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Míercoles 11 de octubre de
2002
Premio Nóbel
de Física
Premio
a los fundadores de la Astronomía
de neutrinos y rayos X
Por Patricia
Olivella
La Real Academia Sueca de Ciencias ha decidido galardonar
con el Premio Nobel de Física 2002 a tres investigadores pioneros
en el campo de la Astrofísica.
Una mitad del premio de 1 millón de dólares será para
Riccardo Giacconi, un ítalonorteamericano de 71 años, presidente de
la Associated Universities de Washington por sus "contribuciones
pioneras a la Astrofísca que han llevado al descubrimiento de fuentes
cósmicas de rayor X".
La otra mitad será compartida por Raymond Davis Jr, (de
87 años) del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad
de Pennsylvania (EE.UU) y Masatoshi Koshiba (de 76 años)del Centro
Internacional de Física de Partículas Elementales de la Universidad
de Tokyo (Japón) por sus "pioneras contribuciones a la Astrofísica
y, en particular, por su aportes a la detección de neutrinos cósmicos".
De este modo, el Nobel de Física ha recaído este año en
dos novedosas formas de mirar al cielo.
Dos ventanas al Universo
Desde tiempos remotos
el ser humano se preguntó por el funcionamiento del Sol y el origen
de su intenso brillo. Pocas preguntas parecen tan antiguas. Pero fue
recién en 1920 cuando el astrofísico británico Arthur Eddington formuló
la hipótesis correcta: el brillo del Sol proviene de una reacción
nuclear de fusión mediante la cual los átomos
de hidrógeno se unen para producir átomos de helio, y la pequeña diferencia
de masa se libera como una gran cantidad de energía (según la célebre
ecuación de Einstein, E=mc2) que nos llega en forma de luz y calor.
Pero la teoría predecía que, por cada átomo de helio formado de esa
manera, debían liberarse dos partículas evanescentes llamadas neutrinos.
Los misteriosos neutrinos fueron predichos en 1930 por
Wolfgang Pauli (Premio Nobel en 1945), pero llevó 25 años probar su
existencia (lo hizo Frederick Reines, Premio Nobel en 1995).
Los neutrinos ofrecen una visión única del funcionaminto
interior del Sol porque son producidos en su corazón por el mismo
mecanismo que lo hace brillar. Sin embargo, presentan un enorme inconveniente
para su estudio: casi no interactuan con la materia y son muy difíciles
de detectar.
Por cada billón de neutrinos que atraviesan el cuerpo
humano cada segundo, sólo uno reacciona con alguno de sus átomos.
Por eso, casi todo el mundo consideraba imposible detectar los neutrinos
que provenían del Sol.
A fines de los años 50 Raymond Davis Jr era el único científico
que se atrevió a tratar de probar la existencia de neutrinos provenientes
del Sol a pesar de las escasas probabilidaders de éxito.
Mientras la mayor parte de las reacciones atómicas solares
crean neutrinos con energías tan bajas que los hace casi imposibles
de detectar, una rara reacción crea neutrinos de alta energía.
El físico italiano Bruno Pontecorvo había propuesto que
los neutrinos más energéticos podrían reaccionar con los átomos de
cloro para formar un núcleo de argón y un electrón. Este nucleo de
argón es radioactivo y tiene una vida de casi 50 días.
 Así
que, en los años 60 Davis colocó un tanque 615 toneladas de un compuesto
líquido de cloro (tetracloretileno o lavandina común), ubicado en
una antigua mina de oro de Homestake en Dakota del Sur (Estados Unidos),
a 400 metros de profundidad. Había en total, 2.10 a la 30 átomos de
cloro en el tanque. Él calculó que cada mes, aproximadamente 20 neutrinos
podrían reaccionar con el cloro, o -en otras palabras- que podrían
crearse 20 átomos de argón.
Lo novedoso del aporte de Davis fue el descubrimiento
de un método para extraer esos átomos de argón y contarlos.
Este experimento reunió datos hasta el año 1994 y, en
total, se extrajeron aproximadamente 2.000 átomos de argón. Demostró
así que la fusión nuclear es la energía que alimenta a nuestra estrella.
Sin
embargo, fue menos de lo esperado. Por medio de experimentos controlados
Davis pudo demostrar que no quedó ningún átomo de argón en el tanque
de cloro por lo que podemos deducir que el proceso fue incompleto
o que se perdieron neutrinos en su camino a la Tierra.
Mientras tanto, el físico japonés Masatoshi Koshiba y
su equipo construyeron otro detector al que llamaron Kamiokande con
el que amplió y confirmó los resultados de Davis dando origen a la
astronomía de neutrinos.
El tanque de Koshiba estaba lleno de agua y colocado también
en una mina, pero en Japón. Cuando los neutrinos pasan a través de
este tanque, inteactúan con el nucleo atómico del agua. Esta reacción
produce la liberación de un electrón que crea pequeños flashes de
luz. El tanque está rodeado por detectores que pueden amplificar y
capturar estos flashes. Ajustando la sensibilidad de estos detectores
se pudo probar la presencia
de neutrinos y confirmar los resultados de Davis.
El 23 de febrero de 1987, el detector de Kamiokande pudo
también detectar neutrinos provenientes de una explosión de supernova
llamada 1987A en la Nube Mayor de Magallanes, a 170.000 años
luz de la Tierra. Si se forma una estrella de neutrones cuando tiene
lugar una explosión de supernova, la mayor parte de la cantidad de
energía liberada será emitida en forma de neutrinos. Un total de casi
10 a la 58 neutrinos fueron
emitidos por la supernova 1987A. Se calcula que por el detector de
Kamiokande pasaron 10 mil billones (10.000.000.000.000.000). De ellos,
el detector capturo 12.
 Para
aumentar la sensibiliad de los neutrinos cósmicos, Koshiba impulsó
la construcción de un detector mayor, Super Kamiokande, que entró
en funcionamiento de 1996. Este experimento observó recientemente
los efectos de los neutrinos dentro de la atmósfera terrestre que
indican un nuevo fenómeno: la oscilación de los neutrinos que permite
que un tipo de neutrino cambie y se convierta en otro tipo. Esto implica
que los neutrinos tiene masa lo que significa una observación esencial
para el Modelo Estándar que describe el mundo de las partículas subatómicas
y el papel que juegan los neutrinos en el universo. Esto también podría
explicar porqué Davis encontró menos neutrinos de los esperados.
Los instrumentos y descubrimientos de Davis y Koshiba
fundaron la astronomía de neutrinos, un campo de investigación muy
activo en la actualidad.
Un firmamento invisible
Los
rayos X fueron descubiertos por Wilhelm Röntgen en 1895 y rápidamente
fueron comenzados a utilizar por físicos, médicos y laboratoristas
en todo el mundo. En contraste, les llevó a los astrónomos casi medio
siglo comenzar a estudiar este tipo de radiación. La razón principal
es fue que los rayos X, que pueden atravesar tan fácilmente el tejido
humano y otros materiales sólidos, son casi enteramente absorbidos
por la delgada atmósfera terrestre.
En el año 1949 se pudo registrar por primera vez radiación
de rayos X fuera de la Tierra y se hizo con instrumentos colocados
sobre un cohete por Herbert Friedman. Se pudo comprobar que esa radiación
proviene de áreas de la superficie del Sol en que se encuentran manchas
solares y erupciones y de los alrededores de la corona, que tiene
temperaturas de varios millones de grados. Pero este tipo de radiación
hubiera sido muy
difícl de registrar si el Sol se encontara tan lejos como el resto
de las estrellas de la Vía Láctea.
 Gracias
a la astronomía de rayos X y a sus pioneros, en especial Giacconi,
nuestra visión del universo ha cambiado de modo decisivo. Hace cincuenta
años nuestro punto de vista estaba dominado por la imagen de estrellas
y constelaciones en equilibrio donde cualquier cambio era muy gradual
y lento. Hoy sabemos que el universo también es un escenario donde
los sucesos se producen en forma extremadamente rápida y donde enormes
cantidades de energía se liberan en procesos que duran menos de un
segundo
y que relacionados con objetos no mayores que la Tierra pero extremadamente
compactos. El estudio de estos procesos que suceden en estos objetos
compactos y en el corazón de las galaxias, se basan en los datos provistos
por la astronomúia de rayos X.
Un nuevo y fantástico muestrario de cuerpos extraños e
importantes se han descubierto y estudiado gracias a la astronomía
de rayos X.
"Las fuentes de rayos X", explicó Giacconi a
Reuters, "pueden ser débiles si consisten en estrellas normales,
o pueden estar muy lejos, como los llamados cuásares. De modo que,
actualmente, la astronomía de rayos X engloba la totalidad de la astronomía".
El italoestadounidense Riccardo Giacconi detectó por primera
vez rayos X procedentes del exterior del sistema solar y aportó las
evidencias más sólidas de la existencia de los agujeros negros.
Giacconi fue reconocido por construir el primer terlescopio
de Rayos X que proveyó "imágenes completamente nuevas del Universo",
dijo la Academia. Su trabajo contribuyó a la fundación de la Astronomía
de Rayos X, que permitiría aportar datos sobre la existencia de los
agujeros negros y penetrar en el corazón de las galaxias jóvenes donde
están naciendo estrellas.
Riccardo Giacconi, de 71 años, genovés nacionalizado estadounidense,
concibió en 1959 los principios que debían regir el diseño de un telescopio
para la detección de rayos X. Este tipo de radiación electromagnética
resulta absorbida casi por entero por la atmósfera terrestre, por
lo que su detección requiere usar cohetes o dispositivos en
órbita.
Uno de los primeros experimentos diseñados por Giacconi
pretendía, mediante el uso de un detector lanzado en un cohete, comprobar
si la Luna emitía rayos X bajo la influencia del Sol. El experimento
falló, pero durante su curso se detectaron fuentes insospechadas de
rayos X: se trataba, según se supo después, de estrellas comunes que
giraban alrededor de objetos compactos como las estrellas de neutrones
o los agujeros negros. Este fallo de Giacconi inauguró el nuevo campo
de la astronomía de rayos X, fundamental en la actualidad.
El uso de cohetes de vuelo corto impedía que las observaciones
tuvieran la precisión deseable, y Giacconi empezó en los años sesenta
a preparar el uso de satélites que llevaran incorporado un detector
de rayos X. El primero fue lanzado en 1970 desde Kenia, y fue bautizado
UHURU (que significa "libertad" en suahili). Según la academia
sueca, "cada semana que estuvo en órbita produjo más resultados
que todos los experimentos anteriores sumados".
A partir de 1978, un nuevo satélite que transportaba un
telescopio de rayos X de alta definición, llamado Observatorio Einstein,
logró un gran número de descubrimientos sobre las estrella dobles,
los agujeros negros, los restos de supernovas y el gas intergaláctico.
Otro proyecto de Giacconi, el observatorio de rayos X
Chandra, que fue lanzado en 1999 tras más de 20 años de preparación,
ha obtenido unas imágenes del universo de un detalle sin precedentes.
Según la academia, "gracias a la astronomía de rayos X y sus
pioneros, en particular Giacconi, nuestra imagen del universo ha cambiado
de manera decisiva".
Giacconi conduce también el proyecto Atacama Large Millimetre
Array (ALMA), que instalará 64 antenas en el desierto chileno, y del
que participan científicos argentinos del IAFE.
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Tres
exploradores del Universo
La labor de los tres astrofísicos premiados por
la Academia Sueca coincide en un punto: todos parten de los
elementos más mínimos del cosmos para explicar a través de éstos
el comportamiento de astros mayores, desde el sol a las galaxias
y las supernovas.
Raymond Davis jr., de 87 años y actualmente en el
departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Pennsylvania
(Filadelfia), fue el primer científico que detectó los neutrinos,
formados en los procesos de fusión del sol y otras estrellas,
cuando el hidrógeno se transforma en helio. El científico estadounidense
desarrolló un detector de neutrinos en una antigua mina de oro
de Dakota del sur y a partir de ahí, a lo largo de tres
décadas de investigaciones, llegó a registrar 2.000 neutrinos
solares y a demostrar que el origen de la energía solar es la
fusión.
Davis se jubiló en 1984, pero ha seguido investigando
en la Universidad y este año fue distinguido por la Medalla
Nacional de las Ciencias por el presidente George W. Bush.
Masatoshi Koshiba, de 76 años y nacido en Aichí
(Japón), se inició en la investigación en la Universidad de
Rochester de Nueva York y es profesor honorario en la Universidad
de Tokio, donde se mantiene en activo como investigador.
Junto con Davis, es un pionero en el estudio de
los neutrinos y, también como su colega, se encontraba entre
los candidatos con más chances de acceder al Nobel de Física.
Comparte asimismo con el investigador estadounidense el honor
de haber demostrado que los neutrinos -contrariamente a lo que
se creía- tienen una masa.
Koshiba siguió desde Japón el camino trazado por
Davis y puso en funcionamiento en su país un detector similar
al del norteamericano, con el que avanzó en las investigaciones
de los neutrinos, hasta llegar a establecer, en 1998, la existencia
de una masa.
Koshiba reconoció que esperaba el premio. Cuando
le llamaron pensó: "Aquí está", dijo a los periodistas.
Riccardo Giacconi, el astrofísico galardonado con
la mitad del premio, debe su Nobel de Física al descubrimiento
de las fuentes cósmicas de los rayos X. Italiano de origen (nació
en Génova en 1931) se doctoró por la Universidad de Milán y
posteriormente se trasladó a Estados Unidos, cuya nacionalidad
adoptó.
Ejerció en la División de Astrofísica de Harvard
y en el Instituto de Ciencia Telescópica Espacial de Baltimore,
hasta que en 1993 se convirtió en director del Observatorio
de Europeo de Garching (Alemania).
Desde 1999 es presidente de la Associated Universities
de Washington, una asociación sin fines de lucro y, como sus
compañeros, se mantiene en activo como investigador.
Además, Giacconi desarrolló el instrumento con el
que se descubrió la primera fuente de rayos X exterior a nuestro
sistema solar.
Este año los ganadores del Nobel "han abierto
dos nuevas ventanas al universo" dijo Mats Jonsson, presidente
del comité Nobel.
Cuando las autoridades de la Academia llamaron por
teléfono a Giacconi a su casa en las afueras de Washington,
dejo que estaba "mudo de asombro" y que no podía tomar
conciencia del premio.
Koshiba también fue llamado a su casa en Tokyo.
"Todo lo que puedo decir es que estoy muy feliz",
dijo Koshiba. "Este maravilloso resultado sólo fue posible
garacias al duro trabajo de mis jóvenes asistentes".
La Academia de Ciencias Sueca aún está tratando
de localizar a Davis, djo el vocero Erling Norrby. Davis sufre
del mal de Alzheimer y no pudo realizar comentarios el martes
a la mañana.
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