Mujeres en la Física 2:  Jocelyn Bell.

Muchas personas opinamos que Jocellyn Bell Burnell, astrofísica irlandesa que descubrió por primera vez los pulsares (y con ello las estrellas de neutrones), debió recibir el premio Nobel de Física en 1974. En cambio, se lo otorgaron a su asesor doctoral Antony Hewish.

Los pulsares son estrellas de neutrones en las que el eje del campo magnético no coincide con el eje de rotación de la estrella. ¿Suena familiar esto? Así es, en la Tierra tenemos un fenómeno parecido. En el proceso de caída de partículas hacia la estrella, se genera una radiación que primordialmente tiene la dirección de dichos ejes magnéticos.

Resulta que en 1967 Jocelyn Bell descubrió unas pulsaciones en ondas de radio que se repetían aproximadamente cada 1.3 segundos, y que provenían de la conocidísima constelación Vulpécula (salud).

Bell y Hewish quedaron atónitos con dicho comportamiento, e incluso llegaron a nombrar la señal como LGM-1 (por Little Green Men o pequeños hombres verdes) pensando humorísticamente en la lejana posibilidad de alliens. Esto quedó pronto descartado cuando se descubrieron otros pulsares en varios lugares del cielo con periodos más pequeños, incluyendo el de la famosa nebulosa del cangrejo y dejando claro que era un fenómeno natural. Pero es interesante lo que mencionó a los años nuestra heroína:

"Realmente no creíamos que habíamos recogido señales de otra civilización, pero obviamente la idea había cruzado por nuestras mentes y no teníamos pruebas de que fuera una emisión de radio completamente natural. Es un problema interesante: si uno cree que puede haber detectado vida en otra parte del universo ¿Cómo anuncia uno los resultados de manera responsable? ¿A quién le dices primero?"

Todo encajó al considerar que el tipo de astro que causaba las pulsaciones debía corresponder a un objeto sumamente compacto, puesto que no podía observarse directamente y giraba muy rápido. Más pronto que después, como candidato favorito quedaron las estrellas de neutrones. De hecho, la existencia de este tipo de estrella había sido propuesta en los años 1930 por el polémico e interesante Fritz Zwicky.

Volvamos al haz de radiación que emite la estrella, y que observamos como pulsos en la Tierra. Las partículas aceleradas emiten ondas electromagnéticas. Esto ocurre en la Tierra, cuando partículas cargadas chocan con la ionósfera causando las famosas auroras... pero nos interesa más bien la radiación electromagnética que se puede emitir. En una estrella de neutrones tienes un fenómeno similar, pero mucho más extremo: por conservación de momento angular, un objeto muy compacto (típicamente con radio de 10 km) gira muy rápido y posee un campo magnético mucho más potente que el de la Tierra. Las partículas cargadas aceleradas causan radiación en un haz colimado en dirección de los ejes magnéticos, y por tanto se da esa especie de faro, en que si un observador está en la dirección adecuada observa una especie de pulso. El tipo de onda electromagnética que emita el pulsar (v.g. ondas de radio o rayos X) depende de la potencia del campo magnético que posea. (Para una explicación reciente detallada de las pulsaciones puedes leer esto.)

A partir de ahí, el techo fue el cielo:

- Las estrellas de neutrones se asociaron no solo a los pulsares, sino también como remanentes de las famosas supernovas, explosiones de estrellas que pueden ser más luminosas que la misma galaxia.

- En 1974 se descubrió un pulsar que tenía una danza gravitacional con otra estrella de neutrones, y dándole seguimiento a cómo van cayendo lenta pero inexorablemente una hacia la otra, se comprobó por primera vez la existencia de ondas gravitacionales (bum y Nobel de Física en 1993 por ello a Hulse y Taylor).

- Se entendió que muchos elementos pesados no solo se formaban en las supernovas, sino en el mismo choque de estrellas de neutrones: Sé que te emociona saber que la mayor parte (o todo) de esa pequeña joyita de oro que te gusta tanto nació de un choque de estrellas de neutrones.

- Y además, el descubrimiento de las estrellas de neutrones fue un paso decisivo para tomar más seriamente a sus primos un poco más compactos: black holes. 

Hay muchas incógnitas e ideas interesantes relacionadas con pulsares. Entre otras cosas:

1. Algunos pulsares son tan precisos que rivalizan con los relojes atómicos en exactitud, lo que ha permitido el desarrollo de un programa para otro método de detección de ondas gravitacionales (googlealo como Pulsar Timing Array).
2. No se tiene claro porqué algunos cambian ligeramente su frecuencia de rotación súbitamente (glitches).
3. Y tampoco queda del todo claro porqué no están alineados los polos magnéticos con el eje de rotación -dicha alineación es posible, pero no forma un pulsar pues la radiación emitida siempre apuntaría en la misma dirección.

Como dijimos al principio, justo hubiera sido que esta astrofísica hubiera recibido el premio Nobel, y de hecho el mismo Hewish indica en su lectura Nobel que fue ella la que se dio cuenta de una señal repetitiva que después se interpretaría como indicativo de un pulsar.

Casi como compensación, Jocelyn Bel ha ganado diversos premios. En 2018 fue galardonada con el premio Breakthrough in Fundamental Physics (que por ejemplo recibiera el buen Hawking antes que ella):

https://www.scientificamerican.com/article/pulsar-discoverer-jocelyn-bell-burnell-wins-3-million-breakthrough-prize1/ 

Necesitamos más mujeres en la ciencia, y sobre todo que su creatividad e ingenio dejen de ser sofocadas por la sociedad. Abajo, video con algunas opiniones de esta genial astrofísica que vale la pena ver.

Mujeres en la Física 1: Emmy Noether.

Primera entrega sobre algunas mujeres que han hecho aportaciones maravillosas en física y temas aledaños:

1. Emmy Noether.

A esta matemática alemana que realizó aportaciones fundamentales al álgebra moderna, le debemos el famoso teorema de Noether, que demostró en 1915 y publicó en 1918. De manera un poco ambigua, este teorema puede leerse en la forma:

Para cada simetría continua en un sistema, existe una cantidad conservada correspondiente.

En física, la conservación del momento lineal, de la energía, del momento angular y de la carga eléctrica pueden verse como ejemplos de aplicación de dicho teorema, e impacta en las más profundas teorías de la la física -las teorías de partículas y la relatividad. 

Dada la época en que vivió, tuvo que lidiar con el machismo que imperaba en la ciencia en ese entonces...

... de tal manera que al llegar a Gotinga en 1918, tuvo qué soportar detallitos tales como que sus conferencias fueran anunciadas a nombre de David Hilbert (el papá de los pollitos en la matemática del momento), siendo ella anunciada como "asistente". De hecho, el mismo Hilbert tuvo qué defender el ingreso de ella a su Universidad, aunque no pudo evitar que trabajara por algunos años sin percibir sueldo.

Poco después de eso, publicó sus teoremas  de conservación (primero y segundo como se imaginarán),  y de paso resolvió un problema  que se traían discutiendo el buen Einstein y Hilbert sobre la conservación de la energía en relatividad general. De hecho, ese trabajo dejó impresionado a Einstein, que llegó a escribirle a Hilbert lo siguiente:

 ...Ayer recibí de la señorita Noether un trabajo muy interesante sobre la generación de invariantes. Estoy impresionado que estos asuntos se puedan entender desde un punto de vista tan general. La vieja guardia de Gotinga debería aprender de la señorita Noether. Verdaderamente sabe lo que hace.

El trabajo de esta heroína se considera fundamental en el desarrollo del álgebra abstracta. Numerosos conceptos en matemática fueron bautizados con su nombre, tales como anillos noetherianos, grupos noetherianos, espacios de Noether, etc. Como muestra visual, en la siguiente portada de un libro tal vez reconozcan a algunos personajes importantes matemáticos (al menos reconozcan a Gauss, el "Príncipe de los Matemáticos", par favar).

Además de sus aportaciones como investigadora, también es reconocido su legado académico como docente, ya que tuvo una serie de estudiantes que se doctoraron con ella a los que apodaban "los muchachos de Noether", de los cuáles algunos llegaron a hacer buenas contribuciones a la matemática.

Uno de esos estudiantes resultó ser un acérrimo nazi que ayudó a introducir los sentimientos antisemitas en dicha Universidad. En 1933 quitaron los contratos a los profesores judíos (incluyendo a Noether y al entonces futuro Nobel de Física Max Born), pero con la ayuda de Hermann Weyl consiguió trabajo en el Bryn Mawr College, Pensilvania (EE.UU). Ahí, además de su afiliación, tuvo oportunidad de dar charlas en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, que justamente era el nuevo hogar académico de Einstein (también recién huido de los nazis). Sin embargo, esto le duró poco ya que terminó falleciendo prematuramente el 14 de abril de 1935.

Distintos premios a investigación y algunas becas, un cráter en la Luna y un planeta menor se han nombrado Noether, por mencionar algunos.

- Aquí un link a un pequeño escrito que publicó Einstein haciendo honor a la matemática, en The New York Times.
- Y aquí un enlace en donde salen algunos videos explicando algunas de sus aportaciones, de la página del Perimeter Institute de donde amablemente nos fusilamos la imagen de ella.

- Y más aquí, un enlace a un escrito que me gustó mucho sobre la matemática en una revista española (además escrito por una joven física).

Amalie Emmy Noether ha sido considerada como una de las más grandes matemáticas de la historia, y los físicos teóricos no dejan de embelesarse tanto con la aparente simplicidad de su teorema, como con las profundas implicaciones que tiene.




* Esta serie de escritos comenzó motivado cuando un día después del día de la mujer este año, se realizó un paro nacional de mujeres en todo México para concientizar sobre las desigualdades claramente aún existentes, la violencia de género a la que están expuestas y los feminicidios. De ahí tuve una plática con estudiantes que recién estudian física,y expusieron algunos puntos interesantes, mientras que yo les hablé de algunas mujeres en física que mayoría no conocían.
Teniendo fascinación por la física teórica, era un poco de esperarse mi inclinación por Emmy. En la próxima entrega, una astrofísica excepcional.

La Energía Oscura

De lo que conocemos hasta ahora del Universo, parece que sabemos que no conocemos el 95% de él.

Algo cercano al 70% de la energía del Universo sería correspondiente a la Energía Oscura, una componente que estaría haciendo que las galaxias se alejen entre sí cada vez más rápido. En cambio, el 25% estaría en forma de Materia Oscura, la otra componente que sí sería atractiva, pero que no parece tener qué ver con lo que describe el modelo estándar de partículas. De hecho, este describiría aproximadamente ese 5%  restante del que se sabe tanto, y se conoce como Materia Bariónica.

El día de hoy hablaremos de la Energía Oscura.

Pocos años antes de cambiar a este nuevo siglo, los cosmólogos pensaban que, dado el carácter atractivo de la gravedad, la expansión del Universo estaba desacelerando, pero se observó lo contrario. Esto es, si bien las galaxias se alejan unas de otras de acuerdo con la teoría del Big Bang, en lugar de que la gravedad disminuya la velocidad que hay entre ellas, parecen repelerse entre sí. Pero entonces, ¿se atraen o se repelen?

Puesto con otras palabras: hasta mediados de la década de 1990 se consideraba que la velocidad de expansión del Universo se hacía menor con el tiempo. Como analogía, imagina que nos quedamos con Don Newton, y se tira un proyectil hacia arriba en la superficie de un planeta. El proyectil puede o no volver a la superficie dependiendo de la velocidad inicial, pero esa velocidad se reduce con el tiempo en ambos casos porque la gravedad sigue siendo atractiva.

Sin embargo, algunas cosas no encajaban por completo aún antes de descubrirse la energía oscura. Por ejemplo, se encontraron estrellas que parecían más viejas que la edad estimada del Universo en ese tiempo, del orden de diez mil millones de años. Es entonces que algunos  revivieron (entre ellos Steven Weinberg y Lawrence Krauss) la idea de que había una componente que aceleraba el Universo .

Arriba se ilustra la idea de la posibilidad de un Universo en que no hay energía oscura, el cuál puede contraerse o seguir expandiéndose indefinidamente, pero cada vez con menor velocidad de separación entre galaxias. Eso es lo que ocurre en los primeros dos diagramitas, en donde el tiempo está dirigido hacia arriba. En cambio, un Universo con expansión acelerada puede ser más antiguo, y queda claro que las galaxias aparecerían eventualmente como repeliéndose, y esto es precisamente lo que estaban comenzando a argumentar algunos aún antes de tener sustento observacional.

En realidad, estaban reviviendo el interés en una idea de Einstein conocida como la constante cosmológica. Básicamente, las ecuaciones de Einstein que describen a la gravedad permiten tener un término con dicha constante que parecería arbitraria. Dicho término no tenía contraparte en consideraciones de empate con las teorías newtonianas y no aparecía en la versión de su teoría presentada en 1915, pero Einstein lo introdujo en 1917 para ajustarse a la idea prevaleciente de ese entonces: el Universo a gran escala era estático.

Sin embargo, cuando poco más de diez años después el astrónomo Edwin Hubble dio a conocer el resultado espectacular de que las galaxias se alejan unas de otras, Einstein desechó su constante cosmológica. Alguien de apellido que comienza con Ga y termina con Mow, llegó a decir  que el físico alemán llamó a esto el peor error de su vida -pues no pudo predecir la expansión el Universo. La realidad es que de haberse aferrado a esa constante, el físico más envidiado por los febriles pseudo-científicos bien pudo adelantarse ocho décadas al descubrimiento de la energía oscura.

En 1998 dos equipos distintos se dedicaron a observar supernovas (explosión de estrellas muy masivas) de un tipo muy específico para medir el ritmo al que se expande el Universo. Encontraron que la luz de las galaxias a cierta distancia parecían más débiles de lo planteado por los modelos cosmológicos aceptados entonces, lo que indicaba que en realidad el Universo se ha acelerado. Como analogía al término materia oscura, terminó llamándose a este efecto Energía Oscura. Por este descubrimiento recibieron el Nobel de Física Saul Perlmutter, Adam Riess y Brian Schmidt en el año 2011.

Haciendo alusión al término premonitorio del buen Albert, la revista Science puso esta divertida portada --> 

Actualmente el modelo de evolución del Universo digamos canónico se conoce como Λ-CDM. Lambda denota la mencionada constante cosmológica, y CDM es por Cold Dark Matter, o Materia Oscura Fría.

Y si bien se han propuesto distintas teorías para explicar el origen de la energía oscura, la relatividad general con 

Λ sigue siendo el candidato más socorrido.

Sin embargo, muchas cuestiones siguen abiertas, y esta "explicación" que hemos venido mencionando en especial plantea dos problemas grandes. Primero, las teorías cuánticas permiten hacer un estimado del valor que el vacío podría generar para corresponderse con la energía oscura, y aparece una cosa que otorga que es más grande algunos 120 órdenes de magnitud mayor al que debe tener Λ (multiplicar 120 veces por diez). Esto sería una especie de catástrofe predictiva. Y en segundo lugar, ¿porqué la energía oscura y la materia tienen el mismo orden de magnitud? Esto es, una es 0.7 y la otra es 0.3 del Universo. ¿Porqué deberíamos esperar que actualmente estén en una escala tan similar? La respuesta "porque estamos aquí para poder observarlo", socorriendo al famoso principio antrópico, no nos satisface a muchos.

A la izquierda una imagen que muestra la idea actual de cómo ha evolucionado el Universo desde hace unos 13 800 millones de años. Poniendo atención, hay cosas tan cool como las épocas oscuras cuando no había estrellas (¿suena a El Señor de los Anillos?), o como el fondo de radiación cósmica.

Nota que al principio (la inflación no la tocaremos por ahora) la expansión parece comportarse de acuerdo a la figura de arriba en medio, con la gravedad puramente atractiva, y después como la figura de la derecha, en que hay repulsión.

Tal como leí en algún libro de cosmología: 

Puede que seamos la última generación a la que se nos enseñó que la gravedad es atractiva.









Lecturita extra: Se están poniendo en marcha distintos proyectos para revelar la naturaleza de la energía oscura. De hecho, en el siguiente enlace Saul Perlmutter opina porqué es emocionante, en lugar de decepcionante, el hecho de que aún no hayamos descifrado correctamente el origen de este fenómeno: https://physics.aps.org/articles/v13/1

Imágenes uno y tres cortesía de la NASA, que nos quiere mucho.