El planeta Vulcano

La humanidad conocía un puñado de planetas desde la noche de los tiempos, desde antes de que tuvieran nombres de dioses. Pero en 1781 William Herschel descubrió casualmente Urano, y pateó el tablero del sistema solar. La semana pasada contamos que, tras el descubrimiento, se desató una búsqueda del tesoro que aún no termina: ¿habrá más planetas en el sistema solar? Y contamos que rápidamente fueron descubiertos cuatro más, que hoy llamamos asteroides, pero que fueron contados como planetas durante casi todo el siglo XIX. Recién casi medio siglo después se descubrió el quinto asteroide (pero antes de fin de siglo ya se contaban de a cientos). Al mismo tiempo, ciertas anomalías en la órbita de Urano convencieron a muchos astrónomos de que se debían al tironeo de un verdadero planeta. Uno grande, no uno de los chiquitos que se amontonaban entre Marte y Júpiter. Urbain Le Verrier, astrónomo brillante del Observatorio de París predijo su posición, y Neptuno fue descubierto precisamente donde Le Verrier lo había vislumbrado matemáticamente. 

Había otro planeta con anomalías en su órbita: Mercurio. François Arago, director del Observatorio, le había recomendado a Le Verrier que analizara el problema. Éste lo hizo en paralelo con su trabajo sobre la órbita de Urano. Entusiasmado con su éxito cuando apareció Neptuno, hizo un trabajo muy detallado de la órbita de Mercurio. Descubrió que el perihelio del planeta no estaba fijo, sino que avanzaba alrededor del Sol, de manera que la órbita era una especie de florcita (extremadamente exagerada acá):

En sus cálculos, Le Verrier descubrió que, si tenía en cuenta la perturbación producida por el resto de los planetas (especialmente Júpiter), podía explicar la mayor parte de esa precesión. Pero quedaba una diferencia, de unos 40 segundos de arco por siglo, que resultaban inexplicables: se la llamó precesión anómala de la órbita de Mercurio. En la figura la precesión está muy exagerada, ya que 43 segundos por siglo es muy poquito, es una vuelta cada 3 millones de años. Pero ya se sabe, esos detalles deleitan a los científicos, no pueden dormir hasta que tienen una explicación. Y la explicación de Le Verrier, sin duda inspirada por su exitosa predicción de la existencia de Neptuno, fue que había otro planeta desconocido. Este planeta perturbador habría pasado desapercibido, no como Neptuno por su enorme distancia, sino porque estaría entre Mercurio y el Sol, y por lo tanto sería muy difícil de observar. ¿Había algún dios importante disponible para nombrarlo? La cercanía al Sol lo mantendría caliente como lava: se impuso el nombre de Vulcano.

Le Verrier publicó su trabajo en 1859, y en diciembre de ese año recibió una carta de un médico y astrónomo aficionado, Edmond Lescarbolt, quien le decía que había visto Vulcano pasar delante del Sol. Le Verrier se tomó un tren y se fue a interrogar al Dr. Lescarbolt. Éste le contó que, observando el Sol con un telescopio pequeño, de 95 mm, había visto una mancha circular. Al principio creyó que era una mancha solar, pero al detectar que se movía, y habiendo observado recientemente un tránsito de Mercurio, imaginó que estaba viendo la silueta de Vulcano. Con el corazón en la boca hizo mediciones de la posición, la dirección y el tiempo del tránsito, y se las había mandado a Le Verrier. Me puedo imaginar a Le Verrier, con un nudo en la garganta y el sombrero en una mano, poniéndose de pie en el consultorio de Lescarbolt, y abrazándolo emocionado. Sólo una persona en la historia de la humanidad había predicho exitosamente la existencia de un planeta: él. ¿Dos planetas? ¡También él! El 2 de enero Le Verrier anunció el descubrimiento en la Academia de Ciencias, junto con sus estimaciones de la órbita: el planeta no se alejaría del Sol más de 8 grados, lo cual haría imposible observarlo directamente, salvo durante un eclipse total. A Lescarbolt le dieron la Legión de Honor, como al Tío Alberto.

No todos los astrónomos aceptaron la existencia de Vulcano. Pero empezaron a llegar más observaciones de tránsitos, incluso algunas anteriores. Un urólogo alemán (cuántos médicos aficionados a la astronomía, ¿no?) había visto un doble tránsito en 1819. ¿Vulcano tendría una luna? Otro astrónomo alemán, Johann Pastorff, lo había observado numerosas veces: en 1822, en 1823, seis veces en 1834, una en 1836 y otra en 1837. El 29 de enero de 1860, poco después del anuncio de Le Verrier, cuatro observadores lo vieron desde Londres. Un astrónomo americano lo había visto también en 1860. No hubo reportes en 1861, pero en 1862, un astrónomo inglés observó un tránsito desde Manchester y alertó a un colega, quien también pudo observarlo simultáneamente, lo cual permitió calcular propiedades de la órbita, que resultó similar a la calculada por Le Verrier (unos 19 días de período). En 1865 un tránsito fue observado desde Estambul. 

En 1877 Le Verrier murió, convencido de que había descubierto un nuevo planeta. Con la pérdida de su principal defensor, la búsqueda de Vulcano empezó a flaquear. Pero en 1878, durante un eclipse solar total, dos astrónomos experimentados, independientemente, reportaron la observación de un objeto compatible con Vulcano en las proximidades del Sol. 

La búsqueda de Vulcano durante eclipses de Sol continuó durante décadas, sin nuevos resultados. En 1908 William Campbell (director del Observatorio Lick) y Charles Perrine (del mismo observatorio, y que el año siguiente se mudaría a la Argentina para dirigir el Observatorio de Córdoba), analizaron todas las observaciones fotográficas disponibles y concluyeron que Vulcano no existía y que ya no valía la pena buscarlo. 

Pero la anomalía de la órbita de Mercurio era real, y había sido confirmada en 1882 por el gran astrónomo canadiense Simon Newcomb. Finalmente, en noviembre de 1915, Albert Einstein presentó ante la Academia de Ciencias de Prusia su nueva teoría de la gravitación, la Relatividad General, y mostró cómo podía explicar la precesión anómala de la órbita de Mercurio sin necesidad del planeta Vulcano. En general se considera que la deflexión de la luz estelar observada por Arthur Eddington durante el eclipse solar de 1919 fue la primera prueba experimental de la Relatividad, pero en realidad fue el 25 de noviembre de 1915, cuando Einstein presentó la versión definitiva de sus ecuaciones del campo gravitatorio y resolvió el problema de Mercurio. 

Vulcano desapareció del sistema solar, y apareció fugazmente en órbita de su estrella de ficción, Épsilon Eridani, como ya hemos contado, pero su existencia todavía no ha sido confirmada definitivamente. 

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El retrato de Le Verrier es de Wikipedia. La ilustración de Vulcano en el sistema de Épsilon Eridan está hecha con Space Engine. 

Muchos detalles de esta historia los tomé de la nota sobre Vulcano en The Free Dictionary, más algunos recuerdos personales.

¡Que los cumplas, Neptuno!...

No, no es el aniversario del descubrimiento de Neptuno. Es algo mucho más simpático. El más lejano y más lento planeta de nuestro sistema solar fue descubierto el 23 de septiembre de 1846. Esta noche, después de 60190 días, ha completado por primera vez una órbita desde su descubrimiento. Un "añito".

La historia del descubrimiento de Neptuno es superinteresante. Me quedó un poco larga, pero pido un poco de paciencia porque vale la pena.

Medio siglo antes, en 1781, William Herschel había descubierto el planeta Urano, un poco de casualidad. Por primera vez desde tiempos prehistóricos la Humanidad descubría que había en el cielo un nuevo planeta.

Tras el descubrimiento de Urano se desató una manía por descubrir qué más podía existir allá lejos. ¿Había más planetas, acaso? Hacia fines del siglo XVIII se organizó una campaña internacional para explorar meticulosamente la eclíptica (la región del cielo por donde se mueven los planetas), en particular para encontrar un planeta "faltante" entre Marte y Júpiter, que predecía la "ley" de Titius-Bode. Sin mayor demora, el 1 de enero de 1801 el Padre Piazzi descubrió Ceres, precisamente entre Marte y Júpiter, que fue catalogado como planeta y recibió el nombre de una diosa importante como correspondía a la tradición. Con los subsiguientes descubrimientos de Pallas, Juno y Vesta —también entre Marte y Júpiter— quedó claro que Ceres, a diferencia de los otros planetas, formaba parte de una familia. El propio Herschel los observó detenidamente y calculó su tamaño, deduciendo correctamente que estaban en el orden de los cientos de kilómetros de diámetro. Recomendó un nuevo nombre para la nueva categoría: asteroides. Hoy se conocen más de medio millón.

OK, el sitio vacante entre Marte y Júpiter no estaba ocupado por un planeta sino por un enjambre de planetitas, los asteroides. ¿Qué más? Durante las primeras décadas del siglo XIX se acumuló evidencia de que tenía que haber otro planeta, un planeta grande, más allá de Urano. La órbita de éste era irregular, como si la perturbara un planeta desconocido. Simultáneamente se estaba desarrollando a gran velocidad la mecánica celeste, rama de la física matemática que había nacido con el trabajo de Newton un siglo antes, y cuyo enorme logro había sido explicar las Leyes de Kepler. La descripción detallada de las órbitas de los planetas estaba resultando muy difícil, pero se hicieron grandes avances teóricos (que terminarían impactando muchas otras ramas de la ciencia. Nota mental: hablar algún día del lejano origen del caos, Lagrange, Poincaré, Lorenz.)

Hacia 1840 muchos astrónomos estaban convencidos de la existencia de otro planeta (no todos, sin embargo; algunos creían que la ley de gravitación dejaba de valer a grandes distancias, curiosamente un argumento que resurge cada tanto hasta el día de hoy). Pero una cosa es convencerse, y otra cosa es calcular dónde tenía que estar. Es un ejemplo de lo que se llama un problema inverso: dada una consecuencia (la órbita de Urano) encontrar su causa (la posición del planeta desconocido). ¿Se entiende? Una cosa es, sabiendo dónde están unos objetos, predecir cómo se tiene que mover otro (problema directo), y otra muy distinta es, sabiendo cómo se mueve uno, inferir dónde están los que lo hacen moverse así (problema inverso). Los problemas inversos son en general muy difíciles, aun hoy en día. No puedo imaginarme lo que habrá sido hace un siglo y medio.

Sin embargo era una papa caliente, así que había mucho interés en el asunto. A punto tal que no uno sino dos astrónomos/matemáticos brillantes, Urbain Le Verrier de París y John Couch Adams de Cambridge, calcularon la posición del hipotético planeta. Trabajaron independientemente, ignorando cada uno el trabajo del otro, durante varios años. Adams llegó primero a un resultado confiable pero tuvo problemas de comunicación con el Astrónomo Real, George Airy, para convencerlo de que destinara los esfuerzos de un observatorio para su búsqueda (Airy es más famoso que Adams hoy en día...). Le Verrier compartió la misma suerte al principio, ya que en el Observatorio de París parece que miraron de reojo por el telescopio un ratito y perdieron el interés.

Finalmente Airy leyó los trabajos publicados por Le Verrier y vio que eran casi idénticas a las de Adams (están marcadas en la figura, además de la posición de Neptuno en 1846 y en 2011, y un cameo de Saturno). ¡Y le agarró miedo de perder un descubrimiento tan importante con los franceses! Se puso en comunicación con ambos astrónomos para aclarar cuestiones técnicas, ¡pero no le dijo a cada uno que había otro haciendo el mismo trabajo! El Astrónomo Real dispuso que empezaran a buscar en Cambridge, pero sin éxito durante todo el verano de 1846.

Le Verrier seguía trabajando. Publicó un tercer paper, con valores detallados de masa y órbita, y hasta un cálculo del tamaño que tendría el planeta. El descubrimiento era inminente. ¿De qué lado del Canal de La Mancha ocurriría? El 10 de septiembre John Herschel (hijo de William) dijo en una conferencia: "Lo vemos [al nuevo planeta] como Colón veía América desde las playas de España". ¡Ja! ¡Qué vivo! Era un excelente astrónomo y matemático, y estaba superconvencido de los cálculos que había visto, ¡pero qué rabia que le daría no encontrarlo!

El desenlace fue rapidísimo. Cansado de que no le dieran bolilla en París, Le Verrier le escribió a Johann Galle, de Berlín, el 18 de septiembre. Galle recibió la carta el 23 de septiembre. Esa misma noche buscó el planeta donde decía Le Verrier, usando unas excelentes cartas estelares recién compiladas. En apenas media hora lo encontró: una "estrella" que no estaba en las cartas, a menos de 1° de la posición calculada por el francés. Para confirmar volvió a observar la noche siguiente. Se había movido: era el planeta. El 25 de septiembre Galle contestó a Le Verrier: Monsieur, el planeta realmente existe en la posición que Ud. indicó.

En Cambridge buscaron también en la más reciente predicción de Le Verrier y les pareció ver el disco de un planeta, pero no alcanzaron a confirmar su movimiento. Ya no hubo tiempo. The Times del 1 de octubre tenía el titular: Encontrado el planeta de Le Verrier. Los ingleses habían perdido la carrera. ¡Busquen satélites, urgente! gritó Herschel. El 10 de octubre, en Cambridge, descubrieron Tritón (aquí al lado en una elegante foto de Voyager 2). Pero no es lo mismo, no me van a decir.

A posteriori se descubrió que Neptuno había sido ya visto muchas veces, no sólo ese verano en Cambridge, sino años antes también, y ¡hasta por el propio Galileo durante sus observaciones de Júpiter! El telescopio de Galileo no permitía observar el disco del lejano planeta, y Galileo seguramente estaba tan absorbido por sus observaciones del sistema de Júpiter que no se dio cuenta de que una de las "estrellas" se movía. Por otro lado, también se descubrió que Le Verrier tuvo mucha suerte. Su cálculo (aproximado) sólo funcionaba bien en 1846, ya que la órbita de Neptuno no resultaba correcta. Si hubieran usado la misma predicción al año siguiente no lo habrían encontrado. (El cálculo de Adams era igualmente "incorrecto"; es que se trata de un problema muy difícil, como dije antes, para el cual no existen soluciones exactas). La posteridad, sin embargo, acredita con justicia a Le Verrier, Galle y Adams el descubrimiento de Neptuno, primer planeta descubierto con el poder de la matemática.

Neptuno no se ve a simple vista, pero con binoculares debería ser fácil de observar (magnitud 7,8), muy cerca de la estrella de 5^a magnitud 38 Aquarii (como se ilustra en la figura de arriba, la que tiene marcadas las predicciones de Adams y Le Verrier; click aquí para agrandarla en otra pestaña). Por primera vez Neptuno vuelve a estar muy cerca de donde se lo descubrió hace 164 años (no exactamente en el mismo lugar del cielo porque la Tierra no está en el mismo lugar). Hay que buscarlo tarde, hacia el Este, en la región entre Acuario y Capricornio. Esta carta (click para agrandarla) muestra el cielo desde Bariloche a la 1 de la madrugada, con Neptuno a unos 30° de altura. Nótese que también está allí el asteroide Vesta, que estará en este blog la semana que viene...

Según mi experiencia la semana pasada, lo que conviene hacer para ubicar a Neptuno con binoculares es empezar por las dos estrellas de "la punta de abajo" de Capricornio. Seguirlas hacia abajo hasta localizar un triángulo de estrellas de magnitud 5 (la del vértice superior un poco más brillante). Engarzado al vértice de la izquierda (la estrela 38 Aqr) aparece otro triángulo, de estrellas de magnitud 6, que sirve para verificar que tenemos a 38 Aqr. La posición de Neptuno es la que se indica. A medida que pasen los días se irá alejando de 38 Aqr. Con binoculares se ve tenue y sin disco aparente, no hacerse ilusiones. Con más aumento se puede ver su disco, cuyo diámetro aparente es de apenas 2,5", muy chiquito. (¡Ojo! Estas instrucciones son válidas desde latitudes australes. Los observadores del hemisferio norte verán todo esto casi al revés. Ténganlo en cuenta, o mejor usen un programa como Stellarium o Cartes du Ciel para localizar la frontera entre Acuario y Capricornio, las estrellas indicadas, y el planeta.)

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Nota. Los huecos de mi memoria en esta historia fueron completados con este interesante texto de J. J. O'Connor y E. F. Robertson, alojado en un excelente archivo de Historia de la Matemática de la Universidad St. Andrews de Escocia, que acabo de descubrir.