El Doctor Gaviola

Ya que recordamos hace poco un aniversario redondo de mi doctorado, celebremos también uno de Enrique Gaviola, y nada menos que el centenario. Gaviola no fue el primer físico ni el primer astrónomo de la Argentina, pero podemos decir que es el padre de la física y la astrofísica modernas de nuestro país. Ha aparecido muchas veces en el blog, de manera que mis lectores habituales ya conocen algo de su historia. Recordemos que estudió en la Universidad de La Plata, donde conoció al un notable físico alemán, Richard Gans, que lo alentó a que se fuera a estudiar a Alemania. A Gaviola le gustó la idea, y se marchó primero a Göttingen y luego a Berlin. En el Archivo Histórico de la Biblioteca del Balseiro tenemos sus libretas universitarias, que ya he mostrado en parte. Esta es la hoja del semestre de invierno de 1924-25:

Es una hoja notable. En primer lugar, vemos a Peter Pringsheim, quien estaba dirigiendo su trabajo de doctorado (dice "Trabajo de Investigación en Física"). El siguiente es Richard von Mises, un destacado matemático austríaco muy influyente en la ingeniería aeronáutica, que le dio Óptica Geométrica (es hermano del famoso economista). Albert Einstein (Premio Nobel 1921, no necesita presentación), le dio Teoría de la Relatividad, obvio. Walther Nernst, que acababa de ganar el Premio Nobel de Química, le dio Mediciones Eléctricas. A continuación está Max von Laue (Premio Nobel 1914), a cargo del Proseminar, que explicaré luego. Y finalmente está Lise Meitner, que no ganó el Premio Nobel por su descubrimiento de la fisión del uranio porque la desplazaron y se lo dieron a su compañero Otto Hahn. Meitner fue la primera mujer en obtener un cargo de profesora titular en Alemania, y le dio Ionización en Radiación Corpuscular. 

El Proseminar era un requisito para el doctorado. Consistía en un trabajo de investigación de varios semestres, donde tenía que estudiar sobre un tema, presentar un informe y exponerlo de manera crítica. Estaba dirigido por Laue e integrado por Meitner, Einstein y Pringsheim. Cuenta Gaviola:

«Me dieron como tema los espectros de rayos beta y una lista de publicaciones. Reinaba una aguda controversia entre los autores norteamericanos capitaneados por Ellis, y los alemanes capitaneados por Lise Meitner. Cuando llegó mi turno, expuse el tema y sostuve que los resultados experimentales norteamericanos eran mejores que los alemanes, pero que la teoría de los alemanes era superior a la de los norteamericanos. Hablé como una hora. Al final Lise Meitner me felicitó.» 

Habiendo terminado el Proseminar, Gaviola empezó a preparar su tesis, con la supervisión de Pringsheim (quien, cuando vio su talento, lo eximió de hacer las materias de Física Experimental y lo puso directamente a trabajar en investigación). Tuvo también una propuesta de von Laue, en física teórica, pero se le complicó matemáticamente (no tenían computadoras) y prefirió el tabajo experimental. El trabajo teórico era sobre el sistema que algunos años después se convertiría en el klystron, el primer amplificador de radio, que permitiría el desarrollo del radar y la radioastronomía en los años 30.

Pringsheim le propuso que construyera un experimento para medir los tiempos de extinción de la fluorescencia, uno de los temas álgidos de la nueva física cuántica que se estaba gestando. En el verano de 1925 Gaviola hizo sus últimas materias y, hace exactamente 100 años, el 31 de octubre de 1925, presentó su trabajo ante la Sociedad Alemana de Física. Esta es la primera hoja de sus notas para la presentación, también de nuestro archivo:

Hay dos cosas que me llamaron la atención en esta página. Una, es que el tipo estaba midiendo tiempos de nanosegundos (¡en 1925!). La otra es una notita subrayada, que dice Bitte das erste Bild! ("¡Por favor, la primera imagen!"). Es decir, ya hace 100 años usaban proyectores para sus charlas. Evidentemente los manipulaba otra persona, y no serían tan sofisticados como los modernos, hechos posibles gracias a la física cuántica que Gaviola contribuyó a fundar.

Antes de publicar la tesis, Gaviola tuvo que aprobar el examen final, que eran en realidad cuatro exámenes: Física Teórica, Física Experimental, Matemática y Filosofía, tomados por von Laue, Nernst, Hans Reichenbach (destacadísimo filósofo de la ciencia) y Wolfgang Kohler (uno de los fundadores de la psicología Gestalt). Obtuvo la calificación magna cum laude. El trabajo está publicado en Annalen der Physik:

Algún tiempo después fue la ceremonia de graduación, en el despacho del Rector. Tuvo que concurrir en traje de etiqueta (alquilado), poner rodilla en tierra y recibir un espaldarazo con un diploma simbólico. Poco después le dieron el diploma verdadero, que también tenemos en Bariloche:

Cuenta Gaviola:

«La ceremonia me produjo profunda impresión; con el espaldarazo del Rector había sido armado caballero andante de la física. Pronto empecé a librar combates singulares contra la farsa, la corrupción, el fraude y el atraso en la física, primero en Estados Unidos y después en la Argentina. Por supuesto, en la mayoría de los casos salí “descalabrado”.»

El diploma es muy impresionante. Es enorme y todo el texto está en latín, con la enumeración de los grados del Rector Magnífico y el Decano de Filosofía (que es el único que firma, chiquito y en lapiz, que Gaviola señalaba en contraste con su diploma de Agrimensor de la Universidad de La Plata). El sello es como encerado y con relieve (por eso se ve quebrado en la foto). He traducido el texto como:

QUE SEA FELIZ Y PROPICIO

UNIVERSIDAD LITERARIA FEDERICO GUILLERMO DE BERLÍN

El Rector Magnífico

HEINRICH TRIEPEL

Doctor en Derecho y Ciencias Políticas en esta Universidad, Profesor Público Ordinario,
Consejero Íntimo de Justicia, Caballero de la Orden del Águila Roja en Cuarta Clase,
Comendador de otras Órdenes,

Por decreto de la Muy Honorable Facultad de Filosofía

y bajo la autoridad legítima del Promotor

JULIUS PETERSEN

Doctor en Filosofía, Profesor Público Ordinario en esta Universidad,
Miembro Ordinario de la Academia Prusiana de Ciencias,
Senador de la Academia Prusiana de las Artes,
Caballero de la Cruz de Hierro en Segunda Clase,
Decano actual de la Facultad de Filosofía

 

Al ilustrísimo y doctísimo señor

ENRIQUE GAVIOLA

Argentino

Habiendo sustentado con gran elogio (magna cum laude) el examen de Filosofía
y presentado una disertación muy loable, cuyo título es:
“Die Abklingungszeiten der Fluoreszenz von Farbstofflösungen”
(Los tiempos de decaimiento de la fluorescencia de soluciones de colorantes),
la cual fue aprobada por la autoridad de la Facultad,

los grados y honores de

DOCTOR EN FILOSOFÍA

y

MAESTRO EN ARTES LIBERALES

confieren el 21 de diciembre del año 1926

de forma legítima y solemne

y mediante el presente diploma

verificado con el sello oficial de la Facultad de Filosofía

se declara públicamente este otorgamiento. 

Este año, en ocasión además de cumplirse 125 años del nacimiento de Gaviola, conté ésta y otras historias de su carrera en una conferencia en el Observatorio de Córdoba, que repetí en el Instituto Balseiro, donde quedó grabada, y pueden verla en el canal de Youtube de nuestros Coloquios. 

 

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Ellis, mencionado por Gaviola en relación al tema de su Proseminar, es quizás Charles Ellis, cuyo trabajo en el espectro de los rayos beta contribuyó a comprender la estructura del núcleo atómico. Pero no estoy seguro, porque no era norteamericano ni trabajaba en Estados Unidos, sino que llevó adelante todo su trabajo en el Laboratorio Cavendish, en la universidad de Cambridge, paralelamente al que hacían Rutherford y Chadwick sobre los rayos alfa. 

El pasado distante

Creemos entender que las fluctuaciones que vemos en el fondo cósmico de microondas, con puntos más fríos y más calientes en el plasma que llenaba el universo apenas 380 mil años después del Big Bang, dieron lugar a los primeros cúmulos de galaxias, que siguen existiendo 13 mil millones de años después. Esas primeras galaxias son tenues y su luz está extremadamente corrida hacia las longitudes de onda largas por la expansión del universo, por ser tan antiguas. Nunca habíamos podido estudiarlas, porque se necesita un telescopio enorme e infrarrojo. Y precisamente para hacerlo se construyó el telescopio espacial Webb, como hemos contado. Un paper reciente muestra imágenes tomadas como parte de un survey llamado GLIMPSE, uno de los tantos que están explorando esas primeras luces. GLIMPSE fue diseñado para hacer observaciones muy largas, a tavés de varios filtros, valiéndose además del efecto amplificador natural que producen grandes cúmulos de galaxias más cercanos, que actúan como lentes gravitacionales enfocando la luz de galaxias aún más lejanas. Se pretende alcanzar la magnitud 30.6 en varias bandas infrarrojas, que equivale a un brillo 10 mil millones de veces menor que la estrella más tenue visible desde un sitio oscuro. A los especialistas les interesan unos mínimos puntitos rojos, visibles en la siguiente imagen, pero los aficionados quedamos boquiabiertos con la foto entera:

Esta es la región central del cúmulo de galaxias Abell S1063, un súper mega monstruo galáctico que se encuentra a 4500 millones de años luz de nosotros. Todas las galaxias blancuzcas que vemos en esta imagen forman parte de Abell S1063, incluso la gigante del centro, cuya luz parece englobar a muchas de las otras. Este cúmulo es el que funciona como lente gravitacional, ayudando a amplificar la luz de galaxias más distantes. Como es una lente natural, la imagen de estas galaxias lejanas resulta distorsionada, y las vemos formando una multitud de arcos rojizos, bien ordenaditas en torno al cúmulo de galaxias blancas. Este campo ya había sido estudiado por el telescopio Hubble, como parte del programa Frontiers. Hoy las imágenes del Hubble, que nos deslumbraban hace 10 años, nos parecen pobretonas; fíjense cuánta menos sensibilidad tiene:

Tuve que achicar la imagen del Webb para insertarla en esta página, pero voy a mostrar algunos recortes para que se vea la riqueza del campo de galaxias que se ve detrás del cúmulo. Vean qué gran distorsión presentan estas galaxias rojas (sus formas verdaderas no deben ser muy distintas de las blanquitas): 

Este es otro recorte, donde vemos un montón de galaxias del cúmulo y las distorsionadas detrás: 

Este es otro. Se puede ver que algunas de las galaxias rojas tienen mucha estructura, con globulitos y cositas, que son regiones de activa formación estelar:

Pero lo que realmente les interesa a los astrónomos de GLIMPSE es la multitud de puntitos aislados, que salpican todo el fondo en estas imágenes. Esas son las galaxias realmente lejanas, las que están en la infancia del universo. Las imágenes que estudian ellos son mucho menos glamorosas:

Esta imagen no es tan llamativa como la "foto" de Abell S1063, pero es el tipo de análisis que ellos pretenden hacer. Los cuadraditos de arriba son imágenes de algunas de las galaxias lejanas, esos puntitos que salpican el fondo de la imagen completa. El gráfico de abajo muestra la magnitud a distintas longitudes de onda (¡fíjense que son magnitudes del orden de 31!). Las magnitudes disminuyen hacia la izquierda (con unos picos superpuestos, que no importan). La curva roja (¿o es marrón?) se interrumpe bruscamente un poco a la izquierda del medio, y la violeta llega bastante más a la izquierda, bajando suavemente. Ese comportamiento es el que permite calcular el valor del parámetro z que muestran allí, y que es enrojecimiento de la luz: la galaxia "marrón" tiene z = 16.4. La luz que vemos de ella está estirada un factor de 15 veces con respecto a cuando se la emitió: así el ultravioleta queda convertido en infrarrojo. De acuerdo al modelo de expansión del universo, esa galaxia se encuentra a 35 mil millones de años luz de nosotros. Esos fotones llevan viajando 13500 millones de años; se emitieron cuando el universo tenía poco más de 200 millones de años de edad, y era muy distinto que ahora. La galaxia "violeta", que tiene una magnitud similar, en cambio, es una "colada", ya que su z = 4.8 delata que el universo ya tenía más de mil millones de años de edad cuando emitió su luz. 

A medida que se acumulen observaciones de estas galaxias, estas curvas de luz permitirán calcular a qué ritmo estaban formando estrellas, cuánto polvo tenían ya en el espacio entre ellas, cuántas hay de cada tipo, cómo se organizaban en el espacio, etc. GLIMPSE y otros surveys permitirán entender cómo surgieron las primeras galaxias y cómo se organizaron, para llegar a ser como las que vemos a nuestro alrededor, donde hay planetas capaces de albergar vida. 

 

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El paper es: Kokorev et al., A Glimpse of the New Redshift Frontier through AS1063, ApJ Lett 983:L22 (2025). Es open access, pero bastante técnico; lo mejor es la foto, que en el paper ni siquiera aparece. De allí tomé la ultima imagen. La foto a todo color es del sitio de ESA, y es de NASA/ESA/JWST, y la del Hubble es de NASA/ESA/Hubble.

La nebulosa espiral

El 13 de octubre de 1773 (acaban de cumplirse 252 años), Charles Messier observó y catalogó una nebulosa en la constelación de los Perros de Caza. Le tocó el número 51, y no apareció en la primera vesión de su catálogo, publicada en 1774, que abarca hasta las Pléyades, M45. Messier 51 no es una nebulosa en el sentido moderno, sino una galaxia. Esta:

Messier no catalogó estos objetos intrigado por su naturaleza, sino para no confundirlos con cometas, que eran su principal interés. Muchos años después de Messier todavía se discutía la cuestión: ¿eran gaseosos, como parecían, o estaban compuestos por estrellitas que los telescopios del momento no permitían discernir? Para contribuir a zanjar la cuestión, un aristócrata irlandés, William Parsons, Lord Rosse, construyó un telescopio inmenso en el jardín de su castillo. No lo hizo de la noche a la mañana, sino que perfeccionó la técnica de tallar y pulir grandes espejos de manera progresiva (¡usando máquinas de vapor!), y finalmente construyó dos espejos metálicos de 1.80 m de diámetro para su Leviatán, que sería el telescopio más grande del mundo durante 70 años:

El telescopio era muy difícil de usar, ya que pesaba 12 toneladas, soportadas por cadenas y poleas. Tenía movimientos limitados, dentro de un edificio muy distinto de los observatorios modernos. En la foto vemos a su esposa Mary, que además de financiar el proyecto (ya que era inmensamente rica) seguramente ayudó en el diseño (ya que era astrónoma, arquitecta, diseñadora de muebles y pionera de la fotografía, además de tener 11 hijos con William). Con el Leviatán, en 1845, Lord Rosse descubrió que M51 tenía una estructura espiral, sugiriendo una dinámica interna, seguramente provista por la gravedad, y acuñando la designación de nebulosa espiral. Su dibujo muestra la galaxia muy parecida a las fotos modernas, testimonio de que su telescopio era realmente extraordinario:

La característica más prominente de M51 son dos gruesos brazos espirales, conectados por bracitos menores, bien delineados por regiones de formación estelar (brillando con el característico color rojo del hidrógeno, filamentos oscuros de polvo y abundantes estrellas azules jóvenes). Esta estructura se puede seguir hasta el centro mismo de la galaxia, cosa que no ocurre con todas:

También podemos ver que M51 tiene una compañera (es otra galaxia, NGC 5195), que parece estar tironeando de uno de los brazos. En la foto podemos ver que, en realidad, NGC 5195 está completamente por detrás de la punta del brazo de M51:

Las dos galaxias no están chocando, sino que NGC 5195 está pasando cerca, rozando a M51 desde atrás, y su gravedad seguramente ha afectado la estructura espiral. 

Es perfectamente posible que el dibujo de Lord Rosse, popularizado en los libros de divulgación de Camille Flammarion en Francia, haya inspirado el cielo de La noche estrellada de Vincent van Gogh:

En años sucesivos, Lord Rosse descubrió que M99, M33 y M31 también eran espirales, pero no pudo resolver la cuestión de su naturaleza. Ahora sabemos que las dos posiciones eran correctas: algunas nebulosas son gaseosas (cosa que fue descubierta por medios espectroscópicos), mientras que otras (en particular las espirales) son galaxias, sistemas de muchísimas estrellas que recién los telescopios del siglo XX pudieron resolver individualmente, como vemos en los brazos de M51: 

Ya hemos contado que Edwin Hubble fue el gran perfeccionador de la técnica de fotografiar nebulosas espirales, lo que le permitió zanjar la cuestión, observar sus estrellas individuales y descubrir el inmenso tamaño y la expansión del universo. 

El 13 de octubre es también el día del asesinato del famoso emperador Claudio, y el cumpleaños de mi mamá. 

 

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La foto de M51 es de NASA/ESA/STScI/Hubble. No tengo fotos mías porque M51 es casi imposible de ver desde nuestras latitudes.

La máquina de cazar agujeros negros

Hace 10 años, en septiembre de 2015, el Observatorio LIGO detectó por primera vez el paso de una onda gravitacional. Fue un hito revolucionario, comparable a cuando Galileo alzó por primera vez su telescopio al cielo, abriendo una nueva manera de observar el universo. Las ondas gravitacionales habían sido conjeturadas y luego repudiadas por Einstein 100 años antes, predichas por "nuestro" Guido Beck (amigo de Gaviola y profesor del Instituto Balseiro), vislumbradas de manera indirecta en la década de 1970, finalmente fueron detectadas con un experimento increíblemente sensible, descendiente del famoso experimento crucial que demostró la constancia de la velocidad de la luz. A la radiación electromagnética, más las partículas materiales que llamamos rayos cósmicos, se unió una tercera ventana para explorar el universo. Todavía recuerdo una cena en el International Centre for Theoretical Physics a principios de siglo, cuando me senté a una mesa donde había unos astrofísicos discutiendo precisamente las posibilidades del instrumento que en ese momento se encontraba en etapa de diseño, y lo escépticos que eran respecto de sus posibilidades de éxito. Pero lo lograron, y hoy existen otros dos observatorios similares (en Europa y en Japón), todos trabajando en conjunto para detectar la sutilísima pulsación del espacio-tiempo que nos llega de cataclismos astrofísicos casi inimaginables: colisiones de agujeros negros y de estrellas de neutrones. Ya son una "máquina" de observar estos fenómenos, en todos los rincones del universo:

El gráfico muestra los eventos observados a lo largo de la década, junto con su distancia (en miles de millones de años luz, en escala logarítmica), así como la masa de los objetos y la intensidad de la señal codificadas en el tamaño y el color de los símbolos. El enorme aumento de las detecciones se debe, principalmente, a varias mejoras implementadas en los detectores, muchas de ellas usando técnicas revolucionarias diseñadas especialmente, y que sin duda algún día llegarán a dispositivos de uso corriente, como siempre pasa. 

La mejora de los sistemas se puede apreciar en esta comparación entre la señal observada en septiembre de 2015, con una observada en enero de este año:

En esta figura se muestran las señales medidas (en violeta), junto con la mejor predicción basada en la Relatividad General (en verde). Ambos eventos son similares: la colisión de agujeros negros de entre 30 y 40 masas solares, a algo más de mil millones de años luz. Se puede ver que la observación de 2015 es mucho más fluctuante y ruidosa, mientras que la de 2025 tiene fluctuaciones de mucha menor amplitud superpuesta a la oscilación bien definida correspondiente a la onda gravitacional. 

La extraordinaria calidad de la detección de la nueva onda por encima del ruido de fondo ha permitido, además, mejorar el cálculo de los parámetros que caracterizan al sistema, principalmente las masas de los agujeros negros. El siguiente gráfico tiene las masas en los ejes, con una nube gris que muestra la calidad de la medición de 2015 mientras una nube azul, mucho más concentrada, es la de 2025. 

Pero mejor todavía que esto, es que pudieron medir con precisión la superficie de los agujeros negros: de los dos que chocaron y del tercero que surgió de su fusión. Esto permitió comprobar la validez de un famoso teorema de Stephen Hawking referido a las superficies: el área final tiene que ser mayor que la suma de las iniciales. El siguiente gráfico muestra el notable resultado, que pudo haberle valido a Hawking un premio Nobel:

En 2016, cuando se anunció la primera observación exitosa, escribí una notita en el blog, que recibió un montón de comentarios con preguntas interesantes, que respondí lo mejor que pude. Los invito a revisarlas, ¡y a seguir preguntando! 

 

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La noticia del aniversario, de la cual tomé las dos primeras ilustraciones (y el título), es del sitio web de LIGO: Ten Years Later, LIGO is a Black-Hole Hunting Machine.

El paper sobre la comprobación del resultado de Hawking es: Abac et al,  GW250114: Testing Hawking's Area Law and the Kerr Nature of Black Holes, Phys. Rev. Lett.  135:111403 (2025). De allí son los dos gráficos finales.