­­­Terremotos estelares en Harvard

En 1894, Erasmus Darwin Leavitt Jr. era un hombre orgulloso de sí mismo. No solo era uno de los miembros fundadores y primeros presidentes de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos, sino que aquel año, su majestuoso e innovador diseño para la bomba de agua de la estación de Chestnut Hill, perteneciente a la Compañía de Aguas de Boston, había sido declarado por todas las publicaciones especializadas de la época como “el más eficiente del mundo”. Además, tan solo unos meses antes, su sobrina, Henrietta Swan Leavitt, con apenas veinticinco años de edad, acababa de entrar a trabajar en el Observatorio de Harvard.

Los dos orgullos del tío Erasmus.

Astronomía en el último curso

Recién graduada en la Sociedad para la Instrucción Colegiada de Mujeres, hoy reconvertida en el Instituto Radcliffe de Estudios Avanzados, Henrietta pasaba largas horas en el Observatorio de Harvard trabajando como voluntaria a cambio de créditos de postgrado.

No sabemos por qué eligió –si es que lo hizo voluntariamente– este destino. Henrietta había cursado una asignatura de astronomía en su cuarto año y con una nota excelente, pero en Radcliffe predominaban las asignaturas de humanidades. También es cierto que varios astrónomos de Harvard daban clases de ciencias en Radcliffe y el observatorio estaba muy cerca de dicha institución y de la casa familiar de los Leavitt, pero Henrietta nunca dejó escrito el origen de su interés por la astronomía, si es que este existía realmente.

En cualquier caso, en 1893 Edward Charles Pickering, el director del Observatorio, contaba con una nueva voluntaria para su harén de “calculistas”.

Las cúpulas de Harvard.

El atiza moscas

El primer trabajo asignado a Henrietta fue el cálculo de la magnitud de brillo de las estrellas registradas en los centenares de placas fotográficas que llegaban al observatorio. Es una técnica conocida como fotometría estelar y que consiste, resumidamente, en contar la luz que nos llega de las estrellas.

Aunque en los primeros años del siglo XX ya se comercializaban películas fotográficas, el empleo de placas se mantuvo dentro del campo de la astronomía hasta bien entrado el siglo, gracias a la gran sensibilidad, resolución y robustez que estas ofrecían. Básicamente se trataba de una placa de vidrio de unos 35x45 centímetros recubierta de una emulsión sensible a la luz que permitía fotografiar un gran campo estelar en cada exposición.

Una placa fotográfica.

Cuanto más brillante era una estrella, más granos de emulsión afectaba químicamente, y la mancha resultante sobre la placa era mayor. Así pues, el tamaño de la imagen que cada estrella dejaba en la placa era un buen indicador de su brillo aparente en el cielo.

Henrietta y sus compañeras del harén pasaban largas horas con el ocular sobre cada placa, comparando el tamaño de cada estrella en la emulsión fotográfica con el que dejarían estrellas de brillo conocido tras un tiempo de exposición similar. En muchos casos el propio ocular, conocido como matamoscas por su peculiar forma, tenía dibujada la relación entre el tamaño de la mancha y la magnitud aparente -la medida de brillo empleada en astronomía- de la estrella.

Sistemáticamente, placa a placa, las mujeres de Pickering iban registrando la posición de cada estrella y su magnitud, datos que apuntaban pulcramente en centeneras de cuadernos. Hay que tener en cuenta que cada placa podía contener del orden de cientos a miles de estrellas.

Gracias a las horas de entrenamiento, todas las integrantes del harén lograron una destreza visual y una capacidad de concentración casi sobrehumanas. De un vistazo eran capaces de asignar la magnitud aparente de una estrella con una precisión que desafía los métodos digitales empleados hoy en día. Sí, finalmente se convirtieron en auténticas computadoras humanas.

El atiza moscas.

¡Leñe, variables!

La posibilidad de comparar imágenes fotográficas de un mismo campo estelar pero tomadas en momentos distintos dio lugar a un interesante descubrimiento: el tamaño de algunas estrellas sobre la placa, es decir, su brillo aparente, variaba con el tiempo y, además, de forma periódica. En algunos casos este periodo era cuestión de días, en otros de meses, e incluso había estrellas cuya magnitud variaba periódicamente de año en año.

Estas estrellas variables llamaron rápidamente la atención de la comunidad astronómica, y Pickering decidió dedicar miembros de su harén, entre ellos a Henrietta, a localizar el mayor número posible de este tipo de estrellas en las placas fotográficas.

Este trabajo implicaba un esfuerzo adicional. No solo había que determinar el brillo de una estrella, sino compararlo con el que tenía en placas tomadas en épocas diferentes. Las calculistas comparaban placa a placa e iban registrando en sus cuadernos cómo cambiaba el brillo de una estrella en función de la época en la que había sido tomada cada imagen. Esta variación del brillo con el tiempo es lo que se denomina curva de luz. Si era necesario, Pickering solicitaba más placas a los telescopios para muestrear mejor la curva y poder determinar con mayor fiabilidad el periodo de variación de la estrella.

Pero ¿por qué varían?

Por supuesto el trabajo de las calculistas no era el de preguntarse por qué estas estrellas variaban su brillo. Debían limitar su esfuerzo a registrar los datos y punto. En realidad, en esa época nadie conocía la verdadera razón de este comportamiento estelar. Era sabido que algunas de estas estrellas variables eran en realidad dos estrellas orbitando una en torno a la otra a una distancia tan pequeña que los telescopios no podían resolver. En este caso, la aparente disminución de brillo de la estrella binaria se debe al eclipse periódico que una produce sobre la otra. Pero, en la mayor parte de los casos observados, la variabilidad no afectaba solo al brillo sino también a otros factores como, por ejemplo, el color de la estrella, lo que indicaba que en estos casos la variación debía ser intrínseca a la propia estrella.

Hoy en día sabemos que la vida de una estrella es una continua lucha entre dos fuerzas antagónicas. Por un lado, la fuerza de la gravedad, que tiende a hundirla bajo su propio peso y, por otro lado, la presión del gas y de la radiación que componen la propia estrella, que tienden a expandirla. El equilibrio entre ambas fuerzas, el llamado equilibrio hidrostático, hace que la estrella adquiera una configuración esférica estable durante grandes periodos de tiempo.

Pero, en determinadas etapas de la vida de una estrella, pueden producirse pequeñas perturbaciones que logren crecer hasta sacar a la estrella de dicho equilibrio, como un péndulo al que se le da un pequeño golpe y empieza a oscilar.

La superficie de la estrella comienza entonces a cambiar periódicamente. Se ha convertido en una estrella variable. En el modo más sencillo, el llamado radial, la estrella literalmente se hinchará y deshinchará modificando su radio entre unos valores máximo y mínimo, lo que se traducirá en cambios periódicos en su luminosidad y temperatura superficial. Esto hace que su brillo y color, datos observables desde la Tierra, variarán con el tiempo con un periodo que dependerá del tipo de estrella.

En realidad, la oscilación de una estrella variable en torno a su equilibrio hidrostático suele ser mucho más compleja que una simple oscilación radial. Suele tratarse de una combinación de pulsos de muy diferentes frecuencias y amplitudes – en algunos casos hasta de más de un centenar - que los astrónomos son capaces de descodificar a partir del análisis de la curva de luz.

Ejemplos de modos de oscilación en una estrella.

Una ventana al interior estelar

Al igual que ocurre con la sismología, que nos permite escudriñar el interior terrestre observando las ondas propagadas durante un terremoto, el estudio de las estrellas variables posibilita conocer cómo es el interior estelar a través del análisis de las oscilaciones que se detectan en la superficie de las mismas.

La asterosismología es una potentísima técnica que permite acceder a una información para la que no es posible la observación directa, como es la estructura interna de la estrella o los procesos físicos que ocurren en su interior. Cuanto mayor sea la información disponible sobre los modos de pulsación de una estrella, los asterosismólogos pueden construir modelos más exactos del interior estelar y obtener parámetros tan importantes como la edad de la estrella, su masa, cómo gira el material en su interior, cómo se transporta la energía a través de sus capas internas, y así hasta un largo etcétera.

Hoy en día tenemos sofisticados telescopios espaciales, como Kepler o Corot, capaces de registrar variaciones en la luz de las estrellas del orden de varias partes por millón. Nuestra protagonista solo tenía unas primitivas placas fotográficas, un atiza moscas y mucha paciencia.

La misión Corot.

El descubrimiento en las Magallanes

Un día de 1904, ya contratada por el Observatorio, Henrietta descubrió estrellas variables en una de esas misteriosas nebulosas de naturaleza desconocida que se observaba en el cielo: La Pequeña Nube de Magallanes. Solo visible desde el hemisferio sur, en las placas tomadas por el telescopio que Harvard tenía en la estación de Arequipa, aparecía como una densa y nebulosa acumulación de estrellas extremadamente débiles. A medida que se iban tomando más y más placas, el número de variables detectado por Henrietta en esta asociación estelar se hacía cada vez mayor, hasta alcanzar una cantidad que llamó no solo la atención de la Sociedad Americana de Astronomía y Astrofísica, y por supuesto del propio Pickering, sino incluso también de periódicos de tirada nacional como el celebérrimo Whasington Post.

La Pequeña Nube de Magallanes, cuna de estrellas variables.

Una inocente frase

En 1908, cuatro años después del primer descubrimiento, Henrietta publicó un boletín en los Anales del Observatorio titulado “1777 variables de las Nubes de Magallanes”. En su mayor parte consistía en tablas y tablas donde Henrietta había compilado las coordenadas y las magnitudes en el máximo y en el mínimo de esta gran multitud de estrellas variables. Pero una de estas tablas contenía tan solo dieciséis estrellas variables descubiertas en la Pequeña Nube de Magallanes para las que, además, Henrietta había calculado el periodo de pulsación. Esta tabla venía acompañada con una inocente frase que, con el tiempo, cambiaría radicalmente la imagen del universo: “Es destacable que en esta tabla las estrellas más brillantes tienen los periodos más largos”. 

Placa original de Harvard de la Gran Nube de Magallanes con las anotaciones de Henrietta.