Astronomía

¿Cómo sabemos de qué están hechas las estrellas?

Hace 100 años, la tesis doctoral de una joven astrónoma inglesa nos reveló la composición química de las estrellas y, por ende, del universo. Este trabajo fue considerado en su momento como “la más brillante tesis doctoral escrita nunca en astronomía”

Vista del volcán Villarrica y el cielo estrellado desde la ciudad de Pucón, Chile, en septiembre de 2019.
Vista del volcán Villarrica y el cielo estrellado desde la ciudad de Pucón, Chile, en septiembre de 2019.Cristobal Saavedra Escobar / REUTERS

En 1835, el fundador del positivismo Auguste Comte dijo, refiriéndose a las estrellas: “No seremos capaces en absoluto de determinar su composición química o su densidad y cualquier noción sobre la verdadera temperatura nos ha sido negada para siempre”. Comte estaba asumiendo que la determinación de estas propiedades requería obtener muestras físicas de las estrellas lo que, obviamente, es una tarea bastante difícil. Hoy, sin embargo, conocemos la composición química de un gran número de estrellas de nuestra galaxia con bastante precisión ¿Cómo hemos podido saber de qué están hechas?

Para averiguarlo vamos a viajar al pasado, a la Norteamérica de los felices años veinte. En las calles se escucha jazz y se baila tango y charlestón. Familias de clase media compran electrodomésticos gracias a la recién instaurada venta a plazos y las mujeres fuman y llevan el pelo a la garçon. Los astrónomos, ajenos a todo esto, debaten acerca del tamaño del Universo y averiguan, finalmente, por qué brillan las estrellas. Al final de esta década que, sin duda, fue feliz para la ciencia, sabremos que el universo es mucho más grande de lo que habíamos imaginado, que existen muchas galaxias como la nuestra y que se están alejando de nosotros porque el Universo se está expandiendo. Por otro lado, habremos generado una sólida teoría estelar que nos permitirá calcular la temperatura y composición química de las estrellas. Esto último, gracias a una joven y brillante astrónoma británica: Cecilia Payne.

Muy poca gente conoce este nombre a pesar de que esta astrónoma no solo revolucionó nuestro conocimiento de las estrellas sino que también abrió un camino para las mujeres en el mundo de la física y la astronomía. Cecilia nació en 1900 y desde muy pequeña sabía que quería dedicarse a la ciencia. Empezó estudiando biología en Cambridge, pero una conferencia del famoso astrónomo Sir Arthur Eddington hizo que cambiara la biología por la física. A pesar de que terminó sus estudios con buenas notas no pudo graduarse formalmente, ya que Cambridge no ofertaba títulos a mujeres. Visto que no iba a poder desarrollar una carrera en este país, se trasladó a la Universidad de Harvard, en Massachusetts, donde comenzó su tesis doctoral en el estudio de las atmósferas estelares.

Antes de seguir hablando del trabajo de Payne vamos a ver qué se sabía hasta entonces acerca de la composición de las estrellas. Ya en 1666, Isaac Newton había comprobado que cuando hacía pasar un haz de luz natural a través de un prisma, este se descomponía en los colores del arcoíris. Un siglo más tarde, el famoso astrónomo William Hershel colocó un termómetro en cada color, comprobando que la temperatura y, por lo tanto, la energía, crecía desde el rojo hasta el violeta. Esta descomposición de la luz en energías es lo que llamamos un espectro y fue en un espectro del Sol donde se descubrió, por vez primera, la presencia de unas bandas oscuras. Estas bandas oscuras, que parecían indicar un decremento de la luz a ciertas energías específicas, son la clave para saber de qué están hechas las estrellas.

Cada elemento químico de la tabla periódica tiene sus electrones en ciertos niveles de energía y las diferencias de energía entre niveles son únicas y específicas para cada uno de ellos, como una huella dactilar que los identifica unívocamente. Normalmente los electrones están en los niveles más bajos, pero si logran robar la energía justa para saltar a un nivel superior, lo harán, lo que disminuirá la cantidad de luz con esa energía. Las bandas oscuras en el espectro del Sol son consecuencia de estos hurtos y como las energías necesarias para saltar entre niveles son únicas para cada elemento químico, midiendo a qué energías tenemos estas disminuciones de luz, sabemos qué elementos químicos están presentes.

Cuando se realizaron estas medidas por primera vez, se encontró que las bandas más prominentes (más oscuras) en el espectro del Sol se correspondían con los elementos más abundantes en la corteza terrestre y se pensó, lógicamente, que ambos estaban hechos del mismo material. Esta era todavía la creencia establecida cuando Cecilia Payne comenzaba su tesis doctoral. Por aquel entonces estaba emergiendo en Europa un nuevo campo de la física, la mecánica cuántica, y la joven Cecilia, que devoraba todos los artículos que se publicaban en éste área, dio con una publicación de un astrónomo indio, Meghnad Saha, que estudiaba bajo qué condiciones los diferentes elementos químicos pierden electrones. Cecilia se dio cuenta de la importancia de este estudio para entender la información presente en las bandas oscuras de las estrellas y lo usó para medir la temperatura y las abundancias químicas de sus atmósferas.

En su tesis doctoral se mostraba que, teniendo en cuenta el estudio de Saha, las abundancias químicas de las estrellas eran muy distintas a las obtenidas hasta la fecha. Las estrellas estaban hechas, principalmente, de hidrógeno y helio (con un 75% y un 24% de la masa total respectivamente). En la corteza terrestre, el hidrógeno es el tercer elemento más abundante después del oxígeno y el silicio mientras que helio es un elemento químico muy raro.

Este resultado era tan sorprendente para las creencias de la época que uno de los grandes astrónomos contemporáneos de Cecilia, Henry Norris Russell, la convenció para retirarlo de su tesis. A pesar de ello, Cecilia se convirtió en la primera mujer en obtener un doctorado en el área de astronomía en Harvard y su tesis doctoral fue calificada por el entonces director del observatorio de Yerkes, Otto Struve, como la ¨más brillante tesis doctoral escrita nunca en astronomía¨. Unos años más tarde también sería la primera catedrática en esta universidad y la primera mujer en dirigir un departamento, por supuesto, el de astronomía.

Pocos años después, H.N. Russell reconoció su error y defendió públicamente la contribución de Payne. Irónicamente, tres años antes de su muerte en 1979, Cecilia fue reconocida con un prestigioso premio otorgado por la Sociedad Americana de Astronomía en reconocimiento a una vida de excelencia en investigación, la cátedra Henry Norris Russell.

Pablo G. Pérez González es investigador del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

Patricia Sánchez Blázquez es profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM).

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo.

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