Acta Herediana vol. 62, N° 1, enero 2020 - junio 2020
1 Físico, profesor principal. Sección de Física, Informática y
Matemáticas, Facultad de Ciencias y Filosofía, Universidad
Peruana Cayetano Heredia.
ConoCiendo el universo, un
poCo más. premio nobel de
FísiCa 2019
Knowing the Universe, a little more. 2019 Nobel Prize in Physics
Juvenal Castromonte Salinas
1
De izquierda a derecha, los astrofísicos James Peebles
(EE.UU.), Michel Mayor (Suiza) y Didier Queloz (Suiza).
RESUMEN
El Premio Nobel de Física 2019 fue ganado por tres investigadores
astrofísicos. Este artículo resume la contribución de J. Peebles
sobre sus predicciones teóricas en cosmología, y de M. Mayor y D.
Queloz por el descubrimiento de los exoplanetas.
Palabras claves: Premio Nobel, física, cosmología, astrofísica,
exoplaneta.
ABSTRACT
The 2019 Nobel Prize in Physics was awarded to three astrophysics
researchers. This review summarizes the contribution of J. Peebles
about his theoretical predictions on cosmology and M. Mayor and
D. Queloz about the discovery of exoplanets.
Keywords: Nobel Prize, physics, cosmology, astrophysics,
exoplanet.
La cúspide de la carrera artística para un actor
es ganar el Oscar, para un deportista de elite es
ganar el oro olímpico y, en el mundo cientíco,
el mayor galardón es el Premio Nobel. Este año,
en el área de la física, los ganadores del premio
fueron J. Peebles, M. Mayor y D. Queloz.
El premio se dividió en dos partes, y de alguna
manera representa una quimera, en el sentido
de que tiene la cabeza de un animal y cuerpo
de otro. Una parte corresponde a la cosmología
y la otra a la búsqueda de exoplanetas, dos
áreas diferentes del conocimiento. Aunque, de
manera condicional, se encuentran dentro de
un tema común: el estudio del Universo. La
primera parte del premio se le concedió a J.
Peebles por sus descubrimientos (predicciones)
teóricos en cosmología; la segunda parte se
dividió entre M. Mayor y D. Queloz por el
primer descubrimiento de un exoplaneta.
Sin embargo, se debe tener presente que los
galardonados tuvieron que esperar bastante
tiempo por el premio. Los trabajos claves de
Peebles fueron realizados en la segunda mitad
de los años 1960, mientras que Mayor y Queloz
descubrieron “su” exoplaneta en 1995.
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- Estudio de la núcleo-síntesis primordial en
el Universo caliente (1966). La formación de
elementos no pesados debido a las secuelas del
Big bang.
- Problemas fundamentales sobre la expansión
del Universo en etapas tempranas y en la
época actual.
Efectivamente, en los años 1960, estos temas
eran estudiados por muchos grupos. Todos
ellos obtuvieron resultados importantes pero
dar una descripción completa y sintetizar las
diferentes investigaciones en cosmología y
explicarlo de la manera mas simple posible
solo pudo ser hecho por Peebles y su grupo,
interpretando la radiación y descubriendo
nuevos procesos físicos.
Los fundamentos teóricos establecidos por
Peebles, actualmente, forman parte de los
conceptos básicos del entendimiento de la
historia de nuestro universo, desde la gran
explosión (Big bang) hasta nuestros días.
Alrededor de 400 mil años después de la
gran explosión, el Universo, aun turbio, se
transformó en transparente para la luz. Esta
radiación residual es la que actualmente nos
permite conocer algunos secretos del Universo,
como por ejemplo cuándo se formaron las
primeras estrellas y galaxias.
Estas predicciones fueron vericadas por
los satélites COBE, WMAP y Planck. Los
cálculos realizados por los cosmólogos,
complementados y corregidos con las
mediciones de los satélites, ahora nos permiten
decir que el Universo está formado por el 5%
de materia que percibimos normalmente, 26%
de materia oscura y 69% de energía oscura.
Comprendiendo al universo
Los trabajos de Peebles sobre cosmología
teórica tuvieron una fuerte repercusión para el
desarrollo de la astrofísica a su estado actual.
Entre sus trabajos más importantes que se
incluyen en el Nobel de este año se tiene:
- Estudio sobre la radiación residual (1965),
en Princeton, bajo la dirección de Dicke
construyeron un telescopio para medir la
radiación residual, basados en el antíguo
modelo del Universo caliente de Gamov,
entonces ya casi olvidado.
Durante la construcción del telescopio,
en otro laboratorio de los EE.UU., bajo la
dirección de Burke, sus colaboradores Penzias
y Wilson hacían pruebas con un telescopio y
se toparon con un ruido residual, de 3 grados
de temperatura que no podían excluir. Burke,
conocía las investigaciones del grupo de
Princeton, y decidió comunicar a Dicke su
hallazgo, quien al colgar el teléfono dijo “Boys,
we were scooped”, sintiendo que habían sido
anticipados con los resultados obtenidos.
Así, en 1965, el Astrophysical Journal publicó
dos artículos, el de Wilson y Penzias sobre el
descubrimiento del ruido y el de Peebles y
Dicke acerca de los aspectos teóricos de este
mismo fenómeno.
En 1978 Penzias y Wilson fueron galardonados
con el Premio Nobel por el descubrimiento de la
radiación residual. Peebles y Dicke se quedaron
a un paso del Nobel. Debe hacerse notar que
Peebles no solo predijo la existencia de la
radiación residual sino también describió sus
propiedades. Además, mostró la importancia
de la radiación residual en la formación de las
galaxias, adicionando al modelo del Universo
la energía oscura de densidad negativa.
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en lo más lejano del universo
La segunda mitad del Premio Nobel de Física
del 2019 se concedió a Queloz y a su discípulo
M. Mayor por el descubrimiento, realizado, en
octubre de 1995, de un exoplaneta y 51 estrellas
de la constelación Pegaso. Las investigaciones
de estos cientícos, de inmediato, generaron
una oleada de descubrimientos similares. A la
fecha, ya se conocen más de 4 000 exoplanetas
en la Vía Láctea y su número sigue creciendo.
Algunos de ellos se encuentran en la zona de
habitabilidad, es decir, hipotéticamente en
ellos podría existir vida. Figura 1
Lo que se encontró fueron los desplazamientos
periódicos de las líneas espectrales de la estrella
P51, que es similar al sol. Los desplazamientos
de las líneas se producen por el efecto Doppler
- la supercie de la estrella o se acerca, o se aleja
de “nosotros”. La interpretación natural que se
dio es que la estrella gira alrededor del centro
de gravedad común con cierto planeta. Este
método se denomino método de la velocidad
radial. Figura 2.
De la magnitud del desplazamiento Doppler y
su periodo se concluye que el planeta tiene una
masa similar a la de Júpiter: que gira alrededor
de su estrella en 4 días y está 20 veces mas cerca
a su estrella que la Tierra al Sol. De acuerdo
a la teoría vigente, bajo esas condiciones es
imposible la existencia de un planeta, menos
aun una gigante, ya que al estar tan cerca a su
estrella las fuerzas centrípetas que allí se tienen
son demasiado intensas que no permitirían
el crecimiento del planeta. Por esta razón,
en un inicio, la comunidad cientíca asumía
que no se trataba de un planeta, sino que era
la “respiración” (uctuación) periódica de
una estrella. Efectivamente, la “respiración”
de las estrellas puede producir una variación
sinusoidal de la velocidad de sus rayos de luz;
y, también se debe tener en cuenta que cambia
su luminosidad, pero de manera diferente a
la de los planetas -con otra amplitud de fase.
Sin embargo, para el Pegaso 51, la variación
de su luminosidad sucedia exactamente igual
a la de cualquier planeta. Finalmente, luego
de algunos meses, la comunidad cientíca
reconoció el descubrimeinto de los exoplanetas.
Figura 3.
La luminosidad de los planetas es el reejo
de la luz, por lo que, incluso a distancias
cercanas en términos astronómicos, no es
Figura 1. El sistema solar en la Vía Láctea.
CENTRO DE LA VÍA
LÁCTEA
SISTEMA SOLAR
AÑOS LUZ
ÁREA INVESTIGADA
PARA EXOPLANETAS
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Figura 2. Efecto Doppler del exoplaneta P51.
Figura 3. Método de la velocidad radial para la detección de exoplanetas.
El movimiento de la estrella es
afectado por la gravedad del
planeta. Visto desde la Tierra,
la estrella oscila hacia atrás y
adelante n la línea de su visión. La
velocidad de este movimiento, su
velocidad radial, puede ser deter-
minado usando el efecto Doppler,
porque la luz de un objeto que se
mueve cambia de color.
EstrElla
ExoplanEta CEntro dE masa
La luz que se acerca a
nosotros es más azul.
La luz que se aleja de
nosotros es más roja.
TIEMPO
DIAS
VEloCidad dE la EstrElla
haCia la tiErra (m/s)
dEsplazamiEnto
al azul
dEsplazamiEnto
al rojo
Velocidad de la estrella hacia la tierra (m/s)
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simple poder verlos. Es el caso de Neptuno,
que fue descubierto de manera indirecta, por
su inuencia en la órbita de Urano. Esto hace
que la dicultad de encontrar un planeta fuera
del sistema solar sea mucha mayor. El método
usado por Queloz y Mayor fue el método
indirecto de la velocidad radial.
El método consiste en entender el hecho de
que el planeta y su estrella giran alrededor del
centro de masa común a ambas. Así, resulta que
el planeta se acerca o se aleja de la Tierra, por
lo que de acuerdo con el efecto Dopler, la luz
del planeta se va tornando azul (acercándose
al violeta) cuando el planeta se acerca y se hace
roja cuando se aleja.
Sin embargo, como ya se mencionó
anteriormente, observar este efecto es bastante
complicado. La masa de la estrella es mucho
mayor que la masa del planeta, lo que exige
contar con instrumentos de precisión para
las mediciones. Por ejemplo, Jupiter obliga
moverse al Sol a una velocidad de 12m/s,
mientras que la Tierra apenas a 10cm/s. Mayor
y sus colegas construyeron el espectrógrafo
ELOIDE para el Observatorio Haute-Provence
de Ginebra, cuya precisión era 20 veces mayor
que el espectrógrafo anterior que se usaba. Esto
permitio jar las oscilaciones de estrellas con
velocidades de 10m/s, por lo que ahora resulta
entendible el por qué primero se descubieran
planetas que tenian parámetros similares a
los de Jupiter antes que a los de la Tierra. Lo
más interesante es que el planeta descubierto
estaba 20 veces más cerca a su estrella que la
Tierra al Sol. Hasta entonces se consideraba
que los demás sistemas planetarios estaban
formados de manera similar al solar: los
planetas pequeños en las órbitas interiores,
luego iban los planetas gaseosos gigantes y
nalmente los gélidos. Ahora, gracias a estos
descubrimientos, sabemos que no todos los
sistemas planetarios son similares.
Mayor y Queloz fueron afortunados al ser
los primeros en descubrir un exoplaneta,
pues la busqueda la realizaban varios grupos
de cientícos. Algunas semanas después,
del descubrimiento del P51, se tenian
comunicaciones sobre descubrimientos de
otros dos planetas del tipo de “Júpiter caliente”.
Actualmente, el número de exoplanetas
se acerca al millar. El descubrimiento de
Mayor y Queloz hizo que la busqueda de
exoplanetas se considere una de las áreas
de moda en la astrofísica. Inicialmente se
descubrieron planetas grandes, del tipo
Júpiter, posteriormente se aprendio a encontrar
planetas de menor tamaño, mas similares a la
Tierra.
Ahora, la busqueda es de planetas “habitados”,
incluso si solo son habitados por virus o
bacterias. Indudablemente, quienes abrieron
el camino en esta busqueda tienen merecido el
Premio Nobel.
reFerenCias bibliográFiCas
1. Press release: The Nobel Prize in Physics. 2019
2. Butler RP, Marcy GW, Williams E, et al. Attaining Doppler
Precision of 3 M s−1. Publications of the Astronomical Society of the
Pacic. 1996;108:500.
3. Mayor M, Queloz D. A Jupiter-mass companion to a solar-type
star. Nature. 1995;378:355-359.
CorrespondenCia:
juvenal.castromonte@upch.pe
FECha dE rECEpCión: 22-01-2020.
FECha dE aCEptaCión: 08-02-2020.
