Francesc Aragó y la aberración estelar

Francesc Aragó entre 1806 y 1810 realiza diversos experimentos para determinar la velocidad de la luz procedente de las estrellas y a la vez comprobar si la teoría corpuscular de la luz de Newton era cierta. Sus experimentos y resultados aunque fueron del todo aceptados y conocidos en su época, no son publicados hasta 1853, después de su muerte. Esto ha hecho que fueran completamente olvidadas y sin embargo fueron determinantes para iluminar los orígenes de la teoría de la relatividad en un joven Einstein.

Isaac Newton (1643 – 1727) estableció la teoría corpuscular de la luz donde suponía que la luz actúa según la dinámica de los cuerpos materiales. John Michel (1724 – 1793) aplica esta teoría para describir por primera vez a un agujero negro. Ver “Breve historia de los agujeros negros“. Michell indica además que según la teoría corpuscular la luz tiene que viajar más rápido en un medio transparente denso como el vidrio, que en el aire. Por tanto el ángulo de refracción esta relacionado con la velocidad y propone experimentos en este sentido.

La teoría corpuscular de Newton se oponía a la teoría undulatoria de la luz propuesta por Christiaan Huyghens (1629 – 1695). Así pues, establecer cual era en realidad la naturaleza de la luz, si corpuscular u undulatoria se encontraba en el ambiente del siglo XVIII y XIX. Intentar determinar también cual era la velocidad de la luz formaba parte de un gran problema experimental. Incluso se creía que era infinita dada la dificultad en determinar un valor concreto y determinado. La primera prueba experimental de la velocidad finita de la luz se debe a Christensen Romer (1644 – 1710). En 1676 estudiando las tablas de Cassini sobre el movimiento de Io y sus propias observaciones dedujo que la siguiente ocultación de Io por Júpiter ocurriría 6 meses más tarde, como así ocurrió, pero con un error de 22 minutos aproximadamente.

Romer dedujo que esta diferencia era debida al tiempo que tardaba la luz en recorrer la órbita terrestre y el cálculo le confirió un valor de 214000 km/s. Así pues, la velocidad de la luz era finita.

Resuelto más o menos el problema de la finitud de la velocidad de la luz existía otro problema por resolver, la aberración estelar. Los astrónomos habían observado que las estrellas efectúan un movimiento aparente de rotación anual de unos 40 segundos de arco. Cassini calificó este movimiento de “aberrante” y así quedó el nombre. En 1725 James Bradley inició una serie de observaciones precisas para determinar con mayor exactitud el ángulo de aberración. Utilizo la estrella γ Draconis, denominada también Altamin, una gigante naranja con una temperatura superficial de 3966 K, situada a 148 años luz del Sistema Solar. Debido a su posición en el cenit, observada desde la latitud del Observatorio de Greenwich, era ideal para realizar la medición del ángulo de aberración para Bradley. El resultado observado indicaba que γ Draconis parecía moverse en una órbita casi circular con un período de un año, de un diámetro angular de unos 40,5 segundos de arco. Comprobó también que para otras estrellas el movimiento aparente era semejante al deγ Draconis.

T. Thomson en “History of the Royal Society” explica como se le ocurrio  Bradley la solución depués de mucho tiempo desesperado por resolver el problema y dar con una explicación concreta.

“Al fin, cuando ya desesperaba de poder justificar los fenómenos que había observado,  se le ocurrió de repente una explicación satisfactoria, cuando ni siquiera pensaba en ello. Asistía a una agradable excursión en una embarcación a lo largo del rió Támesis. Dicha embarcación tenía un mástil que llevaba un grimpolón en el tope. Soplaba un viento moderado y estuvieron navegando aguas arriba y abajo por le río durante bastante tiempo. El Dr. Bradley observó que cada vez que la embarcación viraba, el grimpolón en el tope del palo se desviaba un poco, como si se produjera un ligero cambio en la dirección del viento. Lo observó tres o cuatro veces sin hablar; al final se lo mencionó a los marineros y expresó su sorpresa ante el hecho de que le viento se desviase tan regularmente cada vez que hacían virar la embarcación. Los marineros le dijeron que el viento no había rolado, sino que el cambio aparente se debía a la variación  en la dirección de la barca asegurándole que lo mismo sucedía siempre. Esta observación accidental le llevó a la conclusión de que el fenómeno que tanto le había confundido se debía al movimiento combinado de la luz y la Tierra”.

Aberración estelar debida a la velocidad de la luz y la Tierra

Para explicar la aberración según la relación entre la velocidad de la luz c  y la velocidad de la Tierra VT el ejemplo siguiente es aclaratorio.

Imaginemonos que estamos en un día lluvioso y abrimos el paraguas para no mojarnos. Mientras nos encontramos en reposo (velocidad cero) no nos mojamos y observamos que la lluvia cae perpendicularmente al paraguas. Pero llegamos tarde a una cita interesante y decimos empezar a correr, en este momento empezamos también a mojarnos y observamos que la lluvia ya no cae perpendicularmente sino con un cierto ángulo. Este ángulo es mayor cuanta mayor sea nuestra velocidad y deducimos que el ángulo depende de nuestra velocidad y la velocidad de caída de la lluvia, que podemos considerar constante.

Angulo de inclinación según la velocidad

En este ejemplo nuestra velocidad con el paraguas es la Tierra y la caída de la lluvia es la luz que incide sobre la Tierra procedente de las estrellas. Fácilmente puede realizarse el cálculo trigonométrico.

Relación entre la velocidad de laTierra y la luz

Evidentemente esta explicación de la aberración estelar de Bradley depende exclusivamente del comportamiento corpuscular de la luz, al igual que la teoría de Michell para describir su idea de agujero negro.

Aparece entonces Aragó en 1805 como secretario-bibliotecario del Observatorio de París y junto a Biot participa en las medidas de la posición de las estrellas para determinar la latitud de París. Se interesa por el problema de la velocidad de la luz y la aberración estelar a partir de un comentario de Laplace:

Es la velocidad de la luz diferente de una estrella a otra?

Condicionado por el resultado de Romer y la teoría de Michell sobre la velocidad finita de la luz, Aragó se propone determinar si la velocidad de la luz es distinta de una estrella a otra. Según la teoría newtoniana la velocidad depende del estado de movimiento del observador, puesto que la Tierra se alejara o se acercara a las estrellas, la velocidad medida tendrá que ser diferente.

Velocidad de la luz relativa al movimiento

De esta manera si la Tierra se aleja de la estrella la velocidad de la luz tendrá que ser menor y si se acerca a la estrella, mayor. Aragó realiza numerosas medidas mediante prismas tal como sugería Michell, pero no detecta ninguna variación en la velocidad de la luz. Tanto Aragó como Laplace quedan totalmente perplejos ante este resultando totalmente contradictorio a las leyes de newton.

La observación de Bradley sobre la aberración estelar también confirmaban que la velocidad de la luz era constante. Así pues se dispone a comprobar si la aberración es la misma para todas las estrellas o es diferente. Puesto que el ángulo de aberración solo depende de la velocidad de la Tierra y de la velocidad de la luz, un mismo valor del ángulo para todas las estrellas indicaría un único valor de la luz. Pero la medición del ángulo de aberración es sumamente complejo y Aragó sugiere medir directamente la velocidad proveniente de las estrellas, utilizando la idea de medir el ángulo de refracción utilizando prismas, según Michell.

Realiza diferentes experiencias entre 1806 y 1810 observando numerosas estrellas brillantes como Sirio, Aldébaran, Antares, Castor, Polux, Rige, etc. en distintos instantes. Los resultados más apreciables son los siguientes:

Donde se observa que el ángulo de refracción es constante y de valor 22º25′.Concluye que la teoría newtoniana es falsa y la velocidad de la luz es constante y por tanto independiente del estado de movimiento del observador.

Einstein en 1905 utiliza este resultado para enunciar la hipótesis de que la velocidad de la luz es una constante universal, sin necesidad de recurrir al experimento de Michelson-Morley. Y por supuesto, modifica la teoría newtoniana para encajarla en este resultado observado, aparece la teoría de la relatividad.