meses. Apenas volvió, la misma noche, regresó al Observatorio para seguir midiendo cefeidas en M31 y M33. En los meses que siguieron, a medida que tenía cada vez más datos, se lo fue contando a todo el mundo. Russell, que se enteró del descubrimiento a través de James Jeans en Inglaterra (!) lo alentó a que fuera a Washington, o al menos que mandara el paper, así lo presentaba para un premio de 1000 dólares de la AAAS. Se lo dieron, obvio (son como 20000 dólares de hoy). Incluso antes de la reunión, el 23 de noviembre de 1924, la noticia del descubrimiento salió publicada en una notita en el New York Times:

Al principio, nadie sabía cómo llamarlas. "Sistemas estelares", "mundos", "universos", "nebulosas anagalácticas", "nebulosas no galácticas", "nubes estelares", "nebulosas cósmicas", "universos isla". Hubble prefería "nebulosas extragalácticas". Pero el nombre marketinero vino del que más había perdido, el mismísimo Shapley: «quiero sacarme de encima las palabras universo y nebulosa... así que las llamaré "galaxias"». Hace apenas 100 años, el 31 de diciembre de 1924, el universo tenía una sola galaxia, la nuestra, la Vía Láctea, la Galaxia con mayúscula. El 1 de diciembre de 1925, descubrimos un universo lleno de galaxias.

 

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El informe sobre la reunión está publicado en Popular Astronomy, números 323 y 324, marzo de 1925, con resúmenes de varios trabajos presentados. La nota de Hubble está en la página 252 del número 324. La foto de los participantes está justo en medio. ¡Noten que hay varias mujeres! (más que en el congreso Solvay de 1927, por ejemplo).

En la interesante conferencia de Henderson, leemos: Recent investigations, reported by Curtis, indicate that the spiral nebulae are isolated stellar systems, at least a hundred million light-years away. Shapley was the first to point out and insist upon the significance of the systematic recessional motions of the spiral nebulae. [...] If, as now appears probable, the spirals are isolated stellar systems, this recession must be explained, either as a wholesale error or else as a relativistic effect. Era un tema álgido también para los físicos y los matemáticos.

Diga treinta y tres

"Treinta y tres". Son los años que está cumpliendo el telescopio más famoso, el segundo telescopio más revolucionario de la historia de la humanidad: el Telescopio Espacial Hubble. Los medios se hicieron eco del aniversario del lanzamiento, el pasado 24 de abril. Pero aquí celebramos la fecha inaugural de cualquier telescopio: la primera luz. Es hoy, 20 de mayo, el aniversario de la primera de las más de un millón y medio de fotos que lleva hechas. Fue una exposición de una partecita del cúmulo abierto NGC 3532, bien conocido por los aficionados australes. 

La imagen publicada ese día muestra dos fotos, la de la izquierda hecha con un gran telescopio en Chile, y a la derecha la del nuevo telescopio espacial. OK —deben haber dicho los astrónomos— las estrellas se ven un poco más nítidas. Pero tampoco es taaaaanto mejor. ¿2500 millones de dólares mejor? Es que el flamante instrumento tenía una óptica fallida, un espejo primario mal conformado, que sufría de aberración esférica. ¡Horror! Los que seguimos el caso de cerca recordamos la frustración y la expectativa por la reparación, que llevó años, miles de ingenieros y científicos, y una imprevista y complicada misión del transbordador Endeavour recién en 1993. La primera imagen tras la corrección fue de la galaxia M 100, publicada junto a la misma toma antes de que le pusieran anteojitos:

Y entonces el Hubble empezó a funcionar como se esperaba, y a llevar adelante su ambicioso plan de observaciones, que revolucionaron la astronomía moderna en más de un campo.

¿Cuál era ese plan? ¿Para qué se construyó el telescopio Hubble? Su historia había comenzado en 1946, cuando ni un sólo satélite artifical orbitaba la Tierra. Ni uno. Ni siquiera existía la NASA. Lyman Spitzer fue el autor de la idea, reconociendo que su posibilidad estaba «some years into the future». Lyman remó y remó durante décadas. En 1965 la NASA le encargó evaluar en detalle lo que se podría lograr con un gran telescopio espacial. El estudio llevó cuatro años y se publicó en 1969 (búsquenlo en el enlace, ¡está escrito a máquina!). Allí se identifica una cantidad de estudios posibles, y entre ellos el most important role: «la comprensión del universo a gran escala, su tamaño, su forma, su edad y evolución». Para empezar, había que medir los parámetros que lo definen, que en ese momento se conocían con enorme incerteza (a comparar con las constantes fundamentales de la física, que ya se conocían con muchas cifras decimales). Entre ellas, dicen, la más importante es la constante de Hubble, H, la tasa de expansión del universo (por eso el telescopio se bautizó con su nombre). Si bien la estimación original de Hubble (530 km por segundo por megaparsec) había sido considerablemente mejorada, el error de medición era todavía del 50%.

A lo largo de la siguiente década se diseñó el instrumento y se consiguió su financiación. Los planos y diagramas, dibujados a mano, son una delicia:

A lo largo de los años el Hubble completó más de 1 millón y medio de observaciones, y sus astrónomos han publicado más de 19 mil trabajos científicos, citados más de 1 millón de veces. Su operación es un milagro de la ingeniería: orbita a 500 km de altura, viajando a 25000 km/h, sin propulsores para orientarse, con electrónica e informática del siglo pasado, cocinado de un lado por el Sol y congelado del otro, y logra apuntar a sus blancos con precisión de 7 milisegundos de arco (un pelo a 50 km) durante horas.

¿Y logró cumplir su objetivo primario, la medición de la constante de Hubble? Con creces. Aun antes de la reparación de la óptica, el Hubble dio el primer paso midiendo con precisión de 10% la distancia a la galaxia M 81: 11 millones de años luz, a comparar con las mediciones anteriores que daban entre 4.5 y 18. Con el tiempo los resultados se acumularon. En julio del año pasado se publicó el resultado final (?): Una medición exhaustiva del valor local de la constante de Hubble con precisión de 1 km/s/Mpc con el Telescopio Espacial Hubble y el equipo SHOES, de Adam Riess et al. El trabajo es esencialmente un escalón de la famosa escalera para medir el universo: el que conecta las estrellas variables cefeidas con las supernovas de tipo Ia (se lee "uno-a"). La exquisita visión del Hubble le permite ver cefeidas individuales en muchísimas galaxias, y supernovas por supuesto en todo el universo. Su estudio concurrente ha permitido el enorme avance en la determinación del ritmo de expansión del universo, imprescindible para calcular su tamaño, su curvatura, su edad y tantas otras propiedades del universo a gran escala. Las galaxias del estudio están bellamente ilustradas en el paper:

Las galaxias son hermosas, pero el paper es además suculento científicamente. He aquí una figura que muestra los tres escalones de la escalera de distancias: desde las estrellas más cercanas, medidas por métodos geométricos (paralaje), a las cefeidas y luego las supernovas. La increíble alineación de estas mediciones es lo que permite calcular H con precisión sin precedentes:

El resultado es un número: el universo se expande alrededor nuestro a razón de 72.53 ± 0.99 km/s/Mpc.  Misión cumplida, tomá mate.

Pero resulta que existe otra medición de gran precisión de la constante de Hubble. Fue obtenida también desde el espacio, con un observatorio de microondas europeo llamado Planck, usando una metodología completamente distinta. Planck ha observado sutiles fluctuaciones en la radiación que viene del Big Bang caliente, de manera que observa un universo mucho más antiguo que el de las galaxias, las cefeidas y las supernovas. Y su resultado de H es menor. No mucho menor, pero las mediciones son tan precisas que es imposible compatibilizarlas. El paper de Riess muestra esta figura:

La línea verde vertical es el valor más probable calculado con el Hubble, y la azul, con el Planck. Las campanas muestran que los valores reales podrían ser diferentes que los medidos, como en cualquier experimento. Y las dos campanas están bien separadas, mostrando que es casi imposible que los resultados sean diferentes sólo por errores de medición. De hecho, el panel de abajo muestra lo mismo pero en escala logarítmica, para destacar que ni siquiera las imperceptibles colas de la campana verde alcanzan el valor azul. (Hay unos porcentajes marcados: por ejemplo, hay una probabilidad del 0.00003% de que, de acuerdo al Hubble, H valga 68.14, compatible con Planck.) 

¿Qué está pasando? ¿Por qué hay dos valores diferentes para la misma magnitud? ¿En qué momento de la historia del universo divergieron, y por qué? Los astrónomos llaman a esto una tensión en la constante de Hubble. Errores de medición, o errores sistemáticos, a esta altura ya han sido descartados. Un día contaré más detalles. Pero valga decir que nadie sabe cómo reconciliar los dos valores. Precisamente, de manera visionaria Spitzer también declaró en su artículo de 1946 que la principal contribución del instrumento sería «el descubrimiento de nuevos fenómenos todavía ni imaginados, y tal vez modificar profundamente nuestros conceptos de espacio y tiempo». Chan.

Resulta también que el mismo Riess fue uno de los descubridores*, en 1998, de que la expansión del universo estaba acelerándose. Como si hubiera una fuerza contraria a la gravedad actuando a escala cósmica. ¿Qué es esa fuerza? Todavía no lo sabemos, aunque ya tiene un nombre: energía oscura, y la evidencia de su existencia actualmente abarca una multitud de líneas independientes, de modo que estamos bastante seguros de que es real. 

*Riess ganó inmediatamente el Premio Nobel junto a Perlmutter y a Schmidt, pero le robaron datos al astrónomo chileno Mario Hamuy. Algo vergonzoso que algún día tengo que contar.

¿Estarán relacionadas las dos cosas? ¿En qué marco teórico podemos entenderlo? La verdad que por ahora no lo sabemos**. Sólo el tiempo lo dirá.  El tiempo, y la nueva generación de telescopios en tierra y en el espacio, y la comunidad de cosmólogos y astrónomos que estudian estas cosas (que no son tantos, apenas unos miles en todo el mundo).

**Cuando un científico dice que "no sabemos" algo, no significa que no tenga una explicación. Casi siempre significa que tenemos muchas explicaciones, y que no sabemos cuál es la correcta.

¿Qué hay en el futuro del Hubble? El veterano telescopio viene fallando cada vez más seguido, y si bien siempre han podido ponerlo de nuevo en funcionamiento (a veces con ayuda de ingenieros ya jubilados), el final de su vida está cerca. Originalmente iba a ser traído de vuelta a tierra para que descansara en un museo; pero sin transbordadores esto ya no es posible. Actualmente, los planes son que se incinere en la atmósfera de manera controlada, el final usual de los grandes satélites. Sin embargo, una propuesta de SpaceX abrió una nueva posibilidad: un nuevo servicio en órbita, que incluya por lo menos subirlo a una órbita más alta, y tal vez reemplazar algún instrumento. Quizás se haga, y el Hubble nos regale un par de décadas más de observaciones y descubrimientos.

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Las imágenes son todas de las fuentes mencionadas. La foto del final es la del reciente aniversario.

Recomiendo la nota en Infobae. Está muy buena (y se ocupa de otras cosas).

La información de prensa de la imagen de la primera luz señala que la resolución calculada a partir de la estrella doble de la parte superior de la foto es de 0.8 segundos de arco, mientras que la del telescopio terrestre es de 1.1 segundos, y añade "which points out the remarkable increase in resolution of the HST". ¡Qué caradura el que escribió eso! La resolución, después de la reparación, llegó a 0.04 segundos, un valor que sí es remarkably mejor que 1.1.

La foto fue tomada el 20 de mayo de 1990 a las 15:14:14 UT, y fue una exposición de 30 segundos. No logré descargar la imagen raw del archivo (sólo un preview, pero es muy feo). Sí pude verificar que hubo varias imágenes anteriores, mucho más cortas (menos de un segundo). Otro día las muestro.

Primeras luces del JWST

Las primeras imágenes del Telescopio Espacial Webb son extraordinarias, tal como preveíamos habiendo visto las pruebas de ingeniería que se hicieron durante la puesta a punto de los instrumentos durante los últimos meses. Evidentemente, los objetos fotografiados fueron elegidos cuidadosamente: dos imágenes que muestran la evolución del universo, dos sobre la evolución de las estrellas, y una sobre ¿la evolución de la vida? 

La más impresionante es el Primer Campo Profundo (no dejen de descargar la imagen a resolución completa; esto no es algo para ver en el celu, eh).

La imagen es muy compleja, y voy a describir someramente lo que muestra. Vemos unas pocas estrellas de nuestra propia galaxia: son los puntos brillantes que tienen 6 rayos (y dos más cortitos), producidos por la peculiar geometría del telescopio, a los que nos tenemos que acostumbrar (el Hubble y muchos otros telescopios producen 4 rayitos alrededor de las estrellas brillantes). En medio de la imagen vemos un gran cúmulo de galaxias: son las galaxias blancuzcas, más bien grandecitas. Los cúmulos de galaxias son los ladrillos que forman el universo. Recordemos que cada galaxia es una colección de cientos de miles de millones de estrellas, que no podemos ver individualmente en fotos como esta, ni siquiera con el Webb. Este cúmulo está tan lejos que la luz que vemos es tan antigua partió al mismo tiempo que se estaban formando el Sol y la Tierra. Con todo, son las galaxias más cercanas de la foto. Mezcladas entre ellas vemos una cantidad de arcos rojos y anaranjados: también son galaxias, con formas muy distintas de las que estamos habituados. Son galaxias mucho más lejanas que las del cúmulo, que actúa como una gigantesca lente natural distorsionando y amplificando la luz que lo atraviesa, obedeciendo a la Relatividad General. Finalmente, esparcidas por el campo, vemos miles y miles de puntitos pequeños: son más y más galaxias, hasta el confín de los tiempos.

El telescopio midió la distancia a algunas de ellas produciendo unos exquisitos espectros de su luz. Las más lejanas se ven como pequeños puntitos rojos, y hay una identificada cuya luz partió hace 13100 millones de años, cuando el universo era un bebé. ¡Sería como verme a mí cuando tenía 2 añitos y medio! ¿Se imaginan si un arqueólogo pudiera ver una población humana de hace 95 mil años? Los telescopios son realmente como máquinas del tiempo, nos muestran el pasado del universo. Ese universo medía la décima parte de lo que mide ahora, y las galaxias eran muy distintas. En sus espectros, sin embargo, Webb identificó la presencia de elementos pesados, indicando que a pesar de ser tan distintas, ya habían pasado por una o más generaciones de estrellas, que enriquecieron su química con respecto al hidrógeno y helio primordiales, que vienen del origen del universo. 

Vale la pena comentar que el campo fotografiado es pequeñísimo, como un granito de arena a la distancia de un brazo extendido: si sostenemos una birome con el brazo en alto, la bolita de la punta está eclipsando la luz de cien mil galaxias, cada una de ellas con sus centenares de miles de millones de estrellas, más sus planetas, sus lunas, sus cometas, y la mar en coche. También vale la pena destacar lo fácil que le resulta al Webb obtener esta imagen, incluídos los exquisitos espectros, en una exposición de 12 horas. Los campos profundos del Hubble (menos profundos que este, recordemos) llevan semanas. Una comparación con el mismo campo, fotografiado por el Hubble, muestra el enorme salto que representa el telescopio Webb: no es marginalmente mejor que el Hubble, es una generación nueva de instrumentos, tanto ópticamente como en sus sensores. Noten no sólo la multitud de galaxias pequeñitas, sino también los detalles de las más grandes. Esta comparación abarca más o menos el ancho de un pelo sostenido con el brazo extendido.

A propósito de la mar en coche, la imagen más cercana compartida en la primera tanda no es una foto, sino un espectro de la atmósfera de un planeta pasando por delante de su estrella, un mini eclipse durante el cual el Webb pudo pispear fugazmente la composición química de sus gases. No es una imagen atractiva como una foto, pero esconde tesoros que recién se van a empezar a analizar. Esa curva con subidas y bajadas muestra que hay vapor de agua y cuánta hay, que hay nubes y bruma, que hay vientos. Algún día, observando alguno de estos planetas lejanos (no este), Webb nos mostrará que existe algún gas que delate la presencia de vida. El proyecto del Webb se inició en 1995, el mismo año que se descubrió el primero de estos planetas alrededor de otras estrellas. ¡Hoy conocemos miles! El proyecto original seguramente ni siquiera contemplaba este tipo de observaciones de atmósferas a mil años luz de distancia. 

Las imágenes se ven hermosamente multicolores. Esto me sorprendió un poco. Webb no ve luz, sino radiación infrarroja, que desde el punto de vista de la astronomía es mejor que la luz, porque es más penetrante en el espacio interestelar e intergaláctico. Observen los filamentos anaranjados en la imagen del Quinteto de Stephan (recortada y achicada aquí abajo, vayan a ver la original): son de polvo, que se ve oscuro en fotos de luz visible. Pero la radiación infrarroja no es distinta de la luz, es el mismo fenómeno físico. Es luz, sólo que luz que no podemos ver. Para construir imágenes que podamos apreciar nosotros, primates visuales, los astrónomos le asignan a cada color infrarrojo un color de luz visible. Lo que vemos como azul en las fotos del Webb es un infrarrojo completamente invisible para el ojo humano. Yo no sabía cómo iba a quedar, y me daba un poco de miedo de que no fueran imágenes tan atractivas como las del Hubble, que durante más de una generación han capturado la imaginación de la gente. Afortunadamente, el resultado es magnífico. 

Las cuatro fotos que vimos en la primera tanda son hermosas, pero son sólo astrofotos. Esas galaxias lejanas, por ejemplo, ¿cómo son? ¿cuántas hay? ¿cuánto pesan? ¿cómo son sus estrellas, de qué están hechas? ¿cómo llegaron a convertirse en "vías lácteas"? ¿Cómo son sus agujeros negros centrales? Esconden un tesoro de información codificada en su luz, y la ciencia del Webb recién empieza. 

 

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Las imágenes son de NASA/ESA/STScI/JWST/HST. A pesar de que las noticias titularon "la NASA revela..." es importante recordar que el JWST, al igual que el HST, es un proyecto multinacional, como casi todos los grandes proyectos científicos.

El cielo del Hubble

Me apareció en Twitter un mapa de todo el cielo, mostrando las observaciones del Telescopio Espacial Hubble. Me gustó la idea de visualizar el cielo del veterano telescopio, pero un par de cosas no me satisfacían. No me gustó que estuvieran todas las observaciones del sistema solar, marcando la eclíptica, y que la ascención recta aumentara de izquierda a derecha, con lo cual el cielo aparecía "al revés" de como lo vemos. Me costaba navegarlo y encontrar objetos conocidos. Así que quise hacerlo yo mismo. Mi primera versión corrigió ese último defecto, y quedó así, mostrando las 1149511 observaciones:

En este mapa en coordenadas ecuatoriales podemos reconocer la eclíptica como una ondulante línea de muchas observaciones alrededor del ecuador (que es la mitad del gráfico, declinación cero). Revisando el catálogo inmediatamente vi que muchas observaciones estaban señaladas como "moving target". Evidentemente, para eliminar la eclíptica tenía que eliminar las de objetos móviles: planetas, cometas, lunas, asteroides, etc. Eran 48821, más unas cuantas de Neptuno y Plutón marcadas como fijas, claro, casi no se mueven. ¡Zap! Eliminadas. Y me encontré también con una cantidad de exposiciones que realmente no me interesaban para el mapa. Son las calibraciones, familiares a cualquier astrofotógrafo: darks, flats y bias, más de 240 mil. ¡Zap, zap! Muchas de las restantes tenían la palabra "calib", (por ejemplo "earth-calib", no tenía idea de que el Hubble mirara la Tierra en ocasiones). ¡Zap, zap, zap! Me quedaron 835260 observaciones. Aquí están. El cielo profundo del Hubble:

Curiosamente, quedan residuos de la eclíptica, no logré identificar por qué. Ignorémosla. Si prestan atención verán una franja oscura, es decir con menos observaciones, formando una ondulación más pronunciada que la de la eclíptica. Es la Vía Láctea, que en el contexto de la observación del universo lejano se llama zone of avoidance, debido a que la densidad de polvo interestelar y las masas de estrellas dificultan la observación del universo extragaláctico. He aquí un mapa con la misma proyección, hecho con Cartes du Ciel, para orientarse un poco. La Vía Láctea aparece en un azul claro, y la eclíptica en amarillo.

Mirando el mapa y el cielo del Hubble es posible identificar objetos conocidos, que han sido muy observados y presentan gran cantidad de puntos: las Nubes de Magallanes, el centro galáctico, el cúmulo de galaxias de Virgo, la galaxia de Andrómeda, y otros. He aquí una versión mínimamente anotada. Les dejo la identificación del resto como tarea para el hogar.

El catálogo contiene también los tiempos de exposición de cada observación, que van desde brevísimos hasta insanamente largos. Se me ocurrió usarlos para tratar de identificar los campos profundos y los Frontier Fields, que son exposiciones del orden del millón de segundos. El resultado fue el siguiente, usando el tamaño de los puntos para representar el tiempo de exposición. No me funcionó, no pude identificar casi nada. Es claro que los campos profundos no son observaciones únicas, sino que están formados por múltiples exposiciones más cortas, combinadas luego de manera informática. Lo mismo que hacemos los aficionados, después de todo. A ver si a alguien se le ocurre qué es esa observación súper larga cerca de RA 5 DEC +60, por ejemplo.

Hay dos misterios más en el mapa del cielo del Hubble. Lo pongo aquí de nuevo con flechas indicadoras. El primer misterio es el ecuador (DEC = 0, flechas amarillas):

¿Por qué hay una abundancia de observaciones cerca del ecuador celeste? Sospecho que son también calibraciones de algo, porque no hay nada particularmente interesante allí. Pero no sé qué son.

Y hay un misterio adicional, más intrigante: ¿por qué hay muchas más observaciones en el hemisferio norte que en el sur? Si se fijan, verán que es muy notable una región de muchas observaciones delimitada por el ecuador y la zone of avoidance (flechas rojas). No es una ilusión óptica de cómo está acomodada la imagen: el 52% de las observaciones están al norte de +5 grados de declinación, y sólo el 38% están al sur de -5 grados. No me puedo imaginar por qué, así que si a alguien se le ocurre una idea, por disparatada que fuera, podemos considerarla.

 

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El catálogo de observaciones de Hubble fue descargado del sitio de la ESA (que me resulta más amigable que el de la NASA/STScI). 

Hice también el mapa de Cartes du Ciel sin constelaciones, y con un montón de objetos del cielo profundo. Muchos de estos puntos (si no todos) están también el mapa del cielo del Hubble.

Photobombing en el supercúmulo

La semana pasada mostré preciosos arcos luminosos en el cúmulo de galaxias Abell 370, que son imágenes elongadas de galaxias más lejanas, distorsionadas por el efecto de lente gravitacional. En el campo paralelo de Abell 370, fotografiado como comparación en el programa Frontier Fields, no se veían arcos. Pero en realidad el campo paralelo se ve así:

¡Epa! ¿Hay lente gravitacional en el campo paralelo? No, no. Si se fijan bien estos arcos son distintos que las galaxias distorsionadas como el Dragón. Son bien brillantes, regulares y no son concéntricos. En la imagen de Abell 370 también aparecen, pero los astrónomos los remueven para no confundir:

¡Son asteroides que se colaron en la foto! Resulta que Abell 370, en la constelación de Cetus, la Ballena, está muy cerca de la eclíptica, que es el plano donde orbitan la mayor parte de los cuerpos del sistema solar. Así se ve hoy a medianoche, por si alguien quere salir a cazar dragones:

Por estar cerca de la eclíptica unos cuantos asteroides se colaron en la foto. Sus imágenes están movidas porque las fotos de los Frontier Fields son exposiciones extremadamente largas, y el telescopio espacial Hubble se mueve en su órbita mientras las hace. A eso se debe también la formita curvada de las trazas de los asteroides. Además hay trazas repetidas, porque la foto es tan larga que se la obtuvo haciendo múltiples exposiciones (llamadas épocas) a lo largo de años, acomodándolas intercaladas con las de muchos otros proyectos del telescopio.

Las imágenes con los asteroides también son preciosas, y nos recuerdan las muchas vicisitudes que tiene la astronomía en el mundo real. Las fotos fantásticas a las que nos hemos acostumbrado están muy procesadas por los expertos en imágenes antes de llegar al público. En alguna medida todos los que compartimos nuestras fotos astronómicas también lo hacemos.

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Las imágenes de Abell 370 y su campo paralelo son de NASA/ESA/Hubble Space Telescope. La imagen del cielo está hecha con Stellarium.

El Dragón en la panza de la Ballena

En la constelación de la Ballena, casi exactamente en el ecuador celeste, hay un objeto extraordinario que, por razones obvias, ha recibido el sobrenombre de "el Dragón":

¡Qué es esto! Es una galaxia. A la izquierda vemos la cabeza del Dragón, que tiene pinta de galaxia espiral, con un núcleo anaranjado de estrellas antiguas y azules brazos de estrellas jóvenes, festoneados de puntos brillantes de intensa formación estelar. Un cuello, un cuerpo y una cola serpentean hacia la derecha, también pintados de naranja y celeste. Es una galaxia, pero no se parece a ninguna de las galaxias que estamos acostumbrados a ver. ¿Tal vez tiene una larga cola producto de una interacción con otra galaxia? Después de todo el Dragón parece estar nadando en un mar de otras galaxias. Pero no es eso. Otros filamentos que vemos por ahí apuntan a otro fenómeno. El campo completo de este cúmulo de galaxias, conocido como Abell 370, permite ver lo que está pasando:

En Abell 370 vemos cientos de galaxias, grandes y chicas. Pero lo más notable salta a la vista: el Dragón es un caso peculiar de una multitud de arcos luminosos, algunos reconociblemente galaxias estiradas y deformadas, formando un patrón casi circular alrededor de su centro. Abell 370, con su enorme masa, funciona como un telescopio de mala calidad, aumentando y distorsionando la luz de galaxias más lejanas. Se trata de un caso extremo de lente gravitacional, en la cual la refracción de la luz no la produce un medio material (como en una lupa de vidrio) sino la mismísima curvatura del espacio-tiempo que explica la Relatividad General.

Abell 370 es uno de los cúmulos del programa Frontier Fields, una ambiciosa campaña de observación profunda de seis cúmulos de galaxias usando el Telescopio Espacial Hubble, con la intención de aprovechar estos "telescopios naturales" para observar el universo joven, más allá de lo que el Hubble solito puede hacer. Además de cada cúmulo se observó un campo vecino, sin la lente gravitacional, con propósitos de comparación. Éste es el "aburrido" campo paralelo de Abell 370:

Vale un recordatorio: cada lucecita en estas imágenes no es una estrella, sino una gran galaxia con centenares de miles de millones de estrellas, con sus planetas, lunas, asteroides, cometas...

Además de permitir observar lejanísimas galaxias de otro modo inaccesibles, la deformación que produce la lente gravitacional permite calcular la distribución de materia en el cúmulo. Es un ejemplo de un problema inverso: dado un resultado, descubrir la causa que lo produce. Los problemas inversos son notoriamente difíciles, y es un gran mérito de los astrónomos la maestría que han logrado. Para Abell 370 la lente es así, pintando de azul la distribución de materia:

Dos cosas son notables aquí. Primero, que la distribución de materia no coincide exactamente con las galaxias que vemos formando parte del cúmulo, algunas de ellas muy brillantes, grandes y seguramente enormemente masivas. De hecho, la máxima densidad de la lente está aquí, ¡justo en un sitio donde no hay galaxias! Toda esta materia tiene masa (porque la vemos distorsionando la luz) pero no brilla como las estrellas de una galaxia. Por tal razón la llamamos materia oscura. Aparte de que existe y que produce estos efectos, no sabemos gran cosa de ella.

En segundo lugar, vemos que hay dos núcleos de materia oscura (dos partes de azul más brillante). Esto muestra que Abell 370 no es un cúmulo sino dos cúmulos en colisión (tal vez sean cuatro). Cuando chocan dos cúmulos de galaxias rara vez chocan sus miembros unas con otras, tal es la vastedad del espacio entre ellas. Pero el tenue gas que hay entre ellas sí choca, y en el choque se comprime, se calienta y queda un poco atrás del resto de su cúmulo. Ese gas caliente emite rayos X, y ha sido observado por el Telescopio Espacial Chandra. Aquí lo vemos pintado de rosa:

La separación de la nube rosa (gas caliente) y la nube azul (lente gravitacional) constituye una de las mejores evidencias de la existencia de esta rara materia oscura.

El Hubble se ha embarcado en una campaña adicional de observación de los Frontier Fields: BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields and Legacy Observations). Afortunadamente se solucionó la reciente falla de uno de sus giróscopos y el Hubble ha retomado su trabajo, que nos ha dado tantas maravillas en ya más de un cuarto de siglo.

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Las imágenes son de NASA/ESA/STScI/Hubble Space Telescope/Chandra Space Telescope y sus muchas e internacionales instituciones asociadas.

El Gran Debate y el Agua Negra

Cualquier telescopio mediano permite ver, desde un lugar razonablemente oscuro, pequeñas nebulosas más o menos ovaladas y de aspecto espiral que, a principios del siglo XX, estuvieron en el centro de un misterio científico: ¿qué eran? En 1920 se desarrolló en el Museo Smithsoniano un Gran Debate, en el cual expusieron sus argumentos los dos principales defensores de posibles soluciones del misterio. El asunto era más profundo que la mera naturaleza de las nebulosas. Harlow Shapley sostenía que el Sol ocupaba un lugar periférico en el inmenso sistema estelar de la Vía Láctea, y que las "nebulosas espirales", similares a las muchas nebulosas que observamos en el plano de la Vía Láctea, formaban parte de este sistema estelar. Heber Curtis argumentaba que el Sol estaba en el centro del sistema de estrellas, y que las nebulosas eran en sí mismas sistemas gigantes similares a la Vía Láctea entera, y que estaban por lo tanto lejísimos.

Si Shapley hubiera tenido razón, la Vía Láctea sería el universo todo. Si, en cambio, las nebulosas del debate eran extragalácticas el universo era inmensamente mayor que lo que se había explorado durante el siglo XIX. La cuestión se zanjó cuando Edwin Hubble pudo medir la distancia a la "nebulosa" de Andrómeda y a otras similares. Resultó, como aprendemos hoy desde chiquitos, que eran galaxias, inmensas y lejanísimas.

Curiosamente, los dos campeones del Gran Debate tenían razón en parte y se equivocaban en parte. ¿Hay alguna enseñanza en esto? Dentro de un siglo, ¿verán nuestros esfuerzos por comprender la naturaleza misteriosa de la materia oscura con la simpatía con la que nosotros vemos el Gran Debate? ¿Habrá algo de razón en cada posición: que son partículas muy poco interactuantes, axiones, neutrinos, agujeros negros primordiales, o que hay que modificar la gravitación? Creo que la mayoría de los físicos y astrofísicos estamos razonablemente convencidos de que se trata de partículas. Después de todo, sabemos que el modelo estándar, con todos sus éxitos, no está completo (falta la masa de los neutrinos, entre otas cosas). Pero pasan los años y los experimentos que bucan detectar directamente las partículas de materia oscura siguen sin dar resultados (salvo la oscilación anual del experimento DAMA/Libra, que muchos sospechan es un error sistemático).

Me encantaría que la materia oscura se descubra en la Argentina. Todavía el gran público no lo conoce, pero desde hace años tenemos un proyecto de un laboratorio de partículas subatómicas a gran profundidad, una condición necesaria para aislarse de la radiación cósmica y poder estudiar fenómenos sutiles como la materia oscura. El laboratorio ANDES se construirá a mitad de camino del nuevo túnel carretero debajo de la cordillera, en el Paso de Agua Negra, en San Juan. El líder del proyecto es nuestro colega Xavier Bertou, del grupo de Partículas y Campos del Centro Atómico Bariloche. El túnel es importantísimo para la economía del cono sur, y el laboratorio es una oportunidad sensacional para la ciencia básica sudamericana. Espero que los dos se lleven a cabo, y que Xavier descubra la materia oscura allá por el 2028.

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Las imágenes de las galaxias espirales M101 y M104 son de NASA/ESA/Hubble Space Telescope. El plano del laboratorio es del proyecto Agua Negra Deep Experiment Site y del Consorcio Sudamericano de Experimentos Subterráneos. Lean el folleto de ANDES aquí.

La importancia de ser estrella

Cada uno tiene su estrella favorita. La mía, por ejemplo, es Pi Puppis (por razones que no vienen al caso). Para algún otro será, no sé, Betelgeuse. Si le pudiéramos preguntar a Hubble tal vez contestaría "V1". Me refiero a Hubble, el señor, no el telescopio. Edwin Hubble, uno de los grandes astrónomos del siglo pasado.

Edwin Hubble era un tipo fenómeno. Fue destacado atleta de pista y campo, aficionado al box y a la pesca con mosca, entrenador de básquet, profesor de castellano, abogado, veterano de dos guerras mundiales y, bueno, astrónomo genial. Trabajó durante toda su vida profesional en el Observatorio de Monte Wilson, cerca de Los Ángeles. Era alto, buen mozo, y estaba tan a sus anchas fotografiando las estrellas del cielo como en las fiestas de las estrellas de Hollywood. En 1923, a los 34 años, hizo un descubrimiento crucial que cambió (cuándo no) nuestra imagen del universo. En la noche del 5 al 6 de octubre, usando el telescopio Hooker de 100 pulgadas tomó la foto que está aquí al lado. Es una foto de M31, la famosa Galaxia de Andrómeda. Puede distinguirse su centro abultado, filamentos oscuros que delinean sus brazos espirales, y muchísimas estrellas pequeñitas.

Resulta que en 1923 nadie la llamaba "galaxia" de Andrómeda. Era la "nebulosa" de Andrómeda. El universo (¡hace apenas 88 años!) tenía una y sólo una galaxia: la nuestra, la Vía Láctea. Al menos esa era la opinión generalizada de los astrónomos, entre los cuales se encontraba Harlow Shapley, su colega senior en Mt. Wilson. Shapley sostenía que las nebulosas espirales eran nubes de gas y polvo, tal vez sistemas solares en formación, a no más de 300 mil años luz (que era el tamaño que él había calculado para la Vía Láctea).

Precisamente para investigar la naturaleza de las llamadas nebulosas espirales fue que George Hale, director del observatorio, había construido el magnífico telescopio Hooker. En esta foto vemos su tremendo espejo, de 100 pulgadas de diámetro, recién aluminizado por John Strong y nuestro Enrique Gaviola en 1935 (acababan de inventar el espejado y configurado mediante aluminio; antes se hacía con plata y había que rehacerlo todos los años).

Hubble se abocó a fotografiar y estudiar nebulosas espirales, y el 6 de octubre de 1923 tomó esa foto. Señaló un par de estrellas interesantes con una letra N, sospechosas de ser novas, estrellas "nuevas", que habían hecho "erupción". Una de ellas, sin embargo, la de arriba a la derecha (¡apenas se la distingue en esta reproducción de la foto!), no era una nova. Esta estrella ya había aparecido en fotos anteriores, pero había cambiado de brillo. Era una estrella variable —la que pasaría a llamarse M31_V1. Y era una variable de un tipo muy particular, llamadas cefeidas. Las cefeidas —había descubierto Henrietta Swan Leavitt recientemente— tienen una relación matemática muy exacta entre el período de variación y el brillo intrínseco. De manera que midiendo el período (sólo era cuestión de tomar más fotos) y el brillo con el cual se la ve (cuanto más lejos, más tenue), podía calcularse su distancia. Hubble tachó la N (con doble raya) y con mano temblorosa escribió VAR! Uno puede imaginarse la emoción del joven astrónomo: ¡tenía entre manos la clave para uno de los grandes misterios del universo!

¿Y qué pasó cuando hizo las cuentas? La Gran Nebulosa resultó estar a 1 millón de años luz de distancia (2 millones, sabemos ahora). Definitivamente fuera de la Vía Láctea. Era ella misma una galaxia hecha y derecha, y encima era una de las más cercanas. De golpe, de la noche a la mañana, como en un Big Bang conceptual, el universo se infló millones de veces. Hubble siguió observando M31 durante varios meses, confirmando su hallazgo. En una carta le contó a Shapley el descubrimiento. Éste comentó a un colega: "Ésta es la carta que destruyó mi universo".

Ochenta y ocho años más tarde el telescopio espacial que lleva su nombre, por iniciativa del Instituto del Telescopio Espacial y de la American Association of Variable Stars Observers (cuyo presidente es nada menos que Jaime García, del Instituto Copérnico de San Rafael, Mendoza), ha vuelto a fotografiar y estudiar la estrella V1, como parte de la celebración del centenario de la AAVSO. Las fotos tomadas por el telescopio Hubble fueron dadas a conocer esta semana, y una de las imágenes aparece junto a este párrafo. En el sitio web del Hubble hay más detalles y más fotos, que valen la pena revisar, sobre este homenaje al gran astrónomo.

El trabajo de Hubble para medir la distancia a las galaxias (que continuó nada menos que con su descubrimiento de la expansión del universo, uno de los pilares de la cosmología moderna) fue solamente un eslabón en una cadena milenaria de esfuerzos por medir el tamaño del mundo. Algunos de estos se pueden leer en mi libro Viaje a las Estrellas: De cómo y con qué los hombre midieron el universo (Siglo XXI). Se consigue en todas las librerías, y también en la web (ver aviso en el margen derecho).

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Nota: La foto de Gaviola y Strong contemplando el espejo del Hooker está tomada del archivo de Caltech, donde se la adjudica a World Wide Photos. Sin embargo fue tomada por el propio Gaviola con su propia cámara, y podemos considerarla en el dominio público. En todo caso, no es propiedad de Caltech, a pesar del feo cartelito que la recubre. Habrá más sobre el genial Gaviola en algún futuro cercano.

Nota 2: El título de la nota refiere, por supuesto, a la obra de Oscar Wilde, The Importance of Being Earnest. Idea de mi media naranja. Casi lo pongo en inglés: The importance of being a star. Siempre es bueno mencionar a Wilde. No hay nada peor que no hablar de él.

Nota 3: Guau. Mi amigo Ariel Torres, óptimo columnista de La Nación de Buenos Aires, acaba de recomendar mi blog desde el suyo, dedicado al freeware. ¡Gracias, Ariel! Vayan y lean a Ariel, en el blog y en el Suple de Tecnología todos los sábados. Y lean también sus cuentos, que son buenísimos.