Vera, la espía de las estrellas (II): «Lo que ves en una galaxia espiral, no es lo que hay»

Continuación de la entrada Vera, la espía de las estrellas (I): Los misterios del cielo nocturno

A principios de 1951, Vera acababa de presentar la tesis del máster que había cursado  en Cornell en la reunión de la A.A.S. (American Astronomical Society) y había recibido un sinfín de críticas. Desde pequeña sabía que quería ser astrónoma pero los momentos que estaba viviendo hacían que a veces se sintiese insegura y se preguntase si realmente lo sería algún día.

Después de la conferencia permaneció alejada de la universidad durante seis meses y fue precisamente el A.J. (Astrophysical Journal) lo que le hizo volver. Desde su exilio voluntario se subscribió a la revista y cada vez que la recibía le saltaban las lágrimas. No se encontraba en una situación complicada, estaba casada con alguien que quería y con quien compartía sus inquietudes profesionales y personales, tenía un bebé que adoraba y residía en una bonita casa en Trumansburg. Sin embargo sentía que estaba viviendo los meses más infelices de su vida. Trató de crear, junto a su marido, un hogar agradable donde vivir con su hijo y los futuros retoños que viniesen y se trasladaron a Langley Park Apartments, una zona residencial  de Washington. Pero allí se acentuó su malestar, se dio cuenta de que nunca había contemplado la posibilidad de quedarse en casa cuidando de su hijo mientras su marido se iba a trabajar. Sentía que no tenía nada en común con sus vecinos, que no entendían que no se comportase como lo hacían las madres de los demás niños pequeños del barrio. Era una situación demasiado dura y desalentadora. Bob la conocía a la perfección y sabía lo importante que era para ella llegar a ser algún día una verdadera astrónoma. No podía permitir que siguiese viviendo un modelo de vida que no deseaba y decidió hablar con ella para convencerla de que debía regresar a la vida académica. Vera aún recuerda aquel momento, estaba sentada y tenía el ApJ (Astrophysical Journal) abierto por la ponencia de Thornton que acababa de leer «Velocidades Radiales  y masas de las Galaxias Dobles».

Un mes más tarde pasó algo tan sorprendente como emocionante que acabó de darle fuerzas para reemprender el camino que tanto esfuerzo le había costado seguir. El camino que había decidido tomar a los once años, mientras observaba las estrellas desde su cama. Recibió una llamada de George Gamow. Le pedía si podía facilitarle más información sobre el trabajo desarrollado en la tesis del Master para utilizarlo en una charla del A.P.L. (The Applied Physics Laboratory). No pudo asistir a la conferencia porque no estaba permitida la asistencia de las esposas o acompañantes debido a que era un laboratorio militar y el acceso  estaba restringido. Pero aquella llamada marcó el inicio de un fructífero diálogo telefónico con Gamow.

George Gamow

En febrero del 52, seis meses después de su llegada a Washington, empezó en la Universidad de Georgetown. En ese momento estaba embarazada de su segundo hijo. Si bien le hubiese gustado entrar en Princenton, allí no aceptaban a mujeres y no lo hicieron hasta el 1975. En la de George Washington, donde estaba Gamow, no contaban con la especialidad de Astronomía y sólo hubiese podido hacer Física. Aunque se veía capaz de superar las siete áreas de la física, prefería dedicar su cerebro a problemas astronómicos más que a problemas físicos. En el momento que tuvo que decirle a su madre que volvería a la universidad estaba nerviosa porque no sabía cómo se lo tomaría o si pensaría que no estaba siendo una buena madre. Fue una preocupación sin sentido dado que su madre siempre la había apoyado y siguió haciéndolo.

Para pagar las clases, que representaban una importante fracción del salario de su marido, solicitó una beca en la A.A.U.W. (American Association of University Women) pero se la negaron. La razón fue un tanto curiosa. Al final de la entrevista le dijeron que no se la iban a conceder porque ella acabaría de todas las maneras, se la diesen o no. Así que tuvieron que arreglárselas para afrontar los gastos. Y el esfuerzo económico no fue la única sorpresa, Vera desconocía en el momento de solicitar la admisión, que en Georgetown todas las clases empezaban a las seis de la tarde y se prolongaban hasta las ocho o las nueve. Eso obligó a que todos los días de clase, que eran dos o tres a la semana, Bob Rubin llevase a la madre de Vera a su casa para cuidar de los niños y condujese a su mujer a Georgetown. Las clases eran en el observatorio, que tenía un pequeño estacionamiento en un lugar bastante bonito. Mientras ella iba a clase, Bob cenaba su sándwich en el coche y después entraba y se sentaba en la biblioteca para trabajar.

Empezó a escribir la tesis justo después de su incorporación, mientras se ponía al corriente de las últimas investigaciones. Afortunadamente, en Georgetown tuvieron en cuenta su formación anterior. Dado que había estudiado mucha física en Cornell, el único requerimiento en ciencias fue la propia asignatura de  astronomía. Por lo que a humanidades se refiere, para hacer el doctorado necesitaba conocimientos de filosofía e historia. Dado que en Vassar había cursado varias asignaturas de filosofía, había satisfecho los requerimientos de esta disciplina. Por lo que se refiere a la historia, le fue convalidada por la asignatura de filosofía de la ciencia.

Universidad de Georgetown

Los tiempos de postguerra eran duros, y el director de su universidad, el Padre Heyden, trataba de facilitar las cosas a aquellas personas que necesitaban un cuidado especial ofreciéndoles trabajo. En su tarea docente impartía astronomía estadística y astronomía galáctica. Otro de los padres jesuitas, el Padre Thakakera era un astrónomo solar y trabajaba para la NASA siendo uno de los primeros en determinar la constante solar. Por desgracia, murió muy joven. En aquel ambiente, Rubin sentía que estaba en el camino de convertirse en astrónoma.

Respecto a la elección del tema de la tesis del doctorado, Karl Kiess le sugirió el estudio de la estructura fina del espectro solar. Vera hubiese preferido estudiar los planetas, tal y como estaba haciendo Kiess, en lugar del espectro solar. No estaba interesada en ese tema así que se lo comentó al Padre Heyden con quien tenía mucha confianza. Le preguntó si podía pedirle a George Gamow que fuese su director de tesis. Tras la aprobación del religioso, contactó con Gamow por teléfono y este la citó en la bilioteca del DTM (Department of Terrestrial Magnetism) de la Institución Carnegie, del que hasta entonces no había oído  hablar.  Era la primavera del 52 y estaba embarazada de su hija Judy.  Después de esa primera charla, a finales de abril, la invitó a una reunión en la National Academy of Sciences y fue la primera vez que entró en ese edificio. Se quedó a comer y escuchó las charlas que se dieron. Y fue realmente emocionante.

La discusión se centró en la posible existencia de agrupaciones galácticas, si había algunas distribuciones preferentes de galaxias. A partir de esta segunda cita, se encontraron periódicamente en la biblioteca o en la casa que Gamow tenía en Chevy Chase. Allí vivió algún momento embarazoso al presenciar la tensa relación entre Gamow y su esposa.  Como tenían que alternar sus compromisos académicos con sus encuentros no podían verse con la frecuencia que hubiesen deseado y se limitaban a verse una vez al mes. En esos encuentros examinaban los avances que habían realizado sobre el tema de la tesis.

La primera ocasión en la que pudieron pasar dos largas tardes hablando durante horas sobre galaxias y estrellas fue en la universidad de verano de Michigan de 1953, y lo hicieron con Baade en el hotel del campus donde se hospedaban. Ella había solicitado una ayuda económica para asistir a aquella universidad de verano a la NSF (National Science Foundation) pero le fue denegada sin más explicaciones. Al final el matrimonio se decidió a ir a pesar del coste y sus padres se quedaron con los niños. El esfuerzo valió la pena ya que ese encuentro marcó un punto de inflexión. Allí conoció a la mayoría de los grandes astrónomos profesionales con los que ahora tiene relación. Pudo disfrutar de la exposición de una gran diversidad de temas y perspectivas que no habría podido escuchar en otras circunstancias.

George Gamow

George Gamow, por su parte, era realmente un fenómeno. Tenía una intuición portentosa y, si no tuvo más renombre fue, probablemente, porque era poco ortodoxo. En muchos casos no hacía el trabajo de forma detallada, sino que le venía por inspiración. Vera nunca había visto a una mente trabajar así.

El tema elegido para la tesis partió de una pregunta de Gamow. Querían estudiar la distribución espacial de las galaxias en el universo para comprobar si era uniforme o si, por el contrario, formaba agrupaciones. Para hacerlo se sirvió de los procedimientos estadísticos que ya se estaban desarrollando en la comunidad astronómica en esos momentos. La conclusión fue que existían regiones donde había una mayor agrupación de galaxias. Sin embargo, este tema no volvió a investigarse hasta el decenio de 1970, cuando se dispuso de más datos y ordenadores más potentes.

El trabajo de la tesis lo realizó íntegramente en casa durante los momentos en los que los niños dormían. Cuando estaban despiertos podían disfrutar de su madre. Su familia y sus estudios eran sus dos principales ocupaciones y no tenía tiempo para convencionalismos sociales propios de aquella zona residencial en la que cada vez le  disgustaba más vivir. Finalmente, el 1954, culminó esta dura etapa con la obtención del doctorado.

El año siguiente enseñó matemáticas y física en el Montgomery County Junior College. De 1955 a 1965 fue investigadora asociada y, más tarde, profesora adjunta de la Universidad de Georgetown. No hacía lo que realmente le gustaba en el campo de la astronomía pero fueron unos años muy provechosos. En primer lugar crió a sus cuatro hijos que, tal y como apunta, han sido sus mayores logros: David (1950), Doctor en Geología; Judith (1952), Doctora en Física; Karl (1956), Doctor en matemáticas; y Allan (1960), Doctor en Geología. En segundo lugar, mantuvo e incrementó sus conocimientos en astronomía gracias a la literatura que estudiaba para impartir sus clases, así como a través de la lectura de todos los artículos que caían en sus manos. Jamás había podido estar tan al día de los avances que tenían lugar en su campo. Sentía que estaba aprendiendo, que aprovechaba ese tiempo tan valioso para enseñar y aprender enseñando.

En ese periodo también se mudó de la zona residencial, aprendió a conducir, impartió cursos de Astronomía en el instituto de sus hijos, trabajó en el Consejo Asesor de un programa de ciencia juvenil de la propia ciudad y en el Comité Nacional de los Derechos Humanos. Y además hizo algunos bolos académicos destacados. En 1960 asistió a un Simposium en Santa Bárbara sobre Agrupaciones Galácticas. Allí escuchó una charla de Fritz Zwicky que, en principio, no estaba anunciada en el programa. Pero  Fritz estaba muy interesado en hablar sobre las agrupaciones galácticas y eso le hizo comprender a Vera hasta que punto el tema de su tesis doctoral estaba candente. Un año más tarde fue a la Netherlands University Research, para asistir al curso de verano organizado por Jan Oort, que fue de gran importancia para ella ya que volvió a ponerla en contacto con la astronomía extragaláctica. Pudo conversar sobre las novedades y progresos que se estaban desarrollando en su campo  y se sintió feliz de haber hecho astronomía a pesar de todos los comentarios en contra que había recibido. La realización del curso había llegado a sus oídos por casualidad, cuando un jesuita alemán lo mencionó al pasar de visita por Georgetown. Baade iba a ser uno de los conferenciantes pero murió esa primavera.

En 1963, Rubin trabajó con Margaret y Geoffrey Burbidge en la Universidad de California. Ambos escuchaban sus ideas y se interesaban por lo que decía, le daban credibilidad y la hacían sentirse como una verdadera astrónoma profesional. Por aquel entonces también se convirtió en una observadora oficial (profesional) en el Kitt Peak en Arizona y también fue la primera mujer a quien se permitió realizar observaciones en el Observatorio de Palomar.

Vera Rubin en el Kitt Peak, 1970

A su regreso a Washington, en 1965, obtuvo un puesto en el DTM (Department of Terrestrial Magnetism) de la Institución Carnegie, lugar en el que se había encontrado por primera vez con Gamow y del que hacía tiempo que quería formar parte. El ambiente era muy familiar y la falta de presión por publicar hacía que pudiese disfrutar de la libertad necesaria para seguir sus propios intereses y escoger el objeto de su investigación. Tenían almuerzos diarios y discusiones científicas. Vera se sentía totalmente satisfecha, era todo lo que deseaba, hacer astronomía allí era un verdadero placer. Tal y como le dijo en varias ocasiones a David Burstein, que estuvo con ella de 1977 a 1979 como postdoctorado, «no debes hacer astronomía por dinero o publicidad, debes hacerlo por tu propia satisfacción.»

En 1970 empezó a colaborar con Kent Ford y volvieron a sus antiguas investigaciones sobre la rotación global de las galaxias entorno a un eje central del universo. Tras llegar a resultados parecidos a los obtenidos en la tesis de su master, volvieron a encontrarse con un recibimiento poco amistoso por parte de la comunidad astronómica. Se generaron debates encendidos e incluso recibió invitaciones a abandonar esa investigación. Como tanto ella como Ford no querían tener que trabajar en ese ambiente de confrontación intensa y desagradable, decidieron centrarse en un área que les parecía menos controvertida.  Y acertaron de lleno…

Estudiarían porqué las galaxias espirales presentaban variaciones en su brillo y en su estructura. Creían que estaba relacionado con la velocidad de rotación de las estrellas respecto al centro galáctico. Vera ya había mostrado interés en el movimiento interno de las galaxias durante su estancia en la Universidad de California y, los Burbidges habían medido las velocidades de las estrellas más cercanas al eje central galáctico. Pero Vera, en su actual colaboración con Ford quería ir más allá y estudiar el comportamiento de aquellas que estaban más alejadas. Con el espectrógrafo de Ford, dotado de una gran sensibilidad, midieron la velocidad de las estrellas en las galaxias espirales en función de su distancia al centro.

Debido al efecto Doppler, la luz emitida por las estrellas que se acercan al observador o espectrógrafo aumenta su frecuencia presentando un desplazamiento al azul mientras que la emitida por las que se alejan experimenta un desplazamiento al rojo.  A través de los cambios en la frecuencia se puede calcular la velocidad orbital de las estrellas en las diferentes partes de las galaxias espirales. La primera que examinaron fue Andrómeda obteniendo resultados sorprendentes e inesperados.

Galaxia de Andrómeda

Por aquel entonces creían que la distribución de masa en una galaxia seguía el mismo patrón que la distribución de luminosidad. Así pues, las estrellas situadas en las cercanías del centro donde existe mayor concentración de estrellas visibles y por tanto, mayor masa y mayor gravedad, girarían con mayor rapidez mientras que la velocidad disminuiría en las zonas medias llegando a su mínimo en las zonas periféricas. En las galaxias espirales, el polvo y las estrellas del disco galáctico están todos en órbita alrededor de un centro de masas común. Se mueven en respuesta a la atracción gravitatoria.

Si se imagina la galaxia como un esferoide, la atracción gravitatoria debida a la masa M residente en su centro, y un objeto de masa m, en una órbita ecuatorial a una distancia r del centro, viene dada por la ley de Newton GMm/r² = mv_r²/r y de aquí se obtiene que v_r = (GM/r)^-1/2 donde v_r es la velocidad orbital.

Si representaban la velocidad orbital en función de la distancia al centro, esperaban encontrar que esta decreciese inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la distancia. Pero lo que hallaron no fue eso. La velocidad de rotación de las estrellas de la galaxia espiral permanecía constante al aumentar la distancia al centro o bien aumentaba ligeramente al alejarse de este. Es decir, las estrellas más lejanas al centro, en las regiones escasamente pobladas, se estaban moviendo tan rápido como las más cercanas.

En un primer momento pensaron que la galaxia de Andrómeda presentaba algún comportamiento anómalo, así que estudiaron unas sesenta galaxias espirales más y obtuvieron resultados análogos. Vera concluyó que  «Lo que ves en una galaxia espiral, no es lo que hay». Parecía que la disminución de la masa luminosa con la distancia al centro quedaba compensada por un aumento de una masa no luminosa de la que había aproximadamente 10 veces más.

Cúmulo de Coma

Tras el asombro inicial, Rubin recordó que ya había evidencias anteriores de una masa invisible en el universo. Como estudiante de postgrado aprendió que hacia el 1933 Fritz Zwicky y Sinclair Smith, del Instituto de Tecnología de California, descubrieron que en algunos cúmulos como el de Coma, algunas galaxias se movían a una velocidad tal que su atracción gravitatoria mutua era insuficiente para evitar la desintegración del cúmulo. De ello se desprendía que o bien la agrupación galáctica se estaba desintegrando o bien había algún tipo de materia no visible que la mantenía unida. Dado que los datos apuntaban a favor de una configuración estable de los agregados galácticos, se empezó a hablar de la existencia de una “masa perdida”. Bueno, pues parecía que perdida no estaba, simplemente no se podía ver.

En la reunión de la Sociedad Estadounidense de Astronomía de 1975, Vera y Kent anunciaron a toda la comunidad científica sus hallazgos sobre el giro anómalo de las velocidades de las estrellas en las galaxias espirales. Ello podía deberse a que la ley de la gravedad no se aplicara universalmente o a la existencia de una masa no visible, «materia oscura».  Como podía esperarse, en un primer momento los científicos se mostraron reacios a aceptar esta conclusión. Pero las observaciones eran tan claras y la interpretación tan sencilla que pronto se dieron cuenta de que Rubin tenía que estar en lo cierto. Poco tiempo después aparecieron trabajos que lo corroboraron.

Desde 1978 Vera y su equipo estudiaron más de 200 galaxias y estimaron que aproximadamente el 90% de la materia del Universo es esta materia «oscura», no visible pero detectable por el efecto gravitacional que produce. En un artículo publicado en el Scientific American Rubin afirmó que «Esta materia oscura es tan importante para nuestra comprensión del tamaño, forma y destino final del universo que su búsqueda probablemente dominará la Astronomía en las próximas décadas»; y en Discover explicó que «Con más del 90% de la materia del universo para jugar con ella, ni siquiera el cielo será el límite».

Curvas de rotación para galaxias espirales

Estaba en lo cierto, la materia oscura sigue siendo uno de los misterios más atractivos de la actualidad. Aparte de los resultados obtenidos por Rubin, también ha habido otras evidencias de su existencia como el Cúmulo Bala , o el fenómeno de la lente gravitatoria en zonas donde no hay estrellas. Hay varios candidatos a materia oscura más allá del modelo estándar. En el modelo supersimétrico las partículas WIMP son unas candidatas muy bien posicionadas que cumplen con las características necesarias para ser materia oscura. Sin embargo aún no hay evidencias experimentales de la existencia de supersimetría.

Vera precisó en alguna ocasión que ella no descubrió la materia oscura, que se limitó a observar que las galaxias giraban de una manera totalmente inesperada según las leyes de Newton y Kepler, que esto se interpretó como la primera evidencia de que la materia oscura existía, y continúa siendo la hipótesis más factible, pero que también podría ser que arrastrásemos un error fundamental en las ecuaciones que utilizamos para describir el movimiento de los cuerpos celeste. Las teorías  alternativas que por el momento se han hecho para justificar las consecuencias o pruebas de la materia oscura sin la necesidad de incluirla, por el momento son incompletas: MOND (Modified Newtonian Dynamics) trató de aportar una alternativa dinámica y la de Gravedad Conforme trató de establecer una teoría gravitatoria alternativa.

En su continua exploración del cosmos, Vera descubrió en 1992 la NGC 4550 en la cual la mitad de las estrellas del disco están orbitando alrededor del centro en una dirección y la otra mitad en la dirección opuesta, con ambos sistemas entremezclados. En un principio pensó que el resultado podía ser debido a la fusión de dos galaxias girando en direcciones opuestas. Pero desde entonces, encontró otros casos que también presentan este extraño comportamiento. Más recientemente, su equipo había observado que la mitad de las galaxias del gran cúmulo de Virgo muestran signos de perturbaciones debidas a los efectos gravitacionales provocados por galaxias cercanas. Quedan demasiados misterios por resolver para dejar de mirar al cielo.

Vera, vio reconocidos sus logros en diversas ocasiones. En 1981 fue elegida miembro de la National Academy of Sciences y en su discurso declaró que «La fama es efímera. Mis números significan más para mí que mi nombre. El mayor elogio será que los astrónomos, a partir de ahora, sigan utilizando mis datos durante años». En 1993 recibió la National Medal of Science y en el 2008 le concedieron el Richtmyer Memorial Award. El 18 de enero de ese año murió Robert, y Vera, con el fin de honrar a su marido, donó una importante cantidad del premio  al Center of History of Physics del American Institute of Physics del que este había sido colaborador.  Bob siempre había manifestado pasión por la historia de la física.

Bob Rubin

A lo largo de su carrera, Vera tuvo que luchar para ganarse la credibilidad como astrónoma y por ello, siempre trató de ayudar y animar a los jóvenes a seguir sus sueños de investigar el universo. Así mismo, también se acercó a los niños a través de un libro titulado Mi abuela es astrónoma, para que sintieran la felicidad que ella experimentaba contemplando el cielo nocturno.

Vera, nunca buscó prestigio ni aclamaciones. Hasta su muerte el 25 de diciembre de 2016, su objetivo siempre fue la satisfacción personal que se deriva de los descubrimientos científicos. «Hemos podido mirar el interior de un mundo nuevo, y hemos visto que es más misterioso y más complejo de lo que imaginábamos. Todavía hay secretos ocultos esperando ser descubiertos en un futuro por científicos aventureros. Y eso es lo que me gusta».

PARA SABER MÁS SOBRE LA MATERIA OSCURA

– Enrique F. Borja en Cuentos Cuánticos: Materia oscura (I y II)

– Pedro J. Hernández en Ecos del futuro: Materia oscura ; MACHOs y exoplanetas ; Neutrinos ; Galaxias y neutrinos ; ¿Detectada la materia oscura? ; La gravedad bajo sospecha 

– Astrofísica con sal y pimienta: Explicando la materia oscura a un estudiante de derecho (o a cualquiera que no sea astrofísico)(I y II)