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Dra. Vera Rubin: Persiguiendo lo inesperado

Confíe en su instinto y siga los pasos de la ciencia.

La Dra. Vera Rubin, vestida con un traje de falda rosa, se sienta en un sofá blanco frente a las estanterías y apoya la mano en un libro abierto.
Dra. Vera Rubin, cortesía de Carnegie Institution for Science, DTM Archives (Crédito: Philip Bermingham, fotógrafo)
Pie chart showing the the much larger ratio of dark matter to normal matter in the universe

¿Sabías que los elementos de la tabla periódica componen menos de 1/6 de la materia en nuestro universo? Llamamos a los otros 5/6 materia oscura porque no emite luz tal y como hace la materia ordinaria.


Y fíjate en esto: ¡ni siquiera sabemos lo que es la materia oscura! Porque si no podemos verla, y no sabemos lo que es, ¿cómo la descubrieron los científicos en primer lugar? Bien, hay una científica en particular a quien deberíamos agradecer por ayudar en el descubrimiento de los otros 5/6s de materia en nuestro universo. Su nombre es la Dra. Vera Rubin.


"A través de su perseverancia, la Dra. Rubin revolucionó por completo la física, la astronomía y la cosmología ... Confió en sí misma, se mantuvo firme y se ganó su lugar como una de las astrónomas más influyentes de todos los tiempos."



¡Mire el video o continúe leyendo la transcripción a continuación!

 

Educación y vida temprana de Vera


Vera Cooper, de 14 años, mira a la izquierda de un telescopio de 5 pies de altura, todo en blanco y negro.
Vera, de 14 años, con un telescopio casero. Cortesía de Carnegie Institution for Science, DTM Archives

En el instituto Vera se sentía como un bicho raro en su clase de física donde había sobretodo chicos, y el profesor ignoraba a las chicas ya que no estaba acostumbrado a tener mujeres en clase. Incluso cuando Vera le dijo a su profesor que planeaba ir a la universidad, éste le aconsejó que no hiciera ciencias. Sin embargo Vera ignoró su consejo y fue a la universidad Vassar a estudiar astronomía con una beca.


Se graduó de Vassar en 1984, y para su título de master fue a Cornell donde su marido, Bob, estaba terminando su doctorado en química.


Vera continuó trabajando duro en Cornell. Desafortunadamente, la reacción a su tesis de máster no fue muy positiva… Muchos famosos astrónomos no estaban convencidos por sus datos observaciones, pero ella permaneció firme. Hoy en día los astrónomos dicen que sus resultados fueron impresionantes teniendo en cuenta el tipo de datos de los que disponían entonces.


En 1951, Vera empezó a trabajar en su doctorado en astronomía en la universidad de Georgetown recibiendo clases nocturnas dos días a la semana. ¡Estaba embarazada de su segundo hijo por aquel entonces! Sus padres cuidaban de su hijo, y su marido esperaba en el coche y cenaba mientras Vera estaba en clase.

 

Dra. Rubin, científico investigador


Acabó su doctorado tres años más tarde, en 1954 y permaneció en Georgetown durante unos años para investigar y dar clases. Para los años 60, la Dr. Vera Rubin era una astrónoma de prestigio, y se le concedía valioso tiempo de observación usando telescopios en California, Arizona y Texas. Para entonces Vera y Bob tenían cuatro hijos.


Dra. Rubin de pie a la derecha afinando un telescopio cuyo barril blanco cubre la parte superior del marco con la instrumentación centrada
Telescopio espectrográfico del Observatorio Kitt Peak

Por esta época la Dr. Rubin conoció a otro científico llamado Dr. Kent Ford quien había construido una fantástica versión de un espectrógrafo. Podían usar este instrumento para observar el efecto Doppler y por tanto medir la velocidad de las estrellas en una galaxia. Kent y Vera emplearon muchas noches observando...



Una placa fotográfica de vidrio que muestra una estrella muy brillante en el centro, una galaxia espiral en la parte inferior derecha, con los colores invertidos.
Una placa fotográfica que captura estrellas y una galaxia espiral.



Conforme las pilas de placas fotográficas se hacían más y más altas, Vera empezó a darse cuenta de algo muy raro sobre las estrellas que observaban— todas se movían mucho más rápido de lo que se esperaba. Cuando dibujó la velocidad de las estrellas frente a la distancia del centro de la galaxia, Vera encontró que las galaxias tenían curvas de rotación planas.






Animated drawn graph of distance vs velocity with yellow stars as data points showing a linear relation flattening out



Vale, espera. ¿Qué tiene de especial una curva de rotación plana? Hagamos un pequeño desvío para hablar de fuerzas





 

Un breve descanso matemático


La gravedad (FG) es una fuerza atractiva generada por objetos con masa (m).


Two purple blobs with mass m1 and m2 are separated by R and attracted to each other with a force FG.

Todo en el universo con masa (m) atrae al resto de objetos masivos con una fuerza (FG) that proporcional a uno sobre el cuadrado de la distancia entre ellos.


Plot of FG which decreases according to 1 divided by R squared.




Esto quiere decir que conforme la distancia entre fuentes gravitatorias (R) aumenta, la fuerza (FG) disminuye acuerdo al cuadrado de esa distancia (R).









A medida que aumenta la distancia R (en el eje x), la fuerza (en el eje y) disminuye. Intente deslizar el punto azul para ver cómo responde la fuerza a medida que cambia la distancia.







Piensa durante un segundo sobre dar vueltas a un yoyó en un círculo usando su cuerda:

A yellow yo-yo with mass m rotates with velocity v with a string of length R. Force Fc points toward the center of rotation.

En este caso la cuerda exhorta una fuerza (Fc) que continuamente atrae al yoyó (m) hacia el centro del círculo... La fuerza de la cuerda es lo que mantiene al yoyó viajando en círculo-- sin acuerda se rompiera, el yoyó (m) volaría por su velocidad (v).


La velocidad de un objeto en movimiento circular viene determinada precisamente por la fuerza centrípeta atrayéndolo hacia el centro (Fc):

Centripetal force Fc is equal to mass of object times velocity of object squared divided by distance to center of rotation

La fuerza centrípeta es igual a la masa del objeto, multiplicada por su velocidad al cuadrado, dividida por su distancia al centro de rotación.


En el caso de la galaxia, una estrella es el "yoyó" (m) y la gravedad la "cuerda" (FG) que mantiene la estrella en órbita.

Cartoon of a spiral galaxy with a star of mass m at the edge. Star is rotating with velocity v and is a distance R from the center. Gravitational force FG points toward center of galaxy.

La fuerza de la gravedad (FG) es igual a la masa de la estrella, por la masa de la galaxia, por la constante de gravedad, dividida por la distancia de la estrella al centro de la galaxia al cuadrado.

Gravitational force FG is equal to mass of star times mass of galaxy times gravitational constant divided by the square of the separation

Cuando igualamos a la fuerza centrípeta, podemos reordenar las variables:

Setting Fc = FG and rearranging variables to solve for the velocity v.

Y ver que la velocidad de la estrella es igual a la raíz cuadrada de la masa de la galaxia (M), por la constante de gravitación (G), dividido por la distancia de la estrella al centro de la galaxia (R).

 

Curvas de rotación planas


Bien, recuerda que Vera medía las velocidades de las estrellas respecto a la distancia del centro de la galaxia. Basado en el cálculo que acabamos de hacer, el plot de las velocidades de las estrellas debería parecer algo así:


Pero en su lugar, una y otra vez Vera encontró que las curvas eran planas, tal que así:

¡Esto quería decir que las estrellas se estaban moviendo MUCHO más rápido de lo que parecía posible! Repasemos nuestra ecuación otra vez para ver qué puede estar yendo mal.


Bien, si confiamos en nuestro entendimiento de la gravedad, entonces esta ecuación debe de ser verdad. G es una constante bien medida, so es poco probable que nada vaya mal ahí. En este punto los astrónomos eran muy buenos midiendo distancias cosmológicas, así que no hay opción de que R estuviera mal medida… La única otra opción es que algo fuera mal con M, la masa de la galaxia.


"La Dra. Rubin había hecho un descubrimiento increíble ... su análisis era una de las primeras evidencias irrefutables de que algo extraño pasaba con la gravedad en las galaxias y el universo, y reavivó el concepto de materia oscura."

Resulta que en los años 30, un astrónomo llamado Dr. Fritz Zwicky había propuesto algo llamado “materia oscura”, pero la idea no cuajó. Fritz había notado que algo raro pasaba con la materia en el universo— ¡había más gravedad que estrellas que pudieran estar generando esa gravedad! Fritz dijo que la materia que faltaba debía de estar ahí en algún sitio, y la llamó “materia oscura” ya que no emitía luz. Mientras colaboraba con el Dr. Ford, la Dr. Rubin había hecho un descubrimiento increíble… Su análisis era una de las primeras evidencias irrefutables de que algo extraño pasaba con la gravedad en las galaxias y el universo, y reavivó el concepto de materia oscura.


El artículo de la Dra. Rubin sobre las rotaciones de galaxias con la revista en la parte superior izquierda, el título y los autores en el centro, y el resumen en el centro inferior.
Extracto del revolucionario artículo de la Dra. Rubin y el Dr. Ford sobre el descubrimiento de curvas de rotación planas.
La Dra. Rubin a la izquierda con un vestido mirando hacia un telescopio con el Dr. Ford enfrente con su mano sobre la instrumentación en un casco
Drs. Rubin y Ford en el Observatorio Lowell

La controversia sin duda parecía seguir a Vera y su investigación, y para entonces Vera tenía mucha práctica perseverando a través de muchas reacciones negativas y confiando en ella y su ciencia. Pasó mucho tiempo hasta que la comunidad científica se convenció de la existencia de la materia oscura. Pero no había posibilidad de negar que las pilas y pilas de curvas planas de rotación que los doctores Rubin y Ford habían observado.

"Pero Vera sabía que amaba las estrellas. Confiaba en sus cálculos porque estudió mucho y trabajó cuidadosamente."

Casi 50 años más tarde, tenemos muchas evidencias de que debe existir, y muchos muchos físicos se han decidido a descubrir lo que la materia oscura puede ser.

 

Persiguiendo lo inesperado


Hubo muchos momentos en su vida en que la gente dudaba de Vera Rubin. Dudaban de que pudiera ser una buena científica, de que pudiera hacer un descubrimiento y tener un gran impacto como astrónoma…


Dudaban de que una mujer y madre pudiera participar en discusiones científicas y colaborar con hombres. Dudaron de que el análisis de una joven científica pudiera ser correcto e indicar una verdad más allá de la ficción.

Caricatura de Vera con un vestido verde mirando a través de un telescopio frente a un fondo estrellado
Ilustración de Vera Rubin en el telescopio de Vassar College

Pero Vera sabía que amaba las estrellas. Confiaba en sus cálculos porque estudió mucho y trabajó cuidadosamente. Se rodeó de gente que hacía grandes preguntas y enseñó sus maneras de pensar sobre las cosas. ¡No permitió que otros científicos se aprovecharan de su juventud y su género, y luchó por que sus contribuciones y las de sus estudiantes se reconocieran debidamente!


A través de su perseverancia, la Dr. Rubin revolucionó completamente la física, la astronomía, y la cosmología. Persiguió delicadamente respuestas a preguntas que encontraba fascinantes y compartía sus hallazgos audazmente, ¡especialmente cuando eran inesperados o polémicos! Confiaba en ella misma, se mantuvo firme, y se ganó su puesto como una de las astrónomas más influyentes de todos los tiempos.


La mayoría de las imágenes son cortesía de Carnegie Institution for Science, DTM Archives.

Escrito por Madelyn Leembruggen

Editado por Ella King, Rachel Glanton

Ilustraciones originales de Sar Carol

Actividades de acompañamiento de Rachel Glanton

Traducido por Salvador Rosauro-Alcaraz

 

Learn more about Dr. Vera Rubin's science with these activities!


Play (20-30 minutes): Make your own "spiral galaxy"


Remember (5-15 minutes): Crossword


Investigate (20-40 minutes): Drs. Rubin and Ford were able to measure the speed of stars by examining the Doppler effect within the stars' spectra. Explore how (relative) star speed can shift the stellar spectrum.


Expand (1 hour): Explore the effects of normal and dark matter on orbital velocity and total enclosed mass in our own Milky Way Galaxy, using this advanced Dark Matter Simulator.


Challenge (2-3 hours): Build your own spectrometer to explore how light can be split into all the colors of the rainbow and give us clues about the motion and makeup of stars.

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