William Herschel y las estrellas dobles

William Herschel y las estrellas dobles

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William Herschel y las estrellas dobles.
FRANCISCO MANUEL RICA ROMERO
(Agrupación Astronómica de Mérida -España -,
Sección de Estrellas Dobles de la LIADA)
[email protected]
Friedrich Wilhem Herchel (Figura 1), más conocido como William Herschel, nació en Hannover
(Alemania) el 15 de Noviembre de 1738, ciudad que en esta época pertenecía al Imperio Británico,
siendo parte de él hasta 1837. La familia de William era una familia de músicos por lo que desde bien
pequeño William se vio involucrado en este mundo y así con sólo 15 años tocaba en oboe en una banda.
Después de una desagradable experiencia en la guerra de los Siete Años que enfrentó a varios países
europeos con sólo 19 años se fue a Londres en 1757 para buscarse un porvenir como músico. Conforme
le iban ofreciendo diversos puestos de trabajo, siempre relacionado con la música, se iba trasladando a
diversas ciudades británicas. Así dos años después de llegar a Londres se mudó a Yorshire donde
estuvo durante tres años en los cuales viajó mucho a lomo de un caballo para dar clases de música y sus
servicios musicales. A pesar de su éxito como músico William no estaba feliz y en una carta a su
hermano Jacop comentaba: “Estoy cansado de no tener hogar ni lugar fijo donde estar ... no sé lo que será de
mí...”. En 1762 se mudó a Leeds durante cuatro felices años. Y durante tres meses estuvo en Halifax
como organista hasta que se mudó a Bath en 1766 cuando tenía 28 años donde permaneció 16 años y
donde empezaría a interesarse por la Astronomía.
Bath era centro de la moda inglesa en aquella época. Allí
continuó dedicándose por entero a la música. Su popularidad
como músico y profesor aumentó considerablemente. Tocaba,
dirigía y componía obras importantes; sus alumnos particulares
aumentó a tal número que llegó a tener 35 clases particulares a
la semana. Durante los años que estuvo en Bath se mudó de casa
numerosas veces por motivos de su actividad musical o por falta
de espacio para sus clases.
A pesar de su extraordinaria actividad de esta época, siempre se
dio tiempo para leer libros de lenguas extranjera, matemáticas,
óptica y astronomía. William Herschel no fue a la universidad ni
para estudiar astronomía ni ninguna otra materia si bien era un
hombre realmente culto e inteligente y no fue hasta que en 1773
leyó el libro “Astronomy explained upon Sir Isaac Newton
principles” de John Ferguson que no tuvo ningún contacto con temas astronómicos. Nos sorprende el
pensar que hasta los 35 años no empezó a tener relación con esta ciencia. Este libro lo maravilló y le hizo
no aceptar nada como verdadero sin ver ni examinar todo lo que otros han visto antes que él. Su interés
por ver con sus propios ojos lo que otros habían descubierto lo hizo arrendar ese mismo año un
pequeño telescopio refractor. Luego pensó comprarse un telescopio más grande pero encontró que el
precio era prohibitivo para sus escasos ingresos. Eso lo llevó a construir un telescopio con sus propias
manos el mismo año. La ayuda de sus hermanos Jacob y especialmente de Caroline quien vivía con él,
fueron fundamentales. Su primer telescopio “casero” tenía una longitud focal de 5,5 pies (poco menos
de 2 metros).
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La construcción de un telescopio reflector tipo newtoniano, requiere pulir espejos con una forma casi
perfecta para producir imágenes buenas. Después de un gran número de fracasos por fin logró William,
en 1774, construir un espejo de 127 mm de diámetro que producía imágenes aceptables. La primera
observación anotada por Herschel, un dibujo de la Nebulosa de Orión, la realizó el 4 de Marzo de 1774,
cuando tenía 35 años. Este fue el comienzo de su carrera astronómica, pero que por varios años
compartió con la música que le proporcionaba el sustento. Gracias a los conocimientos adquiridos en las
lecturas de los libros de óptica en 1774, William fabricaba espejos con una calidad no superada en su
época. Realizó en cuatro sesiones distintas, una revisión completa del cielo, cada vez con un
instrumento mayor, empezando en 1775. Todo lo que le llamaba la atención era anotado y si era
necesario, estudiado en detalle.
En el curso de la segunda de estas revisiones, hecha con el telescopio de 7 pies (213 cm) de distancia
focal, hizo un descubrimiento que cambió el curso de su vida. Observando el 13 de Marzo de 1781
desde Bath, descubrió la presencia de un objeto de apariencia no-estelar: el planeta Urano. Con este
descubrimiento Herschel se hizo famoso de forma inmediata y entre otros muchos reconocimientos fue
citado a presentarse con su telescopio en el Castillo de Windsor, ante el Rey Jorge III. Con su telescopio
mostró al monarca las maravillas del cielo. El astrónomo real, Neil Maskelyne comparó el telescopio de
Herschel con los de Greenwich, llegando a la sorprendente conclusión que el telescopio de ese
aficionado superaba en calidad a los del Observatorio Real. Por sugerencia de Maskelyne, Herschel fue
nombrado constructor de telescopio de la corte. Gracias a este nombramiento Herschel abandona la
música para dedicar todas sus energías a la Astronomía.
Podemos decir que al ser remunerado por sus servicios astronómicos y a pesar de no tener formación
universitaria William dejó de ser un aficionado para ser un profesional. Primero se mudó a Datchet en
1782, un pueblo cercano a la corte. Fue en Datchet donde colocó por primera vez el telescopio de 20
pies de focal (6 metros) y 18,7 pulgadas de diámetro (47,5 cm), terminado en 1783 (Figura 2).
Este telescopio era un reflector de tipo
herscheliano como se lo ha dado en llamar. Era
un modelo sugerido por Lemaire en 1732 y que
consiste en inclinar el espejo primario lo
suficiente para llevar el foco del centro al borde
de la entrada del tubo. Este montaje tiene la
ventaja de ahorrar una reflexión en un espejo
secundario lo que desperdicia un porcentaje de
la luz recolectada por el espejo primario. Un
año antes intentó la construcción de un
telescopio de 30 pies (10 metros) de focal y 3
pies (1 metro) de apertura, pero no tuvo éxito.
William Herschel fabricó un telescopio de 25
pies (8 metros) de focal y 2 pies (0.5 metros) de
abertura al Rey de España.
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Fue en Datchet donde William comenzó a realizar
observaciones de cúmulos y nebulosas así como sus
barridos del cielo. En total descubrió 2500 nebulosas a lo
largo de su vida. En 1783 descubrió el movimiento solar y
determinó su valor y la dirección que tomaba. Sin embargo,
después de tres inviernos con humedad e inundaciones
William enfermó seriamente y tuvo que mudarse de nuevo
en 1785, esta vez a Old Windsor a sólo unos kilómetros del
castillo (Figura 3).
Fue en este mismo año, en 1785, cuando William publicó
un importantísimo trabajo relacionado con la estructura
galáctica. Herschel hizo de la distribución espacial de las
estrellas el objetivo principal de su investigación, iniciando
una rama de la Astronomía que hoy se la conoce como
Estructura Galáctica. Para este estudio William usó su
telescopio de 20 pies de distancia focal (Figura 5).
Pero por problemas con la casera tuvo que mudarse sólo
nueve meses después de Old Windsor a Slough en 1786. El
salario de William era apenas suficiente para la
manutención de los hermanos pero no le permitía
emprender la construcción de nuevos telescopios. Por eso,
durante varios años, obtuvo ingresos extras mediante la
venta de telescopios. Durante su estancia en Slough
William conoció a la hija de los dueños de la casa, Mary Pitt, con quien se casó en 1788 a la edad nada
despreciable de ¡50 años!. La fortuna de su esposa le permitió dejar la construcción y venta de
telescopios para consagrarse por entero a la Astronomía. Fue en su casa de Slough donde construyó su
telescopio gigante de 40 pies (12 metros) de distancia focal (Figura 4 ).
En 1787 descubrió dos
satélites de Urano: Titania y
Oberón. En 1792 con 54 años
William tuvo un hijo al que
llamó John, el cual también
sería
famoso
por
sus
importantes
trabajos
en
astronomía.
En 1789 William completó el
mayor telescopio, de 48
pulgadas de abertura (1,2
metros) después de 2 ó 3 años
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de esfuerzo. Este telescopio fue financiado con el dinero que le diera el Rey. En su inauguración William
descubrió el sexto satélite de Saturno Encelado y días después a Mimas. Este telescopio fue el mayor del
mundo durante 50 años. Sin embargo su gran tamaño hacía difícil su utilización ya que el observador
tenía que trepar por una escalera hasta una altura de 15 metros. Por eso su favorito fue el telescopio de
18,7 pulgadas de abertura. En su estudio Herschel encontró que el sistema estelar tiene la forma de un
disco o una piedra esmeril (como una aspirina). Se confirmó así de forma cuantitativa la intuición de
Inmanuel Kant 170 años después.
Además de lo expuesto en estas líneas William midió la altura de las montañas lunares, reconoció los
casquetes polares de Marte y sugirió que podrían estar compuestos por hielo. William murió el 15 de
Agosto de 1822.
William Herschel y las Estrellas Dobles.
El problema de las paralajes estelar había preocupado a los astrónomos por mucho tiempo. Muchos
intentos terminaron en el fracaso más rotundo; otros como el de Bradley y Herschel terminaron
produciendo un gran resultado, pero muy distinto a lo que se buscaba. William Herschel intentó
abordar el problema utilizando un método sugerido por Galileo hacía más de un siglo. Existen pares de
estrellas que se encuentran angularmente muy juntas en el cielo. En la hipótesis que esos son “pares
ópticos”, es decir causados por la mera coincidencia, pero en que una estrella está mucho más lejana
que la otra, el movimiento paraláctico de las estrellas más cercanas sería fácilmente detectable como un
cambio en la distancia relativa entre ambas estrellas. Para medir las paralajes sabían que tenían que
realizar observaciones por lo menos en dos ocasiones separadas por medio año, ya que la diferencia de
300 millones de km de ambas posiciones producirá un efecto de paralaje.
Con esa idea en mente, Herschel inició una búsqueda en el cielo de estos pares de estrellas, de los que se
conocían sólo algunos ejemplos. Se limitó a pares cuya distancia angular no supere los dos minutos de
arco. Ese ángulo es tal que esos pares, si son lo suficientemente brillantes para ser visibles a simple
vista, se verán como una sola estrella, salvo para personas de extraordinaria agudeza visual.
La precisión de las mediciones de William y su hijo John estaban limitadas por la calidad de los
telescopios. Aunque usó telescopios de 19” y 48” de diámetro éstos tenían monturas azimutales sin
ningún dispositivo de seguimiento.
Entre 1782 y 1821, Herschel elaboró 3 catálogos conteniendo 848 estrellas dobles. En 1782, (entre Bath y
Datchet) publicó su primer catálogo de estos pares estelares que contenía 296 pares, 227 de los cuales
habían sido descubiertos por él. Este catálogo fue compilado desde 1779 cuando estaba en Bath. Ya en
este año él manejaba la posibilidad de que las estrellas dobles que él vio podrían estar orbitando
siguiendo las leyes de Kepler (esta idea pudo haber sido tomada de John Michell). Cuando estaba en
Datchet al servicio del Rey, en 1784, presentó un nuevo catálogo a la Royal Society con 434 pares de
estrellas. Su último trabajo presentado a la Royal Astronomical Society en 1821, cuando se encontraba
viviendo en Slough contiene una lista con 145 pares nuevos. En esta lista Herschel presenta, además de
la posición de los pares, su separación angular, el ángulo de orientación de la línea que une ambas
componentes y una estimación de la magnitud de cada estrella.
Herschel inició una búsqueda de estrellas dobles pensando que eran pares casuales de estrella que no
tenían ninguna relación física entre sí (pares ópticos). Sin embargo, ya en 1767, John Michell había
sugerido que los pares entonces conocidos hacían muy improbable que fuesen el resultado de una
distribución de estrellas al azar en el cielo. Herschel descubrió una gran cantidad de estrellas dobles lo
que hizo insostenible la tesis de pares ópticos, para sustentar que debían ser pares físicos, estrellas
binarias. Sin embargo en su primer trabajo sobre el tema Herschel se muestra cauteloso: “es todavía muy
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pronto para hacer una teoría de estrellas pequeñas girando en torno a otras más grandes”, lo que indica que esa
idea ya deambulaba en su mente. En 1784 Michell vuelve al tema afirmando que las probabilidades a
favor para una asociación física para los pares de estrellas eran abrumadoras. Después de 20 años de la
publicación de su primer catálogo, Herschel era ya de la opinión de Michell pero mejor aún podía
apoyar la tesis con evidencias concretas. Estando en Slough publicó trabajos en 1803 y 1804 en las
Philosophical Transactions donde Herschel presentó observaciones de Castor que al ser combinadas con
observaciones anteriores hechas por Bradley en 1759 no dejaban duda que las estrellas giraban en torno
a su centro de masa. Era evidente que las estrellas orbitaban una alrededor de la otra debido a la
atracción gravitatoria mutua. Fue en 1802 cuando acuñó el término de estrella binaria en su trabajo
titulado “On the Construction of the Universe”. Pese a que las observaciones de Herschel no eran
suficientes para probar que esa fuerza gravitatoria obedecía la ley de Newton, fueron las primeras
evidencias concretas de la validez de la gravitación universal más allá del sistema solar.
La asociación física de las estrellas dobles las descartó para el propósito que Herschel pensaba
utilizarlas, es decir, para medir paralajes. En la época de Herschel se pensaba que todas las estrellas eran
iguales y tenían el mismo brillo por lo que las estrellas más débiles estaban más lejos que las más
brillantes. Para Herschel más que una buena noticia fue un contratiempo para su objetivo ya que su
descubrimiento indicaba que las estrellas no eran todas iguales y que poseían diferentes brillos. Por lo
que dos estrellas con muy diferentes brillos podrían estar a la misma distancia.
Al realizar esta biografía el autor tenía un interés especial por conocer qué dispositivos de medición de
la astrometría relativa tenía William así como el método fotométrico usado para realizar la fotometría
de las componentes. Tras una intensa búsqueda apenas se encontró información que permitiera
profundizar en su forma de realizar astrometría y fotometría. Una de las fuentes más prometedoras
fueron las de la Sociedad Astronómica William Herschel de Japón y Reino Unido pero no recibimos
ninguna respuesta a nuestros correos. Sabemos que utilizó un micrómetro de lámpara y otros
micrómetros gracias a un artículo (al cual no tuvimos acceso) del japonés Masao Nakazaki “About
micrometers W. Herschel used for observing double stars”.
Aunque el primer micrómetro telescópico apareció más de 100 años antes de que William comenzara a
observar estrellas dobles, estos se usaban sólo para medir el tamaño angular de objetos astronómicos
tales como planetas, cráteres lunares, etc. Sus mediciones eran aproximadas ya que el grosor del hilo era
excesivo, especialmente cuando los telescopios empezaron a ser más potentes. En esta época era un reto
el reducir el grosor de los hilos de los micrómetros. W. Herschel fue el primero en medir la orientación
en el cielo de dos objetos astronómicos, es decir, el ángulo de posición. El instrumento que él empleó es
descrito en Philosophical Transaction (1781). Este instrumento lo usó en sus primeras mediciones de
estrellas dobles (1779-1783), pero incluso en sus manos, las mediciones eran aproximadas, debido a las
dificultades que le creaba su montura, que recordemos era azimutal y no poseía ningún tipo de
seguimiento estando siempre apuntada al meridiano. En el caso de las estrellas dobles cerradas él
estimaba la distancia angular en términos de discos de las componentes. Para las mediciones de
estrellas más separadas él inventó su micrómetro de lámpara, en el cual las componentes de una estrella
doble observada con el ojo derecho se hacían coincidir con dos puntos luminosos colocados a 10 pies
(unos 3 metros) del ojo izquierdo. Sólo era necesario echar mano de sencillas fórmulas trigonométricas
para obtener la distancia angular de las componentes.
William Herschel en el Washington Double Star Catalogue.
William Herschel tiene 271 dobles descubiertas y catalogadas en el WDS de las cuales 107 (39 %) son
físicas según el criterio de Aitken. La mitad de ellas tienen diferencias de magnitudes entre sus
componentes mayores o iguales a 3.0 magnitudes lo cual es normal teniendo en cuenta que William
quería obtener la paralaje de la componente más brillante y para ello usaba pares desiguales. Entre
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todas sus dobles 183 aparecen actualizadas hace menos de 20 años. Pero hemos encontrado 13 dobles
que no están actualizada desde antes del año 1900.
Las dobles de William Herschel son sombradas con una “H” seguida de un espacio en
blanco y un número que indica el catálogo de William y finalizando en un número
secuencial. Por ejemplo:
H 19 fue originalmente H II 19 y ahora es conocida como H 2 19,
H 7 fue originalmente H V 7 y ahora es conocida como H 5 7, y
N 111 fue originalmente H N 111 y ahora es conocida como H N 111.
Estrellas Variables.
En la época de William Herschel ya se conocían unas pocas estrellas cuyos brillos variaban con el
tiempo. Su primer trabajo fue publicado en 1780 (estando en Bath y un año antes del descubrimiento de
Urano) trataba sobre ómicron Ceti. La mayor aportación de Herschel fue un método para detectar
variaciones de brillo, desarrollando un sistema de secuencias de estrellas ordenadas según su brillo.
Estando en Slough Herschel elaboró cuatro catálogos de brillos relativos para 3000 estrellas entre 1796 y
1799. Herschel descubrió algunas estrellas variables e intentó explicar las variaciones diciendo que las
estrellas debían rotar y su superficie debía tener zonas de distintos brillos.
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