¿De qué están hechas las estrellas? Hace un siglo, esta mujer lo descubrió y cambió la física para siempre

Los seres humanos han observado las estrellas durante milenios, desde que nuestros antepasados miraban hacia el cielo. A lo largo de la historia, los centelleantes patrones de luz sobre el cielo negro han servido de brújulas y calendarios, han contado historias de dioses y diosas y han inspirado a poetas y artistas. Pero la relación de la humanidad con las estrellas cambió radicalmente en 1925, cuando una joven estudiante de posgrado descubrió de qué estaban hechas las centelleantes luces y sentó las bases de la astrofísica estelar. 

Esta astrónoma intuitiva y brillante era Cecilia Payne, y a los 24 años demostró que las estrellas no eran como nuestra Tierra, sino esferas brillantes de hidrógeno y helio, los dos elementos más ligeros y simples del universo.

"Es un conocimiento fundamental para la humanidad", asegura Anna Frebel, astrofísica del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) de Estados Unidos.

Pero como muchas hipótesis o descubrimientos que se oponen a las principales teorías de la época, la tesis de Payne fue cuestionada y discutida. El hecho de que fuera una joven astrónoma que se oponía al statu quo en una época en la que todos los expertos académicos en astronomía eran hombres aumentó las tensiones.

En la actualidad, su tesis de licenciatura sigue siendo un infaltable en las bibliotecas de los astrofísicos estelares, con sus más de 200 páginas amarillentas por el paso del tiempo y el uso. Los científicos de hoy la consideran una obra maestra de la escritura astronómica, del encaje de las piezas. "Se trataba de atención al detalle", dice la astrofísica estelar de la Universidad de Wyoming Meridith Joyce sobre la tesis de Payne. "Era precisa y realmente valiente".

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Las primeras teorías sobre la composición de las estrellas

A principios del siglo XVII, los humanos empezaron a construir y utilizar telescopios. Los observadores se dieron cuenta de la abundancia de estrellas en el cielo nocturno y de que se agrupaban en "nebulosas" parecidas a nubes.

A principios del siglo XIX, los observadores utilizaron por primera vez prismas para convertir la luz solar en un arco iris de colores. Ese mismo siglo, los astrónomos descubrieron que colocando un prisma entre la lente de un telescopio y un detector podían registrar la luz de las estrellas.  El prisma descomponía la luz de estos objetos, que caía sobre una placa fotográfica de cristal recubierta de una emulsión. Al interactuar los fotones de luz con esa emulsión, se creaba una marca oscura. Sobre esa placa se extendía un patrón de regiones oscuras y espacios vacíos, cada uno de los cuales marcaba un color de luz específico: la firma de una estrella lejana.  

A mediados del siglo XIX, los investigadores descubrieron que la luz de elementos gaseosos calentados en laboratorios producía patrones espectrales opuestos: regiones vacías separadas por líneas brillantes de color. Los físicos se dieron cuenta de que podían utilizar esas líneas brillantes para interpretar la química de ese gas.

Los científicos advirtieron que los materiales de la corteza terrestre mostraban patrones similares a los observados en las estrellas, por lo que los astrónomos pensaron que el Sol y todas las estrellas estaban hechos de la misma materia que nuestro planeta. "No teníamos ninguna razón real para creer que algo en el universo fuera diferente de lo que podíamos observar en la Tierra", explica Joyce.

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¿Quién fue Cecilia Payne?

Cecilia Payne nació el 10 de mayo de 1900, en la localidad inglesa de Wendover. Según su autobiografía, durante su adolescencia estudió ciencias y música antes de obtener una beca para asistir al Newnham College de la Universidad de Cambridge en 1919.

Inicialmente estudió botánica, pero se cambió a física en su primer año. Aprendió física atómica de Ernest Rutherford, el hombre que descubrió que cada átomo tenía un núcleo cargado positivamente, y de Niels Bohr, que estudió cómo se comportaban los electrones alrededor de ese núcleo positivo.

A finales de ese año, Payne asistió por casualidad a una conferencia de Arthur Eddington en el Trinity College, donde anunció los resultados de su expedición durante el eclipse total de Sol de 1919. Captó imágenes de las posiciones de las estrellas, que parecían desplazarse debido a que el Sol atraía su luz, alterando la trayectoria de las luces. Durante aquella conferencia, Eddington confirmó la flamante teoría general de la relatividad de Albert Einstein, y Payne se enamoró de la astronomía.  

En 1923 se embarcó rumbo a Estados Unidos para iniciar sus estudios de posgrado en el Harvard College Observatory y en el Radcliffe College de Cambridge (Massachusetts). "Llegó al único lugar donde las mujeres podían triunfar" en astronomía, dice Thom Burns, conservador de fotografías astronómicas del observatorio.

Cuando se incorporó al observatorio, todos los astrónomos y estudiantes eran hombres. También trabajaban en el observatorio entre 10 y 20 mujeres, pero eran las "computadoras", término utilizado para designar a los ayudantes de laboratorio que realizaban cálculos. En este caso, las mujeres buscaban patrones en la luz de las estrellas y registraban los cambios en esos cuerpos celestes visibles. Con una beca de posgrado, Payne desempeñaba un papel distinto al de las demás.

Su mentor, Harlow Shapley, instó inicialmente a Payne a continuar el trabajo de una computadora, Henrietta Swan Leavitt, que se había dado cuenta de que las variaciones en la luz de algunas estrellas podían utilizarse para medir distancias. Pero la estudiante no estaba interesada en el proyecto de Leavitt. "En su lugar, quería centrarse en las décadas de placas de espectroscopia casi intactas", refiere Burns.  

Ninguna institución tenía más de esas placas de emulsión que conservaban las firmas de las estrellas que Harvard". Otra computadora, Annie Jump Cannon, había empezado a clasificar estrellas basándose en sus firmas. Payne quería basarse en este trabajo, combinando lo que había aprendido sobre el funcionamiento interno de los átomos en Newnham con las recientes teorías científicas de la física y la química, para comprender a estos objetos brillantes del cosmos.

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¿Cuál fue el descubrimiento de Cecilia Payne?

En esa época, la investigación en física se estaba acelerando y los descubrimientos y teorías científicas viajaban por todo el mundo.

Los investigadores habían descubierto el origen de los patrones de las placas espectroscópicas: electrones que cambiaban de nivel de energía al girar alrededor del núcleo de un átomo, una acción que emite o absorbe luz. El color de esa luz era específico de un átomo concreto, lo que significaba que un electrón de un átomo de carbono siempre absorbía o emitía la misma cantidad de luz para alcanzar un estado más rápido o volver a un estado más relajado. Al cabo de unos años, los experimentos determinaron la mayoría de las energías que lanzan a los electrones a diferentes niveles para muchos de los elementos atómicos.

Buscando esas líneas características en los espectros de la luz de las estrellas, los científicos pudieron ver que los colores que faltaban o los espacios vacíos de las placas coincidían perfectamente con los elementos atómicos. Ahora podían identificar los elementos constituyentes. 

Las estrellas en el cielo mostraban espacios en blanco donde su gas absorbía la energía procedente del horno nuclear que ardía en sus núcleos.

La mayoría de estos estudios de laboratorio se centraron en los elementos neutros. Las estrellas son bolas gigantes de gas presurizado y muy caliente, y nadie había descubierto aún cómo esos extremos podían cambiar los patrones de luz de los distintos elementos.

Payne combinó los conocimientos de la física atómica con una "idea brillante" del físico indio Meghnad Saha, según escribió en su autobiografía . Saha acababa de determinar cómo se comporta el gas a distintas temperaturas y densidades y, en concreto, cómo se mueven los electrones que contiene en entornos extremos.

Basándose en las altas temperaturas y presiones de las estrellas, calculó las intensidades de las líneas espectrales de la luz estelar en las placas de Harvard. "Las distintas líneas siempre tienen una cierta relación de intensidad entre sí", explica Frebel. A partir de ahí, Payne pudo calcular la abundancia de los elementos en estos objetos brillantes.

El trabajo de Payne demostró que el hidrógeno y el helio (los dos elementos químicos más ligeros) son increíblemente abundantes en las estrellas, mientras que los elementos más pesados son mucho menos frecuentes. 

También describió el origen de las formas observadas en las líneas: cómo afectan las presiones y temperaturas interiores del material gaseoso a la firma luminosa. Entender esas formas, dice el astrofísico estelar de la Universidad Estatal de Iowa Steven Kawaler, "es esencial para utilizarlas, los espectros, para comprender la dinámica de las atmósferas".  

Payne utilizó las líneas de absorción no solo para conocer las abundancias o las temperaturas, añade, sino para comprender lo que ocurre físicamente en el interior de las estrellas.

Los aportes de Cecilia Payne a la ciencia

Payne terminó su tesis en 1925, y con ella obtuvo el doctorado en astronomía por Radcliffe. Al principio, sus contemporáneos se mostraron escépticos. El célebre astrónomo de Princeton (Estados Unidos) Henry Norris Russell, uno de los principales astrónomos estelares de todos los tiempos, fue uno de sus críticos más acérrimos. Como guiño a sus preocupaciones, escribió sobre el hidrógeno y el helio: "La enorme abundancia derivada para estos elementos en la atmósfera estelar casi con toda seguridad no es real".

Mientras que el resto del texto rezuma confianza, dice Kawaler, esta afirmación fue una "difusión temporal de un resultado por lo demás muy emocionante”. Sin embargo, solo cuatro años más tarde, Russell confirmó los hallazgos de Payne.

Este trabajo "nos dio el punto de partida para comprender lo que se mide en espectroscopia estelar", dice Frebel, que utiliza la luz de las estrellas para buscar las más antiguas. Los descubrimientos de Payne han ayudado a futuros investigadores a reconstruir lo que ocurre bajo la superficie de una estrella a lo largo de su vida, cómo la energía producida en el centro de ellas se desplaza a través de sus capas exteriores y cómo mueren en explosiones o se desvanecen débilmente en el fondo negro.

"Las estrellas lo son todo", subraya Joyce. "Todo lo demás que sabemos sobre el universo procede de ellas".