?C¨®mo sabemos de qu¨¦ est¨¢n hechas las estrellas?

En 1835, el fundador del positivismo Auguste Comte dijo, refiri¨¦ndose a las estrellas: ¡°No seremos capaces en absoluto de determinar su composici¨®n qu¨ªmica o su densidad y cualquier noci¨®n sobre la verdadera temperatura nos ha sido negada para siempre¡±. Comte estaba asumiendo que la determinaci¨®n de estas propiedades requer¨ªa obtener muestras f¨ªsicas de las estrellas lo que, obviamente, es una tarea bastante dif¨ªcil. Hoy, sin embargo, conocemos la composici¨®n qu¨ªmica de un gran n¨²mero de estrellas de nuestra galaxia con bastante precisi¨®n ?C¨®mo hemos podido saber de qu¨¦ est¨¢n hechas?

Para averiguarlo vamos a viajar al pasado, a la Norteam¨¦rica de los felices a?os veinte. En las calles se escucha jazz y se baila tango y charlest¨®n. Familias de clase media compran electrodom¨¦sticos gracias a la reci¨¦n instaurada venta a plazos y las mujeres fuman y llevan el pelo a la gar?on. Los astr¨®nomos, ajenos a todo esto, debaten acerca del tama?o del Universo y averiguan, finalmente, por qu¨¦ brillan las estrellas. Al final de esta d¨¦cada que, sin duda, fue feliz para la ciencia, sabremos que el universo es mucho m¨¢s grande de lo que hab¨ªamos imaginado, que existen muchas galaxias como la nuestra y que se est¨¢n alejando de nosotros porque el Universo se est¨¢ expandiendo. Por otro lado, habremos generado una s¨®lida teor¨ªa estelar que nos permitir¨¢ calcular la temperatura y composici¨®n qu¨ªmica de las estrellas. Esto ¨²ltimo, gracias a una joven y brillante astr¨®noma brit¨¢nica: Cecilia Payne.

Muy poca gente conoce este nombre a pesar de que esta astr¨®noma no solo revolucion¨® nuestro conocimiento de las estrellas sino que tambi¨¦n abri¨® un camino para las mujeres en el mundo de la f¨ªsica y la astronom¨ªa. Cecilia naci¨® en 1900 y desde muy peque?a sab¨ªa que quer¨ªa dedicarse a la ciencia. Empez¨® estudiando biolog¨ªa en Cambridge, pero una conferencia del famoso astr¨®nomo Sir Arthur Eddington hizo que cambiara la biolog¨ªa por la f¨ªsica. A pesar de que termin¨® sus estudios con buenas notas no pudo graduarse formalmente, ya que Cambridge no ofertaba t¨ªtulos a mujeres. Visto que no iba a poder desarrollar una carrera en este pa¨ªs, se traslad¨® a la Universidad de Harvard, en Massachusetts, donde comenz¨® su tesis doctoral en el estudio de las atm¨®sferas estelares.

Antes de seguir hablando del trabajo de Payne vamos a ver qu¨¦ se sab¨ªa hasta entonces acerca de la composici¨®n de las estrellas. Ya en 1666, Isaac Newton hab¨ªa comprobado que cuando hac¨ªa pasar un haz de luz natural a trav¨¦s de un prisma, este se descompon¨ªa en los colores del arco¨ªris. Un siglo m¨¢s tarde, el famoso astr¨®nomo William Hershel coloc¨® un term¨®metro en cada color, comprobando que la temperatura y, por lo tanto, la energ¨ªa, crec¨ªa desde el rojo hasta el violeta. Esta descomposici¨®n de la luz en energ¨ªas es lo que llamamos un espectro y fue en un espectro del Sol donde se descubri¨®, por vez primera, la presencia de unas bandas oscuras. Estas bandas oscuras, que parec¨ªan indicar un decremento de la luz a ciertas energ¨ªas espec¨ªficas, son la clave para saber de qu¨¦ est¨¢n hechas las estrellas.

Cada elemento qu¨ªmico de la tabla peri¨®dica tiene sus electrones en ciertos niveles de energ¨ªa y las diferencias de energ¨ªa entre niveles son ¨²nicas y espec¨ªficas para cada uno de ellos, como una huella dactilar que los identifica un¨ªvocamente. Normalmente los electrones est¨¢n en los niveles m¨¢s bajos, pero si logran robar la energ¨ªa justa para saltar a un nivel superior, lo har¨¢n, lo que disminuir¨¢ la cantidad de luz con esa energ¨ªa. Las bandas oscuras en el espectro del Sol son consecuencia de estos hurtos y como las energ¨ªas necesarias para saltar entre niveles son ¨²nicas para cada elemento qu¨ªmico, midiendo a qu¨¦ energ¨ªas tenemos estas disminuciones de luz, sabemos qu¨¦ elementos qu¨ªmicos est¨¢n presentes.

Cuando se realizaron estas medidas por primera vez, se encontr¨® que las bandas m¨¢s prominentes (m¨¢s oscuras) en el espectro del Sol se correspond¨ªan con los elementos m¨¢s abundantes en la corteza terrestre y se pens¨®, l¨®gicamente, que ambos estaban hechos del mismo material. Esta era todav¨ªa la creencia establecida cuando Cecilia Payne comenzaba su tesis doctoral. Por aquel entonces estaba emergiendo en Europa un nuevo campo de la f¨ªsica, la mec¨¢nica cu¨¢ntica, y la joven Cecilia, que devoraba todos los art¨ªculos que se publicaban en ¨¦ste ¨¢rea, dio con una publicaci¨®n de un astr¨®nomo indio, Meghnad Saha, que estudiaba bajo qu¨¦ condiciones los diferentes elementos qu¨ªmicos pierden electrones. Cecilia se dio cuenta de la importancia de este estudio para entender la informaci¨®n presente en las bandas oscuras de las estrellas y lo us¨® para medir la temperatura y las abundancias qu¨ªmicas de sus atm¨®sferas.

En su tesis doctoral se mostraba que, teniendo en cuenta el estudio de Saha, las abundancias qu¨ªmicas de las estrellas eran muy distintas a las obtenidas hasta la fecha. Las estrellas estaban hechas, principalmente, de hidr¨®geno y helio (con un 75% y un 24% de la masa total respectivamente). En la corteza terrestre, el hidr¨®geno es el tercer elemento m¨¢s abundante despu¨¦s del ox¨ªgeno y el silicio mientras que helio es un elemento qu¨ªmico muy raro.

Este resultado era tan sorprendente para las creencias de la ¨¦poca que uno de los grandes astr¨®nomos contempor¨¢neos de Cecilia, Henry Norris Russell, la convenci¨® para retirarlo de su tesis. A pesar de ello, Cecilia se convirti¨® en la primera mujer en obtener un doctorado en el ¨¢rea de astronom¨ªa en Harvard y su tesis doctoral fue calificada por el entonces director del observatorio de Yerkes, Otto Struve, como la ¡§m¨¢s brillante tesis doctoral escrita nunca en astronom¨ªa¡§. Unos a?os m¨¢s tarde tambi¨¦n ser¨ªa la primera catedr¨¢tica en esta universidad y la primera mujer en dirigir un departamento, por supuesto, el de astronom¨ªa.

Pocos a?os despu¨¦s, H.N. Russell reconoci¨® su error y defendi¨® p¨²blicamente la contribuci¨®n de Payne. Ir¨®nicamente, tres a?os antes de su muerte en 1979, Cecilia fue reconocida con un prestigioso premio otorgado por la Sociedad Americana de Astronom¨ªa en reconocimiento a una vida de excelencia en investigaci¨®n, la c¨¢tedra Henry Norris Russell.

Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez es investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas y del Instituto Nacional de T¨¦cnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez es profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM).

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n 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 cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de 1 ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo.

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