El descubrimiento de los pulsares
Los pulsares fueron descubiertos recién el año 1967. Esto es bastante reciente, si se considera que el uso de telescopios había comenzado más de 300 años antes y tanto la radioastronomía como la astronomía de rayos X ya eran disciplinas establecidas. Para cuando los pulsares fueron descubiertos, la comunidad científica y la sociedad en general ya sabía de cuásares, galaxias, estrellas, lunas e incluso enanas blancas. A pesar de que se había predicho la existencia de estrellas de neutrones, nadie esperaba el comportamiento inusual de los pulsares. Los telescopios de la época no estaban preparados para fuentes astronómicas que variasen a tal velocidad.
Los pulsares fueron descubiertos gracias a la combinación de un instrumento con las propiedades idóneas y la tenacidad de una estudiante de doctorado.
representación de una estrella de neutrones. Se aprecian radiación (luz) proveniente de partículas que están siendo aceleradas a lo largo de las líneas de campo magnético. La rotación de este objeto en torno a algún eje es un pulsar [crédito: Casey Reed, Penn state University].
Existen estrellas hechas de neutrones
En el año 1934, los astrofísicos Walter Baade y Fritz Zwicky publicaron dos artículos en los que acuñaron, por primera vez, el término supernova, crearon el concepto de estrella de neutrones y asociaron ambos objetos a la presencia de rayos cósmicos. Estos son partículas, como protones y electrones, que cruzan el universo a gran velocidad y que habían sido detectados años atrás pero se desconocía su origen. Los conceptos nuevos propuestos en estos artículos permanecen vigentes y aún son usados por la comunidad científica.
Propusieron que cuando una estrella agotaba su combustible, hacia el final de su vida, colapsaría en una estrella pequeña y muy densa, probablemente hecha de muchos neutrones. El colapso liberaría energía, que aportaría a la gran potencia de las explosiones de supernova.
Pero las ideas de Baade y Zwicky no nacieron exclusivamente de su gran imaginación y trabajo intenso, sino que también se basaron en resultados científicos previos, como es usual en ciencias. Por ejemplo, dos años antes, en 1932, el físico James Chadwick descubría y postulaba la existencia del neutrón. Esto le permitió a Baade y Zwicky imaginar un objeto muy compacto, en el que la materia podía estar tan apretada que la fuerza de repulsión entre electrones y protones no importase. De hecho, se postulaba que, dada las condiciones propicias, electrones y protones se mezclarían para formar neutrones, partículas que permiten una compresión aún mayor. Esta reacción nuclear hoy la conocemos como decaimiento Beta inverso o captura electróncia.
Más aun, la idea de que pudiese existir una estrella formada por materia que no contuviese átomos, sino partículas elementales empaquetadas por la fuerza de gravedad, no era nueva. En el año 1931, antes del descubrimiento del neutrón, el científico ruso Dev Landáu propuso la existencia de estrellas muy densas, que serían como un gran núcleo atómico. Si lo pensamos, esto no dista mucho del concepto de una estrella de neutrones, en el que muchos neutrones conviven con un número equilibrado de protones y electrones (tal cual un átomo).
Montaje en el laboratorio Cavendish, en Inglaterra, donde James Chadwick lideró los experimentos que llevaron al descubrimiento del neutron.
La estudiante Jocelyn Bell
Hacia fines de los años 60, Jocelyn Bell ayudó a construir cinco radio telescopios en Inglaterra. Jocelyn era originaria de Irlanda del Norte y estudiaba en Cambridge para obtener un doctorado en Astrofísica. Los radio telescopios serían usado para estudiar la estructura de los cuásares, que habían sido descubierto recientemente. Una vez fueron construidos, Jocelyn quedó a cargo de uno de ellos.
Durante la toma y análisis de datos, que requería la examinación kilómetros de papel (la variación del flujo de energía era dibujado en papel continuo por un sistema similar al que se usa en sismógrafos), ella comenzó a notar una señal particular. Cada vez que se tomaban datos de un lugar específico del cielo, se detectaban pulsos notablemente periódicos. La gran posibilidad de que los pulsos hayan sido causados por interferencia, debida a artefactos humanos, era tan grande que en un comienzo fueron tratados con cierta displicencia. Sin embargo, ella notó que la fuente de los pulsos seguía el movimiento esperado de una fuente astronómica; es decir, su posición variaba en el tiempo tal cual el resto de las estrellas se movía a medida que transcurría el año (debido al movimiento de traslación de la Tierra alrededor del Sol).
Esto la motivó a reportar el descubrimiento a su supervisor, el astrónomo Antony Hewish. En un principio, él desestimó la detección e incluso llamó a la señal “LGM”, un acrónimo que invocaba a pequeños seres verdes (little green men, refiriéndose a marcianos; sigla en inglés). Jocelyn entonces estudió las señales con mayor atención y analizó kilómetros y kilómetros de papeles con datos. Con el tiempo, notó que las señales persistieron e incluso encontró otras con diferentes periodos, en otras posiciones del cielo. En algún momento sus detecciones atrajeron suficiente atención como para que fueran estudiadas con mayor dedicación. De esta manera, se descubrió que había fuentes astronómicas capaces de generar pulsos con periodicidades muy precisas. Estas fueron las primeras observaciones de estrellas de neutrones (o pulsares), logradas más de 30 años después de que su existencia haya sido propuesta con argumentos teóricos. Fue una gran revolución científica.
Foto de Jocelyn Bell junto a la estructura de uno de los radio telescopios en el observatorio Mullard, cerca de Cambridge (crédito: Martin Burnell).
El artículo de 1968
Los hallazgos de Jocelyn Bell y otros análisis fueron publicados el año 1968 en un artículo liderado por A. Hewish. El descubrimiento de los pulsares fue tan relevante que el año 1975 el premio Nobel de Física fue otorgado a Antony Hewish. Lo controversial es que no se reconoció la contribución indispensable de Jocelyn Bell en el descubrimiento de los pulsares. Esto ha sido discutido y condenado innumerables veces (por ejemplo: 1, 2). Lo importante es señalar que, más allá de aquellos hechos, Jocelyn Bell es una excelente científica y comunicadora de las ciencias. Ella representa el valor del esfuerzo y trabajo científico con que muchas y muchos estudiantes contribuyen al desarrollo y progreso de la ciencia.
El artículo de 1968 demostró que las fuentes pulsantes estaban fuera del sistema solar y proporcionó evidencia sobre la periodicidad precisa de los pulsos. Al estudiar pequeños atrasos en la llegada de los pulsos, fue posible detectar el movimiento de la Tierra en torno al Sol. Removiendo este efecto, el periodo de la llegada de los pulsos resulto ser extremadamente constante. El reporte de estas observaciones fue analizado por la comunidad astrofísica y, luego de unos pocos meses, diversas publicaciones proponían contundentemente que los pulsos venían de estrellas de neutrones altamente magnetizadas que rotaban velozmente. En otras palabras, estos pulsares no eran nada más que aquellas estrellas compactas, hechas de neutrones y predichas 37 años antes.
Hoy se conocen más de 4000 pulsares y su estudio ha generado descubrimientos de gran relevancia para el conocimiento humano, como la existencia de ondas gravitacionales, y ha ayudado entender mejor cómo se comporta la materia en densidades extremas, como las presentes dentro de una estrella de neutrones.
Gráficos que muestran pulsos registrados durante las primeras observaciones de un pulsar. a) se demuestra una periodicidad por sobre 1 s. b) se demuestra que la detección viene de un lugar particular del cielo. c) comparación con pulsos sintéticos. d) observaciones a dos frecuencias electromagnéticas. Las señales a menor frecuencia se detectan con un pequeño retraso respecto de las otras, debido a dispersión en el medio interestelar [Figura 1 en Hewish et al. 1968].