Pols d'estels

Quan els forats negres i altres objectes enormement massius i densos giren els uns als altres, emeten ondulacions en l’espai i el temps anomenades ones gravitatòries. Aquestes ones són una de les poques maneres que tenim d’estudiar els enigmàtics gegants còsmics que les creen.Els astrònoms han observat els “xirps” d’alta freqüència dels forats negres en col·lisió, però el soroll d’ultra baixa freqüència dels forats negres supermassius que orbiten entre si s’ha demostrat més difícil de detectar. Des de fa dècades, hem estat observant púlsars, un tipus d’estrella que batega com un far, a la recerca de la lleugera ondulació d’aquestes ones.

Avui, les col·laboracions de recerca de púlsars d’arreu del món, inclosa la nostra, Parkes Pulsar Timing Array, han anunciat l’evidència més sòlida fins ara de l’existència d’aquestes ones.

Què són les ones gravitatòries?

El 1915, el físic d’origen alemany Albert Einstein va presentar una visió innovadora de la natura de la gravetat: la teoria general de la relativitat.

La teoria descriu l’Univers com una “tela” de quatre dimensions anomenada espai-temps que pot es estirar, estrènyer, doblegar-se i torçar-se. Els objectes massius distorsionen aquest teixit per donar lloc a la gravetat.

Una conseqüència curiosa de la teoria és que el moviment d’objectes massius hauria de produir ondulacions en aquest teixit, anomenades ones gravitatòries, que s’estenen a la velocitat de la llum.

Es necessita una quantitat enorme d’energia per crear la més petita d’aquestes ondulacions. Per aquest motiu, Einstein estava convençut que les ones gravitatòries mai s’observarien directament.

Un segle més tard, els investigadors de les col·laboracions LIGO i Virgo van presenciar la col·lisió de dos forats negres, que van enviar un esclat d’ones gravitacionals a tot l’Univers.

Ara, set anys després d’aquest descobriment, els radioastrònoms d’Austràlia, la Xina, Europa, l’Índia i Amèrica del Nord han trobat proves d’ones gravitacionals d’ultra baixa freqüència.

Un lent rebombori d’ones gravitatòries

A diferència de l’esclat sobtat d’ones gravitacionals que es va informar el 2016, aquestes ones gravitatòries d’ultra baixa freqüència triguen anys o fins i tot dècades a oscil·lar.

Es creu que són produïts per parells de forats negres supermassius, que orbiten en els nuclis de galàxies llunyanes a tot l’Univers. Per trobar directament aquestes ones gravitatòries, els científics haurien de construir un detector de la mida d’una galàxia.

O podem utilitzar púlsars, que ja estan repartits per la galàxia, i els polsos dels quals arriben als nostres telescopis amb la regularitat de rellotges precisos.

El radiotelescopi Parkes de CSIRO, Murriyang, Austràlia, ha estat observant una sèrie d’aquests púlsars durant gairebé dues dècades. El nostre equip del Parkes Pulsar Timing Array és una de les diverses col·laboracions arreu del món que avui han anunciat haver trobat pistes d’ones gravitatòries en els seus darrers conjunts de dades.

Altres col·laboracions a la Xina (CPTA), Europa i l’Índia (EPTA i InPTA) i Amèrica del Nord (NANOGrav) veuen senyals similars.

El senyal que busquem és un “oceà” aleatori d’ones gravitatòries produïdes per tots els parells de forats negres supermassius de l’Univers.

Observar aquestes ones no només és un altre triomf de la teoria d’Einstein, sinó que té conseqüències importants per a la nostra comprensió de la història de les galàxies a l’Univers. Els forats negres supermassius són els motors del cor de les galàxies que s’alimenten de gas i regulen la formació estel·lar.

El senyal apareix com un soroll de baixa freqüència, comú a tots els púlsars de la matriu. A mesura que les ones gravitacionals s’estenen sobre la Terra, afecten les taxes de rotació aparents dels púlsars.

L’estirament i la compressió de la nostra galàxia per aquestes ones, en última instància, canvien les distàncies als púlsars en només desenes de metres. Això no és gaire quan els púlsars solen estar a uns 1.000 anys llum de distància (és a dir, a uns 10.000.000.000.000.000.000 metres).

Notablement, podem observar aquests canvis en l’espai-temps com a retards de nanosegons als polsos, que els radioastrònoms poden seguir amb relativa facilitat perquè els púlsars són rellotges naturals tan estables.

Què s’ha anunciat?

Com que les ones gravitacionals d’ultra baixa freqüència triguen anys a oscil·lar, s’espera que el senyal sorgeixi lentament.

Primer, els radioastrònoms van observar un estrèpit comú als púlsars, però es desconeixia el seu origen.

Ara, l’empremta dactilar única de les ones gravitatòries comença a aparèixer com a atribut d’aquest senyal, observat per cadascuna de les col·laboracions de matrius de temporització de púlsars d’arreu del món.

Aquesta empremta digital descriu una relació particular entre la similitud dels retards de pols i l’angle de separació entre parells de púlsars al cel.

La relació sorgeix perquè l’espai-temps a la Terra s’estira, canviant les distàncies als púlsars d’una manera que depèn de la seua direcció. Els púlsars junts al cel mostren un senyal més semblant que els púlsars separats en angle recte, per exemple.

L’avenç ha estat possible gràcies a la millora de la tecnologia dels nostres observatoris. El Parkes Pulsar Timing Array té el conjunt de dades d’alta qualitat més llarg, gràcies al receptor avançat i la tecnologia de processament de senyal instal·lada a Murriyang. Aquesta tecnologia ha permès al telescopi descobrir molts dels millors púlsars utilitzats per col·laboracions d’arreu del món per a la recerca d’ones gravitatòries.

Els resultats anteriors de la nostra col·laboració i d’altres van mostrar que el senyal esperat de les ones gravitatòries faltava a les observacions del púlsar.

Ara, sembla que estem veient el senyal amb relativa claredat. En segmentar el nostre conjunt de dades llarg en “tall temporals” més curtes, mostrem que el senyal sembla que creix amb el temps. Es desconeix la causa subjacent d’aquesta observació, però pot ser que les ones gravitatòries es comporten de manera inesperada.

La nova evidència d’ones gravitacionals d’ultra baixa freqüència és emocionant per als astrònoms. Per confirmar aquestes signatures, les col·laboracions globals hauran de combinar els seus conjunts de dades, la qual cosa augmenta la seua sensibilitat a les ones gravitatòries moltes vegades.

Els esforços per produir aquest conjunt de dades combinats estan en curs en el marc del projecte International Pulsar Timing Array, els membres del qual es van reunir a Port Douglas, a l’extrem nord de Queensland, la setmana passada. Els futurs observatoris, com el Square Kilometer Array en construcció a Austràlia i Sud-àfrica, convertiran aquests estudis en una rica font de coneixement sobre la història del nostre Univers.

L’astrofísica Jocelyn Bell ens deleità amb una magnífica conferència dirigida sobretot als estudiants de ciències del Campus de Burjassot. Amb molts recursos expressius i unes grans dots didàctiques, la professora Bell ens contà com el nostre cos, la vida en definitiva, és el resultat de l’evolució química de l’Univers. Les estrelles són el forn on es cuinen els elements de la vida. Durant la xarrada tractà de contestar la pregunta: d’on ve la matèria de la qual estem fets?

La veritat és que Jocelyn Bell és una gran comunicadora i és molt interessant reveure la seua dissertació per aprendre com s’ha d’explicar astronomia al gran públic. Amb humor però sense perdre el rigor.

La conferència de l’astrofísica Jocelyn Bell ‘We are made of star stuff” (Estem fets de material d’estels) es pot veure en la gravació que va fer la televisió de la Universitat de València. Malauradament el format de vídeo de MediaUni és incompatible amb WordPress i no puc encabir-ho directament en el post. Per veure-ho caldrà que aneu a

MediaUni: Conferència de l’astrofísica Jocelyn Bell ‘We are made of star stuff” (Estem fets de material d’estels).

Per si no podeu obrir aquest enllaç o va molt lent, en la xarxa he trobat una conferència TED de la doctora Bell que parla del mateix tema. És més curt i resumit però igual d’interessant. Ah! I no patiu per l’anglés que parla. És dels més clars i sense accents que he escoltat mai.

Fa uns dies l’astrofísica nord-irlandesa que descobrí els púlsars passà per la Universitat de València invitada per la Facultat de Física i pel departament d’Astronomia i Astrofísica. Durant els dos dies que ha passat entre nosaltres, Jocelyn Bell ha demostrat la seua simpatia, intel·ligència i sentit de l’humor.

El dimecres 10 de febrer, en una conferència  tècnica, Reflections on the discovery of pulsars, la investigadora Jocelyn Bell Burnell, professora visitant d’Astrofísica a la Universitat d’Oxford (Regne Unit), recordà la història que dugué al descobriment dels púlsars (fonts de ràdio polsants) quan ella estava realitzant el doctorat. Ja vaig contar la interessant història en l’apunt Jocelyn Bell, descobridora dels púlsars, ens visita i el motiu pel qual el premi Nobel de Física el va rebre el seu director de tesi Antony Hewish i ella no.

Cada dia recollia 30 metres de dades en registre de paper en el detector que havia estat construïnt durant dos anys. Per cobrir tot el cel calien quatre dies i 120 metres de paper. Però ella es va adonar que un senyal ràpid i repetitiu ocorria durant 0.5 cm de paper cada 400 metres! El senyal del 6 d’agost de 1967 va ser determinant. No era cap senyal terrestre sinó que venia de dalt ja que sempre apareixia a la mateixa zona del cel. Com que el senyal durava tan poc en el paper, calia més resolució i això volia dir que el rotllo de paper havia de córrer més ràpid. Però llavors en 20 minuts s’acabava el material d’escriptura….

Com a malnom li posaren LGM1 (Little Green Men) ja la hipòtesi d’intel·ligència extraterrestre no estava descartada. Però en repassar els centenars de metres de dades en paper, Jocelyn descobrí dos senyals més del mateix tipus, LGM2 i LGM3 i això havia de ser natural. La nomenclatura ja era més aviat un acudit.

Ràpidament se n’adonaren que el senyal LGM1 o CP 1919, com es va anomenar després, era produït per un objecte menut ja que els polsos eren molt curts i al mateix temps l’objecte era molt energètic ja que els polsos no semblaven perdre energia. A més a més estava situat a més de 200 anys llum de distància i no mostrava cap efecte Doppler, la variació de la freqüència causada pel moviment del cos. No era, per tant un planeta en òrbita al voltant d’un estel. Va arribar el moment de posar nom a aquest objecte tan estrany i, com que semblava que era un estel que emetia polsos en ràdio, li posaren púlsar (pulsating radio star), cosa que no agradà gens a la casa de rellotges Pulsar que, poc després volgué demandar als astrònoms nord-americans.

Sembla ser que els senyals polsants en ràdio que emeten aquests objectes van ser observats abans però no se n’adonaren de la seua importància científica. Jocelyn Bell recordà que l’oficial Charles Schisler, encarregat dels radiotelescopis de 50 metres d’una estació d’alerta de míssils de la USAF a Alaska, detectà un senyal intens en la nebulosa del Cranc l’estiu de 1967. Ara sabem que era el senyal del púlsar que s’hi troba dins. Però com que la seua feina no era l’exploració del cel i, a més a més, treballava a una instal·lació secreta, es considerà com una simple interferència celeste.

La història del descobriment dels púlsars és apassionant. Té tots els elements per treure’n conseqüències sobre el paper de les dones en ciència. Des de la passió pel treball ben fet i la curiositat que demostrà Jocelyn Bell en adonar-se de la importància del petit senyal perdut enmig de centenars de metres de paper, a la injustícia de no rebre el Nobel per la descoberta fins al paper secundari que tingué en els primers temps per ser dona i doctoranda.

Els Nobels tenen una llarga tradició en oblidar els predecessors de les tècniques i descobriments premiats, especialment si són dones. L’article del New York Times No Nobel Prize for Whining en fa un seguiment llarg i, és clar, parla del cas de Jocelyn Bell, l’estudiant de doctorat que descobrí els púlsars i com l’eminent astrònom Fred Hoyle montà en colera per l’omissió.

Imatges:

1.- Jocelyn Bell al Campus de Burjassot. Enric Marco
2.- Jocelyn Bell explica els senyals que descobrí. Enric Marco
3.- El senyal de CP 1919 en el registre de paper.
4.- LGM1 i LGM3 amb major resolució.

L’astrofísica nord-irlandesa Jocelyn Bell va descobrir els púlsars, una nova classe d’objectes celestes que giren molt ràpidament, mentre treballava en la seua tesi l’any 1967. Dimecres i dijous d’aquesta setmana tindrem l’honor d’escoltar-la en dues conferencies que ens oferirà en el campus de Burjassot de la Universitat de València.

Jocelyn treballava en la seua tesi l’any 1967 essent el seu director Antony Hewish. Tots dos formaven part d’un equip que havia acabat de construir un nou detector en un  radiotelescopi amb el que estudiar els quàsars, objectes en aquella època misteriosos però que ara se sap que són galàxies actives. Cada dia Jocelyn havia de repassar totes les dades recollides en uns 50 metres de  paper continu. Entre aquesta paperassa, un dia descobrí un senyal que es repetia de manera periòdica aproximadament cada segon. (El senyal durava 0.04 segons amb un període de 1.337302088331 segons). El seu director Hewish, incrèdul davant les dades mostrades per la seua estudiant de doctorat, ho atribuïa a problemes del detector o a un senyal humà (una emissora de ràdio o un satèl·lit artificial). Tanmateix el senyal persistia i provenia clarament d’un punt de l’espai  situat en la constel·lació de Vulpecula. Així que, com que no tenien idea de quina classe d’objecte podria ser, van considerar seriosament la possibilitat que fora un senyal d’una civilització extraterrestre. De fet, la font del senyal de ràdio polsant va rebre provisionalment les sigles LGM1 (Little Green Men 1).

Com varen comentar més tard:

Nosaltres realment no creiem que havíem recollit senyals d’una altra civilització, però és evident que la idea ens havia passat pel cap i que no teníem proves de que es tractava d’una emissió de ràdio totalment natural. És un problema interessant – si un pensa que podem haver detectat la vida en altres llocs de l’univers, com s’anuncien els resultats de manera responsable? 

Tanmateix poc dies després es descobriren tres senyals periòdics més i va quedar clar que aquests senyals havien de ser objectes naturals. Més endavant van resultar ser emissions ràdio d’estels formades exclusivament de neutrons (estels de neutrons), residus de l’explosió d’una supernova, girant en una rotació ultraràpida.

L’article que anuncià al món el descobriment, Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source, està signat per cinc persones i Jocelyn Bell és la segona signant.

Pocs anys després, Antony Hewish, juntament amb Martin Ryle guanyaren el premi Nobel de Física l’any 1974 per aquest descobriment, mentre que Jocelyn Bell no meresqué cap reconeixement, ni tan sols se l’anomenà en el l’anunci del premi. Es considerà que un estudiant de doctorat no n’era mereixedor. Molts astrònoms consideren que aquest menyspreu a la veritable descobridora dels púlsar ha estat una de les més gran injustícies dels Nobels.

Jocelyn Bell no va guanyar el Nobel però ha tingut nombrosos reconeixements des d’aleshores. Al 2015 rebé la Medalla d’Or del CSIC a proposta de la comissió “Mujeres y Ciencia” d’aquesta institució. Dimecres ens contarà la història del descobriment dels púlsars en una sessió més acadèmica mentre que dijous la podrem escoltar a la Sala Darwin del Campus de Burjassot de la Universitat de València. La seua xarrada ens recordarà que som Pols d’estels, o millor encara que estem fets de matèria estel·lar.

Imatges:

1.- Jocelyn Bell en l’època del descobriment amb les dades en paper continu.
2.- Nebulosa del Cranc on se superposa una imatge del púlsar interior. Hubble i Chandra. NASA.
3.- Invitació a la xarrada de Jocelyn Bell de dijous.

Dilluns passat dia 4 d’agost, cap a les 16:46 tornàrem a participar en el programa Jelo en verano d’Onda Cero, programa conduït per Arturo Téllez. Com ja vaig dir la setmana passada, la nostra contribució és setmanal, cada dilluns, i en l’espai de vesprada parlem de diversos temes d’actualitat dins del camp de l’astronomia i astronàutica.

Saturn, per exemple, es farà cada vegada més difícil veure’l. Poc després de la posta del Sol, podrem encara observar-lo els primers dies del mes, però ja ben dèbil. Més endavant, res de res.

Com a planeta rei de la nit, el substituirà Júpiter que ja s’aixeca per l’est les primeres hores de la nit, ben brillant en la constel·lació d’Àries, dalt del cap de la Balena. Per trobar-lo sense problemes, teniu un bona oportunitat el dia 16 de setembre ja que la Lluna s’hi situarà ben a prop. A finals de mes eixirà poc abans de les 10 de la nit i a l’eixida del sol el trobareu cap al Sud.

Mart es veu a la matinada i ara mateix es troba en la constel·lació dels Bessons. Però no s’estarà quiet i es mourà ràpidament en la volta celeste aquest mes, fins arribar el dia 1 d’octubre a Cancer on passarà per damunt del cúmul obert de Praesepe o M44. Bon moment per mirar-lo pel telescopi i fer-li una  foto. Mentrestant el dia 23 de setembre la Lluna se situarà al seu costat.

Les condicions de visibilitat de Mercuri seran millors aquest principi del mes de setembre, en que se separarà bastant del Sol i el podrem veure uns 45 minuts abans de la seua eixida. Un fenomen ben interessant serà el seu encontre pròxim amb Spica, l’estel més brillant del Lleó, en el que el planeta es posarà a només 0.75 graus a l’esquerra de l’estel. Més avançat el mes Mercuri es tornarà a endinsar en les lluentors solars i, de fet, passarà per darrere del Sol el 28 de setembre.

Venus no el podren veure massa aquest mes. A finals de setembre el podrem veure cap a l’oest, però ben a prop de l’horitzó. Així que si no teniu un horitzó lliure de núvols i muntanyes no hi haurà res a fer. Caldrà esperar a la pròxima tardor i hivern per admirar Venus en tota la seua bellesa.

La Lluna presentà el passat diumenge dia 4 de setembre, fase de quart creixent. El 12 serà plena, mentre que el 20 se’ns mostrarà com a quart minvant i el 27 serà finalment lluna nova.

Si voleu obtenir un senzill mapa del cel observable del mes de setembre de 2011, podeu punxar aquest enllaç. Pertany al Planetari de Quebec i el podeu llegir en francés i en anglés.

I la notícia del mes podria ser la descoberta del primer planeta diamant. Resulta que l’estel dens i mort, el pulsar PSR J1719-1438 presenta una variació periòdica dels seus polsos de ràdio. Aquest fet només es pot interpretar com a prova de l’existència d’un planeta orbitant al seu voltant. Però aquest planeta només tindria 60000 km de diàmetre, la meitat del que té el planeta Júpiter. A més giraria al voltant del pulsar en dues hores i deu minuts i, es trobaria a només 600000 km de distància de l’estrella central.

Tots aquests fets impliquen que el planeta ha de tindre una composició molt especial ja que si fora com la Terra o Júpiter, les forces de marea que exergeix el pulsar sobre aquest cos ja l’haurien destruït. Així que sembla que la seua estructura ha de ser cristal·lina i de carboni, és a dir, de diamant. Això si que és una joia. Però tranquils. El sistema pulsar-diamant es troba només a uns 4000 anys llum en la constel·lació de la Serp (Serpens). Podeu llegir la notícia completa en la nota de premsa de la Max-Planck Gesellshaft.

Foto: Una parella estranya: El dibuix mostra el pulsar PSR J1719-1438 amb el pols de 5.7 milisegons de període en el centre i l’òrbita del planet comparat amb la grandària del Sol, l’esfera de color groc. Dibuix artístic de Matthew Bailes.