El susurro del hidrógeno (segunda parte) | Artículo de Luis Felipe Rodríguez Jorge

Por Luis Felipe Rodríguez Jorge / Miembro de El Colegio Nacional*

Decíamos en la entrega anterior que desde hace cien años sabemos que el universo está constituido primordialmente por hidrógeno. Nueve de cada 10 átomos son hidrógeno. Cuando el hidrógeno está en un medio caliente puede pasar a estados con mayor energía. Esto ocurre con el electrón subiendo a niveles por encima del estado base, el de menor energía. 

Así, se pudo constatar que las estrellas, al emitir luz de ciertos colores, contenían hidrógeno. Pero se sospechaba que, en el espacio entre las estrellas, que es mayoritariamente frío, había mucho hidrógeno en el estado base de energía que sería indetectable. Afortunadamente, la mecánica cuántica vino al rescate. 

Resulta que si bien a principios del siglo XX se pensaba en el protón y el electrón (las dos partículas que forman al hidrógeno) eran como bolitas sin ninguna peculiaridad, pronto quedó claro que tenían sus bemoles. Estas partículas tienen una propiedad que se conoce como el espín que hace que se comporten como diminutos imanes. Podemos pensar en los imanes como teniendo un polo norte y un polo sur. Si alineamos dos imanes con sus polos norte de un mismo lado y sus polos sur del otro lado, los imanes tratarán de voltearse porque polos iguales se repelen mientras que polos opuestos se atraen. En el caso del átomo de hidrógeno la diferencia de energía entre el estado paralelo y el antiparalelo es minúscula, pero también produce un fotón. Detectando estos fotones de muy baja energía —el susurro del hidrógeno—, sería posible estudiar su presencia en el espacio interestelar.

A fines de la Segunda Guerra Mundial, en la Holanda ocupada, el astrónomo Jan Oort le pidió en 1944 al estudiante Hendrik van de Hulst que calculara la longitud de onda de esta emisión y determinara si sería detectable con la instrumentación adecuada. El joven van de Hulst encontró que la longitud de onda sería de 21 centímetros y que la energía de esos fotones sería de 2 millonésimas de la de los fotones de color verde. Estos débiles fotones caerían en la banda de radio y habría que buscarlos con un radiotelescopio. Pero la radioastronomía estaba en pañales y no ocurrió gran cosa. Sin embargo, la predicción no pasó desapercibida y terminada la Segunda Guerra Mundial, grupos de tres países: Estados Unidos, Holanda y Australia se embarcaron en la travesía de detectar la línea de 21 centímetros proveniente del espacio.

Los ganadores de la carrera fueron los estadunidenses. El distinguido físico Edward Purcell con la ayuda de su estudiante Harold Ewen mandaron una propuesta solicitando 500 dólares para construir un detector de ondas de radio. En una ventana de un edificio en la Universidad de Harvard colocaron una especie de corneta del tamaño de una persona que captaría y enfocaría los fotones haciéndolos llegar a los amplificadores que había en el interior del edificio. Los astrónomos que trabajaban con luz visible no entendían de que se trataba. ¿Dónde estaban las placas fotográficas, los lentes y los espejos con los que estaban familiarizados? Pasarían años antes de que la comunidad astronómica entendiera que era posible detectar fotones de distintas bandas provenientes del espacio y que los detectores para cada caso eran muy diferentes entre sí.

La detección de la línea de 21 centímetros ocurrió el 25 de marzo de 1951. Este año se cumplen 75 de este momento culminante en la historia de la astronomía y será uno de los acontecimientos que se conmemorarán como parte de la Noche de las Estrellas de este año, que tendrá lugar el sábado 14 de noviembre en México y en todo el mundo.

Cuenta la leyenda que Ewen escribió su tesis doctoral en tres días usando este resultado. Purcell recibió el Premio Nobel de Física de 1952 por otra de sus aportaciones: la medición de campos magnéticos en el núcleo atómico. Este conocimiento llevaría al desarrollo de la resonancia magnética nuclear, una técnica con grandes aplicaciones médicas, capaz de producir imágenes muy precisas del interior del cuerpo humano sin necesidad de invadirlo.

Caballerosamente, Purcell y Ewen detuvieron la publicación de sus resultados para esperar que los grupos neerlandés y australiano confirmaran la detección. Los artículos de los tres grupos se publicaron uno tras otro el 1 de septiembre de 1951 en la revista Nature.

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Interesantemente, la línea de 21 centímetros cae entre las regiones del espectro de radio que utilizan los teléfonos celulares, indispensables en el presente. Afortunadamente, existen acuerdos que reservan ciertas regiones del espectro con importancia astronómica.

A partir de esas fechas la línea de 21 centímetros se convirtió en el caballito de batalla para estudiar el hidrógeno en el espacio. Fue posible mapear el tamaño y estructura de nuestra galaxia, la Vía Láctea, y demostrar que, como otras galaxias similares en el espacio, tiene brazos espirales ricos en hidrógeno. Con el desarrollo de radiotelescopios cada vez más poderosos se comenzó a estudiar el hidrógeno en otras galaxias. Estos estudios no solo nos dicen cuánto hidrógeno está presente, sino también su movimiento. Esta fue una de las técnicas que usó la astrónoma Vera Rubin para demostrar que las partes externas de las galaxias giran demasiado rápido y que para que la galaxia no se disgregara era necesario proponer la existencia de una materia oscura que con su fuerza gravitacional mantendría a la galaxia unida, en una sola pieza. Hasta la actualidad seguimos debatiendo que es esta misteriosa materia oscura.

El hidrógeno existe preponderantemente en tres variedades. La primera es el hidrógeno atómico que puede estudiarse con la línea de 21 centímetros. La segunda es el hidrógeno ionizado, que se estudia con las líneas que se emiten al desplomarse el electrón de un nivel a otro inferior.

Finalmente, en regiones muy frías y densas dos átomos de hidrógeno pueden unirse para formar una molécula de hidrógeno. Estas moléculas tienen emisión de líneas en la ventana infrarroja. Para estar seguros de que tenemos la contabilidad completa de los cuerpos cósmicos, es necesario buscar y estudiar al hidrógeno en sus tres variedades. De otra manera, la información es incompleta. Y sí: conocemos mejor la composición química del universo que la del interior de la Tierra.

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