William Herschel y las estrellas dobles.

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1 Universo Digital 3 William Herschel y las estrellas dobles. FRANCISCO MANUEL RICA ROMERO (Agrupación Astronómica de Mérida -España -, Sección de Estrellas Dobles de la LIADA) frica0@terra.es 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 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).

2 Universo Digital 4 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 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.

3 Universo Digital 5 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 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

4 Universo Digital 6 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 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

5 Universo Digital 7 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 ( ), 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

6 Universo Digital 8 todas sus dobles 183 aparecen actualizadas hace menos de 20 años. Pero hemos encontrado 13 dobles que no están actualizada desde antes del año 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 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.