Pols d'estels

El bloc d'Enric Marco

Arxiu de la categoria: Forat negre

L’escuma

0


L’escuma
Helena Guilera Recoder
SEGONA EDICIÓ

Escafandre, 18
Data de sortida: Setembre del 2022
ISBN: 978-84-19332-01-1
Enquadernació: Rústica
Format: 140×210 mm
Núm. de pàgines: 248 pàgines
Preu: 18,50 euros


Un matí del desembre passat estava a la llibreria Fan Set de València parlant amb Eva i Núria, quan en girar-me per veure les lleixes de les novetats, els ulls se m’aturen a la portada d’un llibre en la qual, entre d’altres, apareixia la frase: “La Lucía és una astrofísica especialitzada en forats negres“. Vaja, això no m’ho puc perdre. És el que tenen les bones llibreries, hi entres per qualsevol assumpte, i sempre te enamores d’alguna obra.

Així que, vaig haver de comprar L’escuma d’Helena Guilera Recoder, intrigat per conèixer d’aquesta astrofísica especialitzada en forats negres i com va ser la seua vida. Hi ha tan poques dones a la ciència del cosmos que el fet que una autora d’una obra de ficció s’atrevisca a parlar d’una d’elles i, a més, treballadora d’un dels temes més difícils de la física, és mereixedor d’un aplaudiment públic.

Un dels temors que tenim sovint els científics en llegir escrits de ficció en el que la ciència i la tecnologia son part fonamental de l’argument és que l’autor incórrega en simplificacions o fins i tot en falsedats. Res d’això trobarem a l’obra primerenca d’Helena Guilera. Els tractaments i explicacions que fa sobre els fenòmens relacionats amb els forats negres són ben acurats, sempre considerant que és una obra per al públic general i no un article científic. He gaudit molt amb les explicacions de Lucía als alumnes. Son una de les parts millors del llibre. Segur que utilitze alguna de les seues analogies i idees per a les meues xarrades. Autors clàssics de la física i de la relativitat general com Hawking, Boltzmann, Einstein,  Plank, Wheeler i Feynmann es passegen assíduament per les pàgines del llibre.

Podríem dir el mateix de la presència omnipresent de la música, sobretot clàssica, al llarg de tota l’obra, donat que alguns dels personatges principals són músics. Una música que és el fons sonor, la font inesgotable de l’atmosfera, tensió i ritme del llibre. Si, com recomane, escolteu la música citada en cada capítol, us capficareu millor en la trama. Per facilitar la cerca de les obres, intèrprets i versions s’hi presenta la llista completa al final del llibre i, fins i tot, un codi QR per escoltar-les a Spotify.

La vida privada de la Lucía, com les de tothom, no és un camí de roses. La malaltia mental farà acte de presència en la seua vida i li condicionarà l’existència. Però d’això, no en vull parlar més, que és la trama principal del llibre.

Un llibre molt recomanable, però dur, com la vida, que demostra que com diu la portada: com som de pròxims a les forces de l’Univers, tot sovint sense saber-ho. I ens explica com aquestes ens poden arribar a definir, tot i que les considerem llunyanes i inabastables.

Perills còsmics

0

David Barrado Navascués
Editorial: Oberon
Data edició: 28/10/2021
Pàgines: 237
ISBN: 978-84-415-4351-5


Després de mil·lennis explorant i colonitzant la superfície terrestre podem dir que l’Homo sapiens ha aconseguit dominar la Terra. Això sí, amb uns costos mediambientals i humans enormes. La pressió sobre la vida silvestre ha tingut conseqüències, entre elles les múltiples epidèmies que hem patit, una encara no superada. No satisfets amb això, sempre hi ha individus de la nostra espècie que agredeixen violentament i de manera sistemàtica a uns altres en diverses parts del món, a l’Àfrica, Àsia, Amèrica i Europa. Som uns veritables supervivents.

Preocupats pels conflictes terrestres causats per la intransigència i la cobdícia humanes que posen en escac la supervivència de la humanitat, com les guerres actuals o futures o el cada vegada més present canvi climàtic, no podem oblidar unes altres amenaces que poden venir de molt lluny, de l’espai exterior. D’aquestes, de moment, la humanitat no pot fer-hi res o molt poc per a protegir-se.

De fet, els nostres ancestres eren ben conscients de la caducitat de la nostra civilització. Moltes mitologies, a més dels mites de la creació del món inclouen també relats de la seua destrucció. Creació i Apocalipsi, Ginnungagap i Ragnarök, el principi i la fi de la humanitat són inherents al procés normal de la vida humana.

Enfront d’aquestes idees místiques, la revolució científica del segle XVII i XVIII ens va oferir un cosmos com a entitat organitzada, amb lleis universals que permeten predir el futur. Amb Newton i Laplace arribarem a pensar que el Sistema Solar funcionava com un rellotge còsmic, que si no quedava dominat sí que estava controlat.

No obstant això la supèrbia humana per pretendre el domini del cosmos ha quedat bandejada després dels avanços de l’astrofísica. Ara coneixem millor els perills còsmics que ens aguaiten. El primer que se’ns ve a la ment és la possible caiguda d’un asteroide sobre la Terra, provocant una hecatombe. Això ja ho ha patit el nostre planeta diverses vegades al llarg de la seua història geològica.

Però són molts més els perills als quals s’enfronta la nostra civilització. Entre ells, ara que ens acostem al màxim del cicle solar, podríem destacar les colossals emissions de massa coronal del Sol (CME, de les seues sigles en anglès), que podrien acabar amb la nostra tecnologia si vénen dirigides cap a la Terra. La meteorologia espacial, amb l’ajuda de tota una flota de sondes mirant al Sol, tracta de conèixer millor aquests esdeveniments catastròfics per a protegir-nos d’ells.

El llibre Peligros cósmicos. El incierto futuro de la humanidad de David Barrado Navascués ens detalla aquests i tots els altres riscos als quals la humanitat haurà de fer front en un temps pròxim o molt llunyà. David és exhaustiu en relatar tots els perills que ens esperen, des dels quals resulten de l’evolució de la Terra i el Sol, als moviments i mort de les estrelles pròximes, els cossos errants i fins i tot l’evolució i final del cosmos.

La informació que ens ofereix David està escrupolosament al dia. Així coneixerem els intents de les agències espacials per a protegir-nos del més que probable harmagedon còsmic, les cerques sistemàtiques de cossos errants o els estudis sobre els efectes en la xarxa elèctrica de l’impacte d’una CME. A més el llibre està ple de referències literàries, que lluny de distraure al lector, el canalitza en el tema a tractar i ens recorden que les preocupacions sobre el nostre final sempre han estat en la ment dels escriptors.

Però al contrari del que podria semblar, el llibre no és catastrofista ni ens predisposa a témer al cosmos, sinó que, aprofitant l’explicació de les amenaces certes, ens detalla les meravelles de l’univers del qual, no l’oblidem, en formem part.

Acabe amb la reflexió final que fa David en el llibre: “ Gaudim del nostre propi Edèn, cuidant-ho de manera adequada. Investiguem els fenòmens de l’univers, indagant sobre la seua estructura i evolució. Però tinguem en compte que el nostre món és en extrem fràgil i que el cosmos, en la seua indiferència, és insistent i sorprenentment hostil.

Enric Marco
Departament d’Astronomia i Astrofísica
Universitat de València
Versió en castellà. Butlletí de la SEA, estiu 2022.

Corral de Rafel: plantes, forats negres i la Lluna

0

Invitats per l’ajuntament, fa uns dies tornàrem al Corral de Rafel, una casa de camp situada al terme de l’Alcúdia (la Ribera Alta), que fa de centre mediambiental del municipi. Transcric amb alguns afegits la crònica que en va fer a Facebook Vicent Boix, el tècnic mediambiental i l’organitzador de l’activitat.

—————

Més de 120 persones s’hi aplegaren per gaudir d’una vesprada-nit de passejada botànica, sopar de germanor, xarrada per parlar del perquè ens atrauen tant els forats negres d’una nit i observació a la llum de la Lluna.

El passeig botànic va servir per comentar les profundes arrels culturals de les plantes representades pels seus noms científics, així com per relatar les aventures amoroses dels sàtirs o la saviesa del coneixement de les herbes medicinals, la cultura i art del centaure Quiró. També per fer-nos saber fets curiosos com el que contà Vicent Boix de com els fenicis introduïren l’espart a la península ibèrica. Tot d’històries ben conegudes a l’antiguitat i que han inspirat multitud d’obres artístiques.

També va ser molt comentada l’exposició Biodiversitat desenvolupada a totes les escoles de l’Alcúdia sobre la biodiversitat del terme i que es podia veure en una zona coberta del Corral.

Mentre els membre de l’Agrupació Astronòmica de la Safor acabaven de muntar tres telescopis a l’exterior, poguérem gaudir d’un sopar ben bo sobretot pel fet de menjar a la fresca a la llum de la Lluna

En acabar de sopar va ser l’hora de la xarrada. Enric Marco tenia pensat parlar-nos del tema astronòmic de l’any, els forats negres, una vegada li hem pogut veure la cara al que tenim enmig de la Via Làctia. Amb un títol suggeridor: Forats negres: per qué ens atrauen tant? Enric ens feu una dissecció acurada d’aquests objectes tan exòtics i fora de l’experiència humana.

En finalitzar, la regidora de Medi Ambient, Isabel Madramany va entregar dos detalls a Enric per la xarrada i per la seua estima a l’Alcúdia.

La darrera part de la nit astronòmica es va dedicar a observar el cel amb la bateria de telescopis que havíem dut des de la Safor. Els assistents a la vetlada observarem la brillant Lluna en quart creixent, els cràters i les muntanyes. Per veure Saturn val caldre esperar fins les 12 de la nit. Per als que es quedaren s’ho va valdre ja que Saturn es presentà amb l’anell magnífic i el seu satèl·lit Tità sobre el sostre de l’Alcúdia.

———————–

Imatge de Saturn feta amb mòbil. A ull nu es veia molt millor…

Vull expressar el meu agraïment, a l’ajuntament de l’Alcúdia, a Vicent Boix i a l’Agrupació Astronòmica de la Safor,

Desvelat com és el forat negre de la Via Làctia

0
Publicat el 13 de maig de 2022

Finalment ja sabem quin aspecte té el forat negre supermassiu que es troba just al centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. Ja feia 15 dies que s’anunciava una conferència de premsa a la seu de  l’ESO (European Southern Observatory) a Munic i tothom estava expectant.

I passades les 3 de la vesprada d’ahir es va revelar la imatge del centre galàctic. La zona fosca central és l’ombra del forat negre que queda amagat allí dins. Al seu voltant, els remolins de gas calent, escalfats per la fricció emeten radiació de ràdio que podem detectar. Els fotons que aconseguiren escapar de l’abraçada de la bèstia còsmica ens dibuixen així un anell brillant al voltant de l’ombra del forat negre.

La imatge ha estat produïda per un equip d’investigació global anomenat ‘Col·laboració del Telescopi d’Horitzó de Successos’ (Event Horizon Telescope Collaboration, EHT), utilitzant observacions amb una xarxa mundial de radiotelescopis, entre els quals es troben el radiotelescopi IRAM al Pico Veleta, Granada, el radiotelescopi del Pol Sud i la xarxa de més de 60 antenes d’ALMA a Xile.

La imatge del forat negre superposada sobre una imatge de la zona observada en raig X. X-ray – NASA/CXC/SAO, IR – NASA/HST/STScI Event Horizon Telescope Collaboration

Sara Issaoun de la Universitat de Harvard contava a la conferència de premsa: “Aquesta imatge ens confirma, per primera vegada, amb proves directes que Sgr A * és un forat negre.  La mida angular de la zona fosca és d’uns 52 microsegons d’arc, equivalent a la imatge d’un bunyol a la Lluna vist des de la Terra a ull nu. Com que la mida de l’ombra d’un forat negre està relacionada amb la seua massa, podem utilitzar-la per confirmar que la seua massa és d’uns 4 milions de vegades la del Sol. Això està exactament d’acord amb les prediccions d’Einstein de la Relativitat General!  Sgr A* sembla molt semblant a la primera imatge d’un forat negre que s’havia obtingut abans, la de M87*, tot i que els dos són molt diferents i es troben en entorns molt diferents. Això ens diu que, independentment de la mida de l’entorn, l’espai al voltant d’un forat negre estarà dominat per la gravetat.”

Només els rajos de llum (línia roja) que passen a més de 2.6 radis del centre del forat negre (radi de Schwarzschild) poden escapar i arribar a l’observador. Tota la zona interior rep el nom d’ombra del forat negre. The first picture of a black hole. Spacewired. Luis Rodriguez.

Durant anys ja s’havia estudiat el moviment d’estels orbitant al voltant d’un objecte invisible, compacte i molt massiu al centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. L’estudi d’aquestes òrbites durant 25 anys amb l’us de la tercera llei de Kepler va permetre calcular-li una massa de més de 4 milions de masses solars i, per tant, pensar molt contundentment que aquest objecte –conegut com a Sagitari A* (o simplement Sgr A*)– és un forat negre supermassiu. Per aquests treballs, Reinhard Genzel i Andrea Ghez van rebre el premi Nobel de Física l’any 2020. Ara les observacions i la imatge publicada ahir proporcionen la primera evidència visual directa d’aquest forat negre.

Aquest és el segon forat negre del qual es té una imatge directa. El primer que es va fotografiar, i la imatge del qual va ser publicada en l’abril de 2019 també per EHT, és el que habita el centre de la galàxia M87, a poc més de 50 milions d’anys-llum. Un forat negre enorme de 6500 milions de masses solars i tan gran que el nostre sistema solar cabria perfectament dins del seu horitzó d’esdeveniments (277.5 ua). En aquesta ocasió, la imatge que publica l’EHT és la del cor de la nostra pròpia galàxia, un forat negre molt més petit, amb una massa de només 4 milions de sols situat a només uns 27.000 anys-llum de la Terra.

Comparació entre les grandàries de M87* i Sgr A*. EHT Collaboration.

Aquest assoliment d’ara ha estat considerablement més difícil que el de M87*, malgrat que Sgr A* està molt més prop de nosaltres. “Encara que el nostre centre galàctic està molt més a prop que M87*, també té una massa molt menor, la qual cosa fa el seu horitzó d’esdeveniments molt més xicotet que el de M87* (tan sols uns pocs minuts-llum)”, afig Iván Martí-Vidal, investigador GenT de la Generalitat Valenciana a la Universitat de València i autor dels algorismes de calibració que van permetre la participació del telescopi mil·limètric ALMA (el més sensible del món) en aquestes observacions. “En ser un forat negre tan xicotet, la seua lluentor i la seua forma poden canviar de manera molt ràpida, i això representa seriosos problemes a l’hora de generar la seua imatge amb els nostres radiotelescopis”.

Un trosset d’aquesta imatge porta segell valencià”, afirma Iván Martí Vidal. A més, l’equip valencià ha contribuït a l’anàlisi de la reconstrucció de la imatge amb un dels diversos algorismes desenvolupats en l’EHT. “La grandària aparent de l’anell d’aquest forat negre és similar a la d’una pilota de tennis en la Lluna”, afirma Alejandro Mus, estudiant GenT a la Universitat de València i un dels investigadors que va fer possible la correcció dels efectes del plasma interestel·lar en la imatge del forat negre. Per a obtindre la imatge d’un objecte tan minúscul en el cel, l’equip de l’EHT va crear una xarxa de huit radiotelescopis, combinats per a formar un únic telescopi virtual de la grandària de la Terra. L’EHT va observar Sgr A* durant diverses nits d’abril de 2017, recopilant dades durant moltes hores seguides, de manera similar a com una càmera fotogràfica tradicional faria una imatge amb un temps d’exposició molt llarg.

Un del problemes que van haver d’afrontar els investigadors va ser com tractar la gran variabilitat de Sgr A* i el seu ràpid gir.  Un objecte que es mou en minuts mentre necessites hores per captar els senyals seria com fer un TAC a una persona que balla la samba!. Així que de moment han usant només dades dels moments més tranquils de Sgr A* i han deixat les dades més mogudes per a estudis posteriors. Iván Martí-Vidal comenta que el dia més mogut va ser l’11 d’abril del 2017 quan l’objecte acabava d’experimentar un brot d’emissió de raigs X. Aquestes dades són difícils d’analitzar però alguna cosa ja s’ha publicat.

L’equip d’investigació de l’EHT va haver de desenvolupar noves i sofisticades eines que tingueren en compte el moviment del gas al voltant de Sgr A*. “Bàsicament, vam haver de reinventar les tècniques d’interferometria astronòmica, en les quals es basen els telescopis com l’EHT”, afirma Alejandro Mus, el projecte de tesi del qual GenT versa precisament sobre el desenvolupament de nous algorismes que permetran, en un futur pròxim, obtindre imatges de major qualitat a partir d’aquesta mena d’observacions.

Un fet que ha sorprés és que l’anell brillant al voltant de Sgr A* està pràcticament de cara a nosaltres, gira en sentit antihorari com també ho fa el forat negre i que tots dos mostren una inclinació d’uns 30º respecte al pla de la Via Làctia. Això ho podem afirmar entre altres coses perquè veiem l’anell brillant complet, sense talls ni zones més primes que resultarien si el veiérem de perfil. Que l’eix de gir del forat negre, des d’on pot haver eixit en el passat o podria eixir en el futur un doll de plasma altament magnetitzat, estiga quasi en direcció cap a la Terra  és interessantíssim però altament inquietant com a mínim.

Respecte a la reconstrucció de la imatge a partir de les observacions interferomètriques de l’EHT, el telescopi IRAM-30m de Sierra Nevada (a Espanya) va jugar un important paper. “El radiotelescopi IRAM-30m va ser l’únic de tota Europa que va poder participar en aquestes observacions. Aquest telescopi ha aportat valuosa informació per a la reconstrucció de la imatge de SgrA*”, afirma Rebecca Azulay, que va participar en les observacions des del telescopi IRAM-30m.

Aquest treball ha sigut possible gràcies al talent i l’esforç d’un equip d’investigació de més de 300 persones, en més de 80 institucions de tot el món. L’equip de l’EHT està especialment satisfet per tindre per fi imatges de dos forats negres de grandàries molt diferents, la qual cosa ofereix l’oportunitat d’entendre com es comparen i contrasten. També han començat a utilitzar les noves dades per a provar teories i models sobre el comportament del gas al voltant dels forats negres supermassius. Aquest procés encara no es comprén del tot, però es creu que exerceix un paper clau en la formació i evolució de les galàxies.

A poc a poc, anirem obtenint més i millors imatges (i fins a pel·lícules) dels forats negres supermassius més pròxims a la Terra”, conclou Martí-Vidal, “la qual cosa farà possible estudiar, de manera directa, com es comporta la naturalesa en aquestes extremes regions, tan pròximes a la frontera de l’espai i el temps”.

Altres valencians que formen part de la Col·laboració EHT, a més d’Iván Martí-Vidal i Alejandro Mus, són Juan Carlos Algaba (Universitat de Malaia), Rebecca Azulay i Eduardo Ros (tots dos a la Universitat de València i a l’Institut Max-Planck de Radioastronomia, Alemanya, quan es van realitzar les observacions).

Més informació:

Iván Martí-Vidal: “Cuando veo las imágenes que hemos obtenido de estos agujeros negros siento vértigo” The Conversation. 12 maig 2022.

Entrevista als meus companys Iván Martí-Vidal i Alejandro Mus per a les Notícies de la nit, d’Àpunt de divendres 13 de maig de 2022.
Científics de la Universitat de València participen en la presa de la impressionant imatge de Sagitari A. Notícies de la nit, d’Àpunt de divendres 13 de maig de 2022

Viatge al centre d’un forat negre

0

Viatge al centre d’un forat negre

Iván Martí Vidal
Institució Alfons el Magnànim-Centre Valencià d’Estudis i d’Investigació
ISBN: 978-84-7822-886-7
Any: 2021

Acostumats a viure en aquesta part de l’Univers on tot és tranquil i lent, on n’hi ha prou amb la Llei de Gravitació de Newton, és fascinant saber que existeixen altres parts del Cosmos on tot és violència i l’espaitemps es retorça de manera inimaginable. Aquests llocs, situats en les proximitats dels forats negres, posen a prova les nostres teories físiques. Ací Newton no és suficient i hem de recórrer a la Teoria de la Relativitat d’Einstein per a explicar els estranys comportaments de la matèria i l’energia.

Aquestes estrelles mortes, abans mers objectes teòrics, van entrar triomfalment en la realitat amb el descobriment del forat negre supermassiu de la nostra galàxia i en obtindre senyals de les seues col·lisions en els detectors LIGO i VIRGO. Gestes que es van premiar amb dos premis Nobel de Física.

Però aconseguir veure l’aspecte d’un forat negre és una altra cosa. Ens interessa poder distingir tots els detalls del monstre estel·lar, veure les seues diferents capes fins a arribar a l’horitzó d’esdeveniments, el seu disc d’acreció i, sobretot, poder explicar com es formen els seus energètics dolls relativistes. Un nivell de detall tan enorme només pot aconseguir-se amb la tècnica VLBI, és a dir, amb l’ús d’una xarxa mundial de radiotelescopis d’una sensibilitat extrema i a longituds d’ona mil·limètriques. Un somni difícil d’aconseguir.

Finalment la col·laboració internacional Event Horizon Telescope (EHT) va aconseguir obtindre la imatge icònica dels voltants del forat negre supermassiu de la galàxia M87. Una imatge que va meravellar al món el 10 d’abril de 2019.

Iván Martí Vidal, un dels més destacats membres de l’EHT, en Viatge al centre d’un forat negre, ens compta de primera mà els reptes científics i tecnològics que s’han hagut de superar i els esforços humans que s’han requerit per a aconseguir aquesta imatge. Un èxit que sense la contribució essencial d’Iván no haguera sigut possible.

El llibre comença recorrent els punts més rellevants de la Relativitat d’Einstein. S’explica la paradoxa dels bessons, els invariants relativistes i les propietats curioses de l’espaitemps. Més endavant s’introdueix el Principi d’Equivalència, pel qual un camp gravitatori és equivalent a una acceleració; es parla de la no existència de la simultaneïtat en l’univers. Tot això assaonat amb explicacions i exemples originals d’Iván que, com confessa, li han portat moltes hores de reflexió.

Els següents capítols es dediquen a descriure l’anatomia dels forats negres, com les seues propietats depenen de la seua massa i rotació, com es comporta la matèria en els seus voltants i com s’altera el temps en l’horitzó d’esdeveniments. És fascinant comprovar de quina manera gira la matèria al seu voltant formant un disc d’acreció, ionitzant-se i calfant-se, mentre va caient en espiral en les gargamelles del monstre còsmic, alhora que els raigs de llum són atrapats per sempre en el conjunt d’òrbites que formen la fotonoesfera. Però, d’alguna manera, una part d’aqueixa matèria és regurgitada a l’espai en forma de dolls relativistes.

En els últims capítols del llibre, Iván ens compta, de manera apassionada, com la xarxa mundial de radiotelescopis usada, amb ALMA com a peça fonamental, va aconseguir captar alguns dels pocs fotons que van aconseguir escapar de la fotonoesfera del forat central de M87 fa més de 50 milions d’anys. Així mateix, ens descriu el tipus d’algorismes que van ser necessaris per a poder traure la informació de les precioses dades rebudes i reconstruir el seu aspecte real.

Lluny de ser aquest el final de l’aventura, a EHT se li augura un futur brillant. A més de revelar-nos pròximament l’estructura del camp magnètic al voltant del forat negre central de M87, usant polarimetría de la qual Iván és un expert, s’estan analitzant actualment les dades que ens donaran imatges del forat central de la Via Làctia. A més, EHT buscarà també nous objectius i per tant continuarà donant-nos alegries en els pròxims anys.

Isabel Cordero a la Setmana de la Ciència de Gandia 2020

0

Isabel Cordero, professora titular de la Facultat de Matemàtiques, àrea de Matemàtica Aplicada, de la Universitat de València, ha estat la cinquena conferenciant de la Setmana de la Ciència de Gandia 2020, organitzada per CEIC Alfons el Vell, la Universitat de València i la Universitat Politècnica de València, Campus de Gandia.

Amb la seua xarrada es tanca la IV Setmana de la Ciència de Gandia. Una setmana de difusió de la ciència cap a la societat que en aquest temps de pandèmia s’ha fet alhora presencial i virtual.

Isabel Cordero és llicenciada en Matemàtiques i Doctora en Astrofísica per la Universitat de València. Ha estat investigadora postdoctoral en l’Institut Max-Planck d’Astrofísica en Garching (Munich, Alemanya) i en l’Observatori de Paris-Meudon. També ha realitzat estades d’investigació en les universitats de Lieja i Namur en Bèlgica.

Compagina la tasca docent amb una activitat investigadora en el camp de la matemàtica aplicada i de l’astrofísica, amb especial interés en la relativitat numèrica i les ones gravitatòries.

És membre de la col·laboració internacional Virgo a València, on coordina les activitats de divulgació i comunicació. És membre de l’Editorial Board de la revista Journal of Physics Communications i de la Junta Directiva de la Sociedad Española de Relatividad y Gravitación. També té una participació activa en projectes amb estudiants universitaris de diferents graus, i dedica gran part del seu temps i de la seua il·lusió a moltes activitats de divulgació científica entre elles ser un membre actiu de l’Associació Sapiencia, a Port de Sagunt (el Camp de Morvedre).

En la seua conferència “Observatorios de ondas gravitatorias: tecnología punta para una ciencia fascinante“, després d’una senzilla introducció a la Relativitat General d’Einstein, ens ha explicat el que són les ones gravitatòries, pertorbacions de l’espai temps causades per gegantins xocs d’estels de neutrons o de forats negres, i que es propaguen per tot l’univers. El seu estudi és proporcionaria, per tant, moltíssima informació sobre aquests monstres celestes. La intensitat d’aquestes ones, però, és tan petita que en arribar a la Terra és pràcticament impossible mesurar-les.

Tanmateix al segle XXI l’interés per obtenir resultats ha impulsat la recerca en tecnologia de làsers, buit, estabilitat estructural, etc i des fa uns anys disposem d’uns revolucionaris observatoris que ens permeten captar aquestes subtils ones gravitatòries quan arriben a la terra. Des de la primera detecció d’una ona gravitatòria que travessà la Terra el 14 de setembre de 2015, resultat del xoc de dos forats negres de 29 i 26 masses solars respectivament, desenes d’esdeveniments s’han detectats als observatoris LIGO i Virgo, resultat que ha estat premiat pel Premi Nobel de Física del 2017 per els seus promotors.

La ciència que s’està fet és realment fascinant. De tot i això i més ens parlà Isabel Cordero i tot ho podeu veure en diferit al Canal YouTube del CEIC Alfons el Vell.

https://youtu.be/DyIm2RWWfJM

Comença la Setmana de la Ciència de Gandia: presencial i virtual

0

De dilluns 16 a divendres 20 de novembre celebrem la IV Setmana de la Ciència de Gandia organitzada pel CEIC Alfons el Vell, la Universitat de València i la Universitat Politècnica de València.

Enguany és un any difícil per a tots però hem volgut continuar el nostre compromís amb la ciència.

Les conferències seran retransmeses a través del Canal de Youtube del CEIC:  SETMANA DE LA CIÈNCIA 2020 , tot i que hi haurà la possibilitat d’accedir a la Casa de la Marquesa amb reserva prèvia i amb un aforament molt limitat. Els interessats, podran reservar a través del correu del CEIC Alfons el Vell:

ceicalfonselvell@gandia.org

Les conferencies seran totes a la Cas de Cultura Marqués González de Quirós (Casa de la Marquesa) de Gandia a les 19:30 h.

Nom Procedència Títol Dia
Clara Grima Universitat de Sevilla Las matemáticas vigilan tu salud: modelo sobre epidemias y vacunas 16 novembre
Lourdes Canós Universitat Politècnica de València Empresas turísticas y COVID: retos y oportunidades 17 novembre
Lucia Hipólito Universitat de València Anima’t dona que no es per a tant!: efecte del dolor sobre el consum de drogues 18 novembre
Fernando Ballesteros Universitat de València Habitabilitat de l’univers 19 novembre
Isabel Cordero Universitat de València Observatorios de ondas gravitatorias: tecnología punta para una ciencia fascinante 20 novembre

 

Setmana de la Ciència de Gandia 2020

0

La setmana pròxima, de dilluns 16 a divendres 20, celebrarem la IV Setmana de la Ciència de Gandia organitzada pel CEIC Alfons el Vell, la Universitat de València i la Universitat Politècnica de València.

Enguany és un any difícil per a tots però hem volgut continuar el nostre compromís amb la ciència.

Les conferències seran retransmeses a través del Canal de Youtube del CEIC:  SETMANA DE LA CIÈNCIA2020 , tot i que hi haurà la possibilitat d’accedir a la Casa de la Marquesa amb reserva prèvia i amb un aforament molt limitat. Els interessats, podran reservar a través del correu del CEIC Alfons el Vell:

ceicalfonselvell@gandia.org

El premi Nobel premia els científics dels forats negres

0

Traducció de

Black holes and the Milky Way’s darkest secret

Els forats negres i el secret més fosc de la Via Làctia

Tres guardonats comparteixen el Premi Nobel de Física d’aquest any pels seus descobriments sobre un dels fenòmens més exòtics de l’univers, el forat negre. Roger Penrose va demostrar que els forats negres són una conseqüència directa de la teoria general de la relativitat. Reinhard Genzel i Andrea Ghez van descobrir que un objecte invisible i extremadament pesat governa les òrbites de les estrelles al centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. Un forat negre supermassiu és l’única explicació coneguda actualment.

Roger Penrose va inventar mètodes matemàtics enginyosos per explorar la teoria general de la relativitat d’Albert Einstein. Va demostrar que la teoria condueix a la formació de forats negres, aquells monstres en el temps i l’espai que capturen tot el que els entra. Res, ni tan sols la llum, pot escapar.

Reinhard Genzel i Andrea Ghez lideren cadascun d’ells un grup d’astrònoms que s’han centrat en estudiar una regió al centre de la Via Làctia des de principis dels anys noranta. Amb una precisió creixent, han cartografiat les òrbites de les estrelles més brillants i més properes al centre. Ambdós grups van trobar quelcom que alhora era invisible i pesat, cosa que va obligar aquest remenat d’estrelles a remolinar-se. Aquesta massa invisible té prop de quatre milions de masses solars reunides en una regió no més gran que el nostre sistema solar. Què és el que fa que les estrelles del cor de la Via Làctia giren a velocitats tan sorprenents? Segons la teoria actual de la gravetat, només hi ha un candidat: un forat negre supermassiu.

Un avanç més enllà d’Einstein

Ni tan sols Albert Einstein, el pare de la relativitat general, va pensar que els forats negres podrien existir. Tanmateix, deu anys després de la mort d’Einstein, el teòric britànic Roger Penrose va demostrar que es poden formar forats negres i va descriure les seves propietats. Al fons, els forats negres amaguen una singularitat, una frontera en què es trenquen totes les lleis conegudes de la natura.

Per demostrar que la formació de forats negres és un procés estable, Penrose necessitava ampliar els mètodes utilitzats per estudiar la teoria de la relativitat: abordar els problemes de la teoria amb nous conceptes matemàtics. L’article innovador de Penrose es va publicar el gener de 1965 i encara es considera la contribució més important a la teoria general de la relativitat des d’Einstein.

La gravetat manté l’univers a l’abast

Els forats negres són potser la conseqüència més estranya de la teoria general de la relativitat. Quan Albert Einstein va presentar la seva teoria el novembre de 1915, va renunciar a tots els conceptes anteriors d’espai i temps. La teoria va proporcionar una base completament nova per entendre la gravetat, que configura l’univers a la major escala. Des de llavors, aquesta teoria ha proporcionat la base per a tots els estudis sobre l’univers i també té un ús pràctic en una de les nostres eines de navegació més habituals, el GPS.

La teoria d’Einstein descriu com tot i tothom a l’univers es manté a l’empunyadura de la gravitació. La gravetat ens manté a la Terra, governa les òrbites dels planetes al voltant del Sol i l’òrbita del Sol al voltant del centre de la Via Làctia. Condueix al naixement d’estrelles de núvols interestel·lars i, finalment, a la seua mort en un col·lapse gravitatori. La gravitació dóna forma a l’espai i influeix en el pas del temps. Una massa pesada doblega l’espai i alenteix el temps; una massa extremadament pesada pot fins i tot tallar i encapsular un tros d’espai, formant un forat negre.

La primera descripció teòrica del que ara anomenem forat negre va arribar poques setmanes després de la publicació de la teoria general de la relativitat. Malgrat les equacions matemàtiques extremadament complicades de la teoria, l’astrofísic alemany Karl Schwarzschild va ser capaç de proporcionar a Einstein una solució que descrivia com les masses pesants poden doblegar l’espai i el temps.

Estudis posteriors van demostrar que, un cop s’ha format un forat negre, està envoltat per un horitzó d’esdeveniments que rodeja la massa al centre com un vel. El forat negre roman amagat per sempre dins del seu horitzó d’esdeveniments. Com més gran és la massa, més gran és el forat negre i el seu horitzó. Per a una massa equivalent al Sol, l’horitzó d’esdeveniments té un diàmetre de gairebé tres quilòmetres i, per a una massa com la de la Terra, el seu diàmetre és de només nou mil·límetres.

Una solució més enllà de la perfecció

El concepte de “forat negre” ha trobat un nou significat en moltes formes d’expressió cultural, però, per als físics, els forats negres són el punt final natural de l’evolució de les estrelles gegants. El primer càlcul del dramàtic col·lapse d’una estrella massiva es va fer a finals dels anys 30, pel físic Robert Oppenheimer, que més tard va dirigir el Projecte Manhattan que va construir la primera bomba atòmica. Quan les estrelles gegants, moltes vegades més pesades que el Sol, es queden sense combustible, primer exploten com a supernoves i després s’enfonsen en restes molt denses, tan pesades que la gravetat ho atrau tot, fins i tot la llum.

La idea de les ‘estrelles fosques’ es va considerar ja des de finals del segle XVIII, en les obres del filòsof i matemàtic britànic John Michell i del reconegut científic francès Pierre Simon de Laplace. Tots dos havien raonat que els cossos celestials podrien arribar a ser tan densos que serien invisibles, ni tan sols la velocitat de la llum seria prou ràpida per escapar de la seva gravetat.

Una mica més d’un segle després, quan Albert Einstein va publicar la seva teoria general de la relativitat, algunes de les solucions a les equacions notòriament difícils de la teoria descrivien tan sols estrelles fosques. Fins als anys seixanta, aquestes solucions es consideraven especulacions purament teòriques, que descrivien situacions ideals en què les estrelles i els seus forats negres eren perfectament rodons i simètrics. Però res a l’univers no és perfecte i Roger Penrose va ser el primer a trobar amb èxit una solució realista per a tota la matèria que s’enfonsa, amb els seus forts, clots i imperfeccions naturals.

El misteri dels quàsars

La qüestió de l’existència de forats negres va ressorgir el 1963, amb el descobriment dels quàsars, els objectes més brillants de l’univers. Durant gairebé una dècada, els astrònoms havien estat desconcertats pels raigs de ràdio procedents de fonts misterioses, com el 3C273, a la constel·lació de la Verge. La radiació de la llum visible finalment va revelar la seva autèntica ubicació: el 3C273 està tan lluny que els raigs viatgen cap a la Terra durant més de mil milions d’anys.

Si la font de llum és tan llunyana, ha de tenir una intensitat igual a la llum de diversos centenars de galàxies. Se li va donar el nom de ‘quàsar’. Els astrònoms aviat van trobar quàsars tan distants que havien emès la seva radiació a la primera infància de l’univers. D’on ve aquesta increïble radiació? Només hi ha una manera d’obtenir tanta energia dins del volum limitat d’un quàsar: des de la matèria que cau en un forat negre massiu.

Les superfícies atrapades resolien l’enigma

Una qüestió que va desconcertar Roger Penrose sobre si es podrien formar forats negres en condicions realistes. La resposta, com va recordar més tard, va aparèixer a la tardor de 1964 durant una passejada amb un company a Londres, on Penrose era professor de matemàtiques al Birkbeck College. Quan van deixar de parlar un moment per creuar un carrer lateral, se li va ocórrer una idea. Més tard, aquella tarda, el va buscar a la seua memòria. Aquesta idea, que va anomenar superfícies atrapades, era la clau que havia estat buscant inconscientment, una eina matemàtica crucial necessària per descriure un forat negre.

Una superfície atrapada obliga a tots els raigs a apuntar cap a un centre, independentment de si la superfície es corba cap a fora o cap a dins. Mitjançant superfícies atrapades, Penrose va ser capaç de demostrar que un forat negre sempre amaga una singularitat, un límit on acaben el temps i l’espai. La seva densitat és infinita i, fins ara, no hi ha teoria sobre com abordar aquest fenomen tan estrany de la física.

Les superfícies atrapades es van convertir en un concepte central en la realització de la prova de Penrose del teorema de la singularitat. Els mètodes topològics que va introduir ara són inestimables en l’estudi del nostre univers corbat.

Un carrer de sentit únic fins al final dels temps

Quan la matèria comença a col·lapsar i es forma una superfície atrapada, res no pot impedir que continuï el col·lapse. No hi ha camí enrere, com en la història explicada pel físic i premi Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar, des de la seva infància a l’Índia. La història tracta sobre les libèl·lules i la seva larva, que viuen sota l’aigua. Quan una larva està preparada per desplegar les ales, promet que dirà als seus amics com és la vida a l’altra banda de la superfície de l’aigua. Però un cop la larva passa per la superfície i s’allunya com una libèl·lula, no hi ha retorn. Les larves de l’aigua mai no escoltaran la història de la vida de l’altra banda.

Figura 2. Com es forma un forat negre.

De la mateixa manera, tota la matèria només pot travessar l’horitzó d’un esdeveniment d’un forat negre en una direcció. Aleshores, el temps substitueix l’espai i tots els camins possibles apunten cap a l’interior, el flux de temps ho porta tot cap a un final ineludible a la singularitat (figura 2). No sentiràs res si caus per l’horitzó d’esdeveniments d’un forat negre supermassiu. Des de fora, ningú no us pot veure caure i el vostre viatge cap a l’horitzó continua per sempre. Mirar un forat negre no és possible dins de les lleis de la física; els forats negres amaguen tots els seus secrets darrere dels seus horitzons d’esdeveniments.

Els forats negres governen els camins de les estrelles

Tot i que no podem veure el forat negre, és possible establir-ne les propietats observant com la seva colossal gravetat dirigeix ​​els moviments de les estrelles circumdants.

Reinhard Genzel i Andrea Ghez lideren grups de recerca separats que exploren el centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. Amb forma de disc pla d’uns 100.000 anys llum de diàmetre, està format per gas i pols i uns quants centenars de milions d’estrelles; una d’aquestes estrelles és el nostre Sol (figura 3). Des del nostre mirador a la Terra, enormes núvols de gas i pols interestel·lar enfosquen la major part de la llum visible que prové del centre de la galàxia. Els telescopis d’infrarojos i la tecnologia de ràdio van ser el que va permetre als astrònoms veure per primera vegada a través del disc de la galàxia i imaginar les estrelles del centre.

Utilitzant les òrbites de les estrelles com a guies, Genzel i Ghez han produït les proves més convincents que hi ha un objecte supermassiu invisible amagat allà. Un forat negre és l’única explicació possible.

Centreu-vos al centre

Durant més de cinquanta anys, els físics sospiten que pot haver-hi un forat negre al centre de la Via Làctia. Des que es van descobrir els quàsars a principis dels anys seixanta, els físics van raonar que es podrien trobar forats negres supermassius dins de la majoria de galàxies grans, inclosa la Via Làctia. Tot i això, actualment ningú no pot explicar com es van formar les galàxies i els seus forats negres, entre uns quants milions i molts milions de masses solars.

Fa cent anys, l’astrònom nord-americà Harlow Shapley va ser el primer a identificar el centre de la Via Làctia, en direcció a la constel·lació de Sagitari. Amb observacions posteriors, els astrònoms hi van trobar una forta font d’ones de ràdio, que va rebre el nom de Sagitari A *. Cap al final dels anys seixanta, es va fer evident que Sagitari A * ocupa el centre de la Via Làctia, al voltant de la qual orbiten totes les estrelles de la galàxia.

No va ser fins a la dècada de 1990 que telescopis més grans i un millor equipament van permetre estudis més sistemàtics de Sagittarius A *. Reinhard Genzel i Andrea Ghez van iniciar projectes per intentar veure a través dels núvols de pols el cor de la Via Làctia. Juntament amb els seus grups de recerca, van desenvolupar i perfeccionar les seves tècniques, construint instruments únics i apostant per la investigació a llarg termini.
Via Làctea

Figura 3. La Via Làctia, la nostra galàxia, vista des de dalt. Té la forma d’un disc pla d’uns 100.000 anys llum de diàmetre. Els seus braços espirals estan formats per gas i pols i uns quants centenars de milions d’estrelles. Una d’aquestes estrelles és el nostre Sol.

Només els telescopis més grans del món seran suficients per contemplar estrelles llunyanes; com més grans millor és absolutament cert en astronomia. L’astrònom alemany Reinhard Genzel i el seu grup van utilitzar inicialment NTT, el telescopi de noves tecnologies a la muntanya de La Silla, a Xile. Finalment, van traslladar les seves observacions a la instal·lació del Very Large Telescope, VLT, a la muntanya Paranal (també a Xile). Amb quatre telescopis gegants el doble que NTT, el VLT té els miralls monolítics més grans del món, cadascun amb un diàmetre de més de 8 metres.

Als Estats Units, Andrea Ghez i el seu equip d’investigació utilitzen l’Observatori Keck, situat a la muntanya hawaiana de Mauna Kea. Els seus miralls tenen gairebé 10 metres de diàmetre i actualment són dels més grans del món. Cada mirall és com un panal, format per 36 segments hexagonals que es poden controlar per separat per enfocar millor la llum de les estrelles.

Les estrelles mostren el camí

Per grans que siguen els telescopis, sempre hi ha un límit en el detall que poden resoldre perquè vivim al fons d’un mar atmosfèric de gairebé 100 quilòmetres de profunditat. Les grans bombolles d’aire sobre el telescopi, més calentes o més fredes que el seu entorn, actuen com a lents i refracten la llum en el seu camí cap al mirall del telescopi, distorsionant les ones de llum. És per això que les estrelles brillen i també les seves imatges es difuminen.

L’aparició de l’òptica adaptativa va ser crucial per millorar les observacions. Ara els telescopis estan equipats amb un prim mirall extra que compensa la turbulència de l’aire i corregeix la imatge distorsionada.

Durant gairebé trenta anys, Reinhard Genzel i Andrea Ghez han seguit les seves estrelles en el llunyà embolic estel·lar al centre de la nostra galàxia. Continuen desenvolupant i perfeccionant la tecnologia, amb sensors de llum digitals més sensibles i una millor òptica adaptativa, de manera que la resolució de la imatge ha millorat més de mil vegades. Ara són capaços de determinar amb més precisió les posicions de les estrelles, seguint-les nit per nit.

Els investigadors fan un seguiment d’una trentena de les estrelles més brillants de la multitud. Les estrelles es mouen més ràpidament en un radi d’un mes llum del centre, dins del qual realitzen una dansa atrafegada com la d’un eixam d’abelles. Les estrelles que es troben fora d’aquesta zona, en canvi, segueixen les seves òrbites el·líptiques d’una manera més ordenada (figura 4).

Una estrella, anomenada S2 o S-O2, completa una òrbita del centre de la galàxia en menys de 16 anys. Aquest és un temps extremadament curt, de manera que els astrònoms van poder cartografiar tota la seva òrbita. Ho podem comparar amb el Sol, que triga més de 200 milions d’anys a completar una volta al centre de la Via Làctia; els dinosaures passejaven per la Terra quan vam començar la nostra volta actual.

Figura 4. Les òrbites de les estrelles van revelar que alguna cosa invisible i pesat governava els seus camins al cor de la Via Làctia.

La teoria i les observacions se succeeixen

L’acord entre les mesures dels dos equips va ser excel·lent, cosa que va portar a la conclusió que el forat negre al centre de la nostra galàxia hauria de ser equivalent a uns 4 milions de masses solars, empaquetades en una regió de la mida del nostre sistema solar.

Aviat podrem veure directament Sagitari A *. Aquest és el següent de la llista perquè, fa poc més d’un any, la xarxa d’astronomia Event Horizon Telescope va aconseguir imaginar l’entorn més proper d’un forat negre supermassiu. El més llunyà de la galàxia coneguda com Messier 87 (M87), a 55 milions d’anys llum de nosaltres, és un ull més negre que negre envoltat per un anell de foc.

El nucli negre de M87 és gegantí, més de mil vegades més pesat que Sagittarius A *. Els forats negres que van causar les ones gravitacionals recentment descobertes eren força més lleugers. Igual que els forats negres, les ones gravitatòries només existien com a càlculs de la teoria general de la relativitat d’Einstein, abans de ser capturades per primera vegada a la tardor del 2015, pel detector LIGO dels EUA (Premi Nobel de Física, 2017).

El que no sabem

Roger Penrose va demostrar que els forats negres són una conseqüència directa de la teoria general de la relativitat, però, en la gravetat infinitament forta de la singularitat, aquesta teoria deixa d’aplicar-se. S’està realitzant un treball intensiu en el camp de la física teòrica per crear una nova teoria de la gravetat quàntica. Això ha d’unir els dos pilars de la física, la teoria de la relativitat i la mecànica quàntica, que es troben a l’exterior de forats negres.

Al mateix temps, les observacions s’acosten als forats negres. El treball pioner de Reinhard Genzel i Andrea Ghez ha obert el camí a noves generacions de proves precises de la teoria general de la relativitat i de les seves prediccions més estranyes. El més probable és que aquestes mesures també puguin proporcionar pistes per a noves idees teòriques. L’univers té molts secrets i sorpreses per descobrir.

Traducció de

Black holes and the Milky Way’s darkest secret

Science Editors: Ulf Danielsson, Ariel Goobar, David Haviland and Gunnar Ingelman, the Nobel Committee for Physics
Text: Joanna Rose
Translator: Clare Barnes
Illustrations: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Editor: Sara Gustavsson
© The Royal Swedish Academy of Sciences

Dos forats extremadament grans es fusionen i deixen els astrofísics perplexos (versió light)

0

Els forats negres són el pal de paller de molts aspectes de l’astrofísica moderna. Poden explicar el final de la vida de les estrelles de molta massa, són un punt de connexió entre la mecànica quàntica i la Relativitat General i estan relacionats amb la creació i evolució de les galàxies espirals com la nostra Via Làctia.

Cicle de vida d’una estrella massiva, des de que es forma en una nebulosa de gas fins que explota com a supernova i es crea un forat negre (black hole) o un estel de neutrons. ( Brooks/Cole Thomson Learning)

Aquests monstres estel·lars, residus d’estrelles molt massives que exploten de manera espectacular com a supernova, poden xocar entre ells a milions o a milers de milions d’anys llum de distància i, per tant, aquests xocs grandiosos són moltes vegades invisibles, fins i tot,  per als nostres telescopis més potents. Però aquests xocs fan vibrar l’estructura mateixa de l’Univers, la textura de l’espai-temps, una mena de llençol immens de quatre dimensions (3 espacials, l’espai, i una temporal, el temps), tal com prediu la Relativitat General, formulada per Albert Einstein el 1915.

Aquestes vibracions, anomenades ones gravitatòries, es propaguen per tot l’Univers, primerament amb molta intensitat, i, a poc a poc, van minvant la intensitat a mesura que s’expandeixen. És el mateix que passa quan llencem una pedra a l’aigua i les ones es propaguen per tot l’estany i l’amplitud de l’ona va minvant a mesura que s’allunya del punt d’impacte fins que arriba a la costa una ona minúscula.

Des de fa uns pocs anys disposem d’uns meravellosos instruments capaços de detectar i mesurar, quan arriben a la Terra, aquestes infinitesimals variacions de l’espai-temps, les ones gravitatòries. Aquests detectors (LIGO en Estats Units i Virgo en Europa) són capaços de mesurar variacions de la textura de l’Univers de la dècima part de la grandària d’un protó!

Els científics d’aquests observatoris d’ones gravitatòries LIGO i Virgo van anunciar ahir  la detecció de les vibracions causades per la col·lisió de dos forats negres de 66 i 85 masses solars que formaven un sistema orbital lligat binari i com a resultat del xoc van generar un forat negre final d’unes 142 masses solars. El forat negre resultant és el més massiu mai detectat amb ones gravitatòries. Se situa en un rang de masses en el qual un forat negre no ha sigut mai observat abans, ni a través d’ones gravitatòries ni amb observacions telescòpiques. El fet va ocórrer a uns 11 mil milions d’anys llum de nosaltres quan l’Univers encara era molt jove.

Cal destacar un fet que segurament us haurà passat per alt. La suma dels dos forats negres (66 + 85) dóna 151 masses solars. I el forat negre resultant té només 142 masses solars. On ha ant a parar la massa que falta? Efectivament 9 masses solars s’han convertit en l’energia de les ones gravitatòries. La formació del monstre final va durar 0,1 segons així que en una dècima de segons es volatilitzaren 9 masses solars. Això sí que és consum d’energia.

Els forats negres es creen com a resultat explosiu com a supernova d’un estel massiu al final de la seua vida.  La massa màxima d’una estrella és d’unes 120 masses solars. Durant l’explosió supernova s’expulsa gran part de la massa i el que queda col·lapsat al nucli formarà una estrella de neutrons o un forat negre. Els models preveuen masses dels forats negres creats d’un màxim de 20 masses solars. Models més moderns basats en observacions d’ones gravitatòries preveuen valors màxims de la massa d’un forat negre d’unes 50 masses solars. Per tant, com és possible que existeixen forats negres de 66 o 85 masses solars? Quin és el seu origen?

Aquest és el misteri que desconcerta els astrofísics. Quin és el mecanisme que pot produir monstres tan grossos? Algun procés encara desconegut? Aquesta és la meravella de la ciència. Quan creus que ho saps tot, t’ix una observació que et trau de la zona de confort. Ara hi ha feina per a un temps per a un grapat de científics per explicar-ho.

Aquesta és una versió senzilla de l’article que vaig publicar ahir. Sóc conscient que he simplificat molt i he abusat dels exemples. Demane disculpes per això. L’important és remarcat el fet que coneixem encara ben poc dels forats negres.

Imatges;

2.- Cicle de vida d’un estel massiu. De astronomyonline.org/Stars/HighMassEvolution.asp

Dos forats extremadament grans es fusionen i deixen els astrofísics perplexos

10

Els científics dels observatoris d’ones gravitatòries LIGO i Virgo han anunciat la detecció d’un sistema binari extraordinàriament massiu en el que s’han fusionat dos forats negres de 66 i 85 masses solars que van generar un forat negre final d’unes 142 masses solars. El forat negre romanent és el més massiu mai detectat amb ones gravitatòries. Se situa en un rang de masses en el qual un forat negre no ha sigut observat mai abans, ni a través d’ones gravitatòries ni amb observacions telescòpiques, i podria ajudar a explicar la formació de forats negres supermassius de milions de masses solars que trobem al centre de moltes galàxies com la nostra. A més, els dos forats negres inicials, si van sorgir del col·lapse final d’estrelles amb resultat de supernova, se situen en un rang de masses en el qual la seua existència es considera, en teoria, impossible, i podria per tant ajudar a millorar la nostra comprensió sobre les etapes finals de la vida de les estrelles massives. En definitiva, aquests forats negres van existir però no sabem com era possible que existiren segons el que coneixem.

Els forats negres es creen com a resultat explosiu com a supernova d’un estel massiu.  La massa màxima d’una estrella és d’unes 120 masses solars. Durant l’explosió s’expulsa gran part de la massa i el que queda col·lapsat al nucli formarà una estrella de neutrons o un forat negre. Els models preveuen masses dels forats negres creats d’un màxim de 20 masses solars. Models més moderns basats en observacions d’ones gravitatòries preveuen valors màxims de la massa d’un forat negre d’unes 50 masses solars. Per tant, com és possible que existeixen forats negres de 66 o 85 masses solars? Quin és el seu origen?

La comunitat científica de les col·laboracions internacionals que treballen amb el detector Advanced Virgo en l’Observatori Gravitatori Europeu (EGO, de les seues sigles en anglés), a Itàlia, i amb els dos detectors Advanced LIGO, als EUA, han anunciat la detecció d’un forat negre d’unes 142 masses solars, resultat final de la fusió de dos forats negres de 66 i 85 masses solars. Tant la component primària com el romanent se situen en un rang de masses que no ha sigut observat mai abans, ni a través d’ones gravitatòries ni amb observacions telescòpiques. El forat negre final és el més massiu mai detectat amb ones gravitatòries. L’esdeveniment d’ones gravitatòries va ser detectat pels tres interferòmetres de la xarxa global el 21 de maig de 2019. S’estima que la font del senyal, catalogada com GW190521, es troba a uns 11 mil milions d’anys llum de la Terra. Dos articles científics que informen sobre el descobriment i les seues implicacions astrofísiques han sigut publicats hui en Physical Review Letters i en Astrophysical Journal Letters respectivament.

Crèdit: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC).

Batre el rècord de massa de les deteccions en els períodes d’observació de Virgo i LIGO és només una de les diverses característiques especials que fan d’aquesta detecció una fusió excepcional i un descobriment sense precedents. Un aspecte crucial, que particularment va cridar l’atenció de la comunitat astrofísica, és que el romanent pertany a la classe dels anomenats “forats negres de massa intermèdia” (des d’unes cent fins a unes cent mil masses solars). L’interés en aquesta població de forats negres està relacionat amb un dels trencaclosques més fascinants i complexos de l’astrofísica i la cosmologia: l’origen dels forats negres supermassius. Aquests monstres gegants, de milions a milers de milions de vegades més massius que el Sol i sovint en el centre de les galàxies (la Via Làctia en té un de 4 milions de masses solars), podrien sorgir de la fusió de forats negres de massa intermèdia “més menuts”.

Fins hui, molt pocs candidats a forats negres de massa intermèdia han sigut identificats únicament a través d’observacions telescòpiques i l’objecte final creat en l’esdeveniment GW190521 és la primera observació d’un forat negre de massa intermèdia via ones gravitatòries. És d’un interés encara major el fet que aquesta detecció es trobe en el rang de 100 a 1.000 masses solars, que ha representat durant molts anys una espècie de “desert de forats negres”, a causa de l’escassetat d’esdeveniments candidats en aquest rang.

Crèdit: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

Aquesta detecció obri la porta a descobrir molts més possibles efectes astrofísics nous”, comenta Thomas Dent, coordinador del programa d’ones gravitatòries en l’Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) i membre de la Col·laboració Científica LIGO. “Ha sigut molt complex interpretar el senyal en estar en el límit de la nostra capacitat tècnica. Només tindrem una idea clara de com es va formar el sistema que la va generar després d’investigacions addicionals i amb deteccions futures amb les quals comparar.

Estic molt orgullosa de la gran implicació dels grups LIGO-Virgo espanyols amb aquest nou esdeveniment, amb tota l’activitat desenvolupada al llarg de molts mesos, incloent tasques de gran responsabilitat, i les expectatives que aquest nou descobriment està generant entre els científics de camps afins”, assenyala Alicia Sintes, de la Universitat de les Illes Balears (UIB) i membre de la Col·laboració Científica LIGO. “En particular, Thomas Dent (IGFAE) i Juan Calderón Bustillo (Universitat Xinesa d’Hong Kong i anteriorment membre de la UIB), han sigut membres de l’equip editorial d’aquests articles; Sascha Husa i David Keitel, tots dos del IAC3-UIB han sigut revisors interns dels resultats obtinguts.

Crèdit: LIGO-Virgo/ Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller.

Les components i la dinàmica del sistema binari coalescent GW190521 ofereix extraordinàries perspectives astrofísiques. El més massiu dels dos forats negres fusionats és major que qualsevol forat negre observat fins ara per LIGO i Virgo i fins i tot el més lleuger dels forats negres figura entre els més massius observats. En particular, les masses dels forats negres progenitors desafien els models astrofísics que descriuen el col·lapse de les estreles més massives, al final de les seues vides, a forats negres. Segons aquests models, les estrelles més massives es desestabilitzen completament en les explosions de supernova, a causa d’un procés anomenat “inestabilitat de parells”, deixant al seu pas únicament gas i pols còsmica. Per tant, la comunitat astrofísica no esperaria observar cap forat negre en aquest rang de masses entre unes 60 i 120 masses solars: exactament el rang de masses en el qual es troba la component més massiva de GW190521. Per això, aquesta detecció obri noves perspectives en l’estudi de les estrelles massives i els mecanismes de les supernoves.

Diversos escenaris prediuen la formació de forats negres en el buit en la distribució de masses a causa de la inestabilitat de parells: podrien ser el resultat de la fusió de forats negres més menuts o de la col·lisió de (múltiples) estrelles massives, o fins i tot de processos més exòtics”, afig Michela Mapelli de la Universitat de Padova i el INFN, i membre de la Col·laboració Virgo. “No obstant això, és també possible que hàgem de revisar la nostra comprensió actual de les etapes finals de la vida d’una estrella i les restriccions sobre la massa final en els processos de formació de forats negres.

De fet, la detecció de GW190521 per part de Virgo i LIGO subratlla l’existència de poblacions de forats negres que no han sigut observades mai abans o que són inesperades i, en això, planteja noves i intrigants preguntes sobre els mecanismes de formació. Malgrat la duració inusualment curta del senyal, que limita la nostra capacitat per a inferir les propietats astrofísiques de la font, les anàlisis més avançades i els models disponibles actualment suggereixen que els forats negres inicials tenien rotacions significatives, és a dir, giraven ràpidament.

El senyal mostra indicis de precessió, una rotació del pla orbital produït per rotacions de gran magnitud i orientació particular”, assenyala Tito Dal Canton, investigador del CNRS en el IJCLab en Orsay (França) i membre de la Col·laboració Virgo. “L’efecte és feble i no podem afirmar que siga present de manera categòrica, però, si fóra cert, donaria suport a la hipòtesi que els forats negres progenitors sorgeixen i viuen en entorns còsmics molt inestables i concorreguts, com un cúmul estel·lar dens o el disc d’acreció d’un nucli galàctic actiu.

Ha sigut necessari combinar totes les diferents capacitats dels membres de les nostres col·laboracions: les millores instrumentals, el desenvolupament de models numèrics, l’anàlisi de dades i la interpretació astrofísica. “Aquest esdeveniment realment ens ha portat fins als nostres límits: l’anàlisi completa d’aquest esdeveniment i la seua exhaustiva revisió per les col·laboracions ha necessitat d’un gran nombre d’investigadors durant més de 15 mesos! Cal també recordar que encara no tenim models complets d’aquesta mena de senyals: mentre podem descriure efectes de precesió raonablement bé, els forats negres en general poden presentar també òrbites notablement excèntriques, orbitant en forma d’el·lipses en lloc de cercles quan estan allunyats entre si. Estem treballant per a incloure aquest efecte abans que LIGO i Virgo observen més senyals, amb l’ajuda del supercomputador Mare Nostrum, un dels més ràpids ordinadors a Europa”, assenyala Sascha Husa (UIB).

Diversos possibilitats diferents són encara compatibles amb els resultats mostrats i fins i tot no ha sigut descartada la hipòtesi que els progenitors de la fusió puguen ser forats negres primordials. Estimem realment que aquesta fusió es va produir a una distància d’uns 11 mil milions d’anys llum (tècnicament la distància de lluminositat de la font és de 5.3 -2.6 +2.4 Gpc, que corresponen un corriment al roig de 0.82+0.28−0.34)

Respecte a les deteccions anteriors d’ones gravitatòries, el senyal GW190521 observat va tindre una duració temporal molt curta (0,1 segons) i és, per tant, molt més difícil d’analitzar. A causa de la naturalesa més complexa del senyal, altres fonts més exòtiques han sigut també considerades, i aquestes possibilitats estan descrites en una publicació complementària. No obstant això, són menys probables enfront de la possibilitat que la font siga una fusió d’un sistema binari de forats negres.

A causa de la baixa freqüència del senyal GW190521, el “refilet” previ a la col·lisió, característic de les deteccions anteriors, no és tan visible en els detectors”, afig José Antonio Font de la Universitat de València (UV) i membre de la Col·laboració Virgo. “El refilet es pot reduir de manera eficient a causa de la precesió del pla orbital, però també hi ha altres situacions, potser menys probables, on s’observa el mateix efecte, com en col·lisions amb excentricitat significativa. El treball conjunt realitzat per Nicolás Sanchis Gual i Alejandro Torres Forné del grup Virgo a València, i Juan Calderón Bustillo, recolzat en simulacions numèriques i inferència estadística, revela que podria haver-hi una certa confusió quant a la mena de sistema que ha produït aquest senyal.

La col·laboració entre el dissenyador gràfic valencià Raúl Rubio i el grup Virgo a València ha fet possible la producció de material de difusió que il·lustra aquest descobriment”, apunta Isabel Cordero Carrión, de la UV i membre de la Col·laboració Virgo.

A l’estat espanyol cinc grups estan contribuint a l’astronomia d’ones gravitatòries de LIGO-Virgo, en àrees que van des del modelatge teòric de les fonts astrofísiques i l’anàlisi de les dades fins a la millora de la sensibilitat del detector per als períodes d’observació actuals i futurs. Dos grups, a la Universitat de les Illes Balears (UIB) i a l’Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC), formen part de la Col·laboració Científica LIGO; mentre que la Universitat de València (UV), l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona són membres de Virgo.

Una informació més tècnica pot llegir-se en aquest article

GW190521: La colisión de agujeros negros más masiva observada hasta la fecha. Ligo-Virgo Collaboration.

Un objecte misteriós es fusiona amb un forat negre

3
Publicat el 29 de juny de 2020

Fa uns dies els científics que controlen els detectors d’ones gravitatòries Virgo i LIGO anunciaren el descobriment d’un objecte compacte d’unes 2,6 masses solars, estant, per tant, en un interval entre l’estrella de neutrons més massiva i el forat negre més lleuger mai vist. En el fenomen observat ara, i que va ocórrer fa uns 800 milions d’anys,  aquest objecte misteriós es va fusionar amb un forat negre de 23 masses solars i, en fer-ho, va emetre una intensa ona gravitatòria. Atès que l’observació aïllada d’aquesta ona, que es va detectar a la Terra l’agost de 2019, no ens permet distingir si l’objecte compacte és un forat negre o una estrella de neutrons, la seua natura exacta continua sent un misteri.

Durant molt de temps, la comunitat astronòmica ha estat desconcertada per la manca d’observacions d’objectes compactes amb masses en l’interval des de 2,5 fins a 5 masses solars. Aquesta misteriosa zona grisa es coneix com el “buit en la distribució de masses“: un interval de masses aparentment massa petites per a un forat negre i massa grans per a una estrella de neutrons. Tant les estrelles de neutrons com els forats negres es formen quan estrelles molt massives esgoten el seu combustible nuclear i exploten com a supernoves. El que queda després de l’explosió depèn de la quantitat que roman del nucli de l’estrella. Els nuclis menys massius tendeixen a formar estrelles de neutrons, mentre que els més massius col·lapsen en forats negres. Entendre si hi ha un buit en la distribució de masses en l’interval esmentat, i per què, ha estat un enigma durant molt de temps per als científics.

El problema rau en el fet que un estel de neutrons té un interval de masses possibles a causa de diverses condicions físiques. Per això, un estel de neutrons té una massa de com a mínim 1,1 masses solars (M) mentre que el límit superior de la massa d’un estel de neutrons ve donat teòricament pel limit Tolman–Oppenheimer–Volkoff i és generalment d’uns 2,1 M. Tanmateix estudis recent posen el límit una mica més alt, fins a 2.16 M. De fet, la màxima massa observada és d’uns 2,14 M per a l’objecte PSR J0740+6620 descobert en setembre del 2019. Ara, si l’objecte misteriós és realment un estel de neutrons, caldrà repensar aquestes previsions o bé cercar un altre candidat totalment desconegut.

Representació en un gràfic de temps front a freqüència de les dades de l’esdeveniment GW190814, observat per LIGO Hanford (panell superior), LIGO Livingston (panell central) i Virgo (panell inferior). El temps conta des de 10 segons abans de la fusió dels dos objectes. La energía en una quadrícula determinada en temps-freqúència està representada per la paleta de colors. En el panel central el senyal fou més intens.

Les col·laboracions científiques que operen el detector Advanced Virgo a l’Observatori Gravitatori Europeu (EGO, per les sigles en anglès), prop de Pisa a Itàlia, i els dos Advanced LIGO, als Estats Units, han anunciat la descoberta d’aquest objecte d’unes 2,6 masses solars, és a dir, situat dins de l’anomenat “buit en la distribució de masses “, qüestionant així que aquest buit d’objectes realment existira. La natura de l’objecte continua sent un misteri, ja que aquesta observació d’ones gravitatòries per si sola no permet distingir si es tracta d’un forat negre o d’una estrella de neutrons. Fa uns 800 milions d’anys, l’objecte estrany es va fusionar amb un forat negre de 23 masses solars i, en fer-ho, va generar un forat negre final d’unes 25 vegades la massa del Sol. La fusió va emetre una intensa ona gravitatòria (la diferència de les masses abans i després de la fusió, d’unes 0,6 masses solars, convertides en energia) que els tres instruments de la xarxa van detectar el 14 d’agost de 2019, i, per tant, s’ha etiquetat com a GW190814. El descobriment s’acaba de publicar en la revista The Astrophysical Journal Letters.

Una peculiaritat d’aquest esdeveniment és que la fusió mostra la proporció més inusual entre masses d’un sistema de dos estels registrat fins a la data. La massa més gran és aproximadament 9 vegades més massiva que la massa menor.

L’anàlisi de la majoria de senyals anunciats per LIGO i Virgo fins a la data ha transcorregut sense grans sobresalts ja que les masses involucrades han facilitat la identificació precisa del tipus d’objectes“, comenta José Antonio Font, coordinador del grup Virgo a València. “Afortunadament, amb GW190814, com també va passar en part amb GW190425, entrem en un terreny on les conclusions ja no són tan senzilles. Aquest és un senyal apassionant que qüestiona les nostres idees sobre la formació dels objectes compactes. Benvingut siga!

Masses dels estels de neutrons i forats negres mesurats mitjançant ones gravitatòries i observacions telescòpiques. Les marques grogues i púrpura representen les mesures electromagnètiques (amb telescopis) d’estels de neutrons i forats negres, respectivament, mentre que les marques taronja i blava són les corresponents mesures usant ones gravitatòries. El senyal GW190814 destaca al mig de la figura com una fusió d’un forat negre i un objecte misteriós amb una massa d’unes 2,6 vegades la massa del Sol, un esdeveniment que va produir un altre forat negre. LIGO-Virgo. Frank Elavsky,  Aaron Geller,  Northwestern.

El senyal associat a una fusió tan inusual va ser clarament detectat pels tres instruments de la xarxa LIGO-Virgo, amb una relació global senyal-soroll de 25. Gràcies principalment al retard entre els temps d’arribada del senyal en els detectors, és dir, els dos Advanced LIGO als EUA i l’Advanced Virgo a Itàlia, la xarxa de 3 detectors va ser capaç de localitzar l’origen de la font que va generar l’ona en uns 19 graus quadrats.

La identificació de nous tipus de senyals com GW190814 es basa en la millora contínua dels models teòrics de formes d’ona “, afegeix l’investigador Sascha Husa, de la Universitat dels Illes Balears (UIB). “El grup UIB ha contribuït al desenvolupament d’alguns dels models utilitzats per a aquest esdeveniment, per als quals l’ús de la supercomputadora més gran d’Espanya, Mare Nostrum, ha estat essencial.”

Regió del cel d’on prové el senyal GW190814 amb la major probabilitat. Les àrees ombrejades en blau fan referència a l’anàlisi online inicial de les dades, mentre que les àrees ombrejades en púrpura fan referència a la localització final en el cel.

Quan els científics de LIGO i Virgo van detectar aquesta fusió, immediatament van enviar un avís a la comunitat astronòmica. Molts telescopis terrestres i espacials van fer un seguiment a la recerca de llum i d’altres ones electromagnètiques, però, a diferència de la famosa fusió de dues estrelles de neutrons detectada a l’agost de 2017 i que van donar lloc a l’anomenada astronomia multi-missatger, en aquest cas no es va recollir cap senyal.

Thomas Dent, coordinador del programa d’ones gravitatòries a l’Institut Gallec de Física d’Altes Energies (IGFAE), assenyala que “GW190814 mostra novament el potencial de la xarxa global de detectors per localitzar aquests misteriosos esdeveniments còsmics a l’espai amb més precisió, amb l’objectiu de buscar qualsevol emissió de llum o d’altres partícules. Estem millorant contínuament els mètodes per a la detecció i el seguiment de les fonts d’ones gravitatòries a mesura que la xarxa va ampliant-se.

Segons els científics de Virgo i LIGO, l’esdeveniment d’agost de 2019 no va ser vist en el espectre electromagnètic per diverses raons probables. En primer lloc, aquest esdeveniment estava sis vegades més lluny que GW170817, cosa que dificulta la detecció de qualsevol senyal electromagnètic. En segon lloc, si la col·lisió va involucrar dos forats negres, probablement no hi va haver cap emissió en l’espectre electromagnètic. En tercer lloc, si l’objecte més petit del sistema va ser, de fet, un estel de neutrons, el seu company forat negre 9 vegades més massiu podria haver-se’l engolit sencer; un estel de neutrons engolit completament per un forat negre no produiria cap emissió electromagnètica.

Gràcies a les millores a l’observatori Virgo/EGO, en les tècniques d’anàlisi de dades i en els models dinàmics astrofísics, àrees on l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) té un paper rellevant, esperem poder detectar més esdeveniments com GW190814 que ens permeten entendre la natura exacta d’aquests intrigants objectes astrofísics“, explica Jordi Portell, coordinador del grup Virgo al ICCUB.

La identitat de l’objecte detectat el 14 d’agost de 2019 continua sent un misteri.

A més de posar a prova el nostre enteniment de l’evolució estel·lar i de la producció d’estrelles de neutrons i forats negres en el buit de masses, la raó peculiar entre les masses del sistema binari i el fet de ser l’esdeveniment d’ones gravitatòries millor localitzat en el cel fins a la data sense contrapartida electromagnètica, ha permès dur a terme nous tests de la teoria de la gravetat i una nova mesura de la constant de Hubble, compatible amb aquella obtinguda mitjançant l’esdeveniment GW170817.

L’esdeveniment GW190814 és un bon exemple de com les ones gravitatòries tenen el potencial de canviar radicalment el nostre coneixement del cosmos tant a nivell astronòmic com a nivell de física fonamental“, declara Mario Martínez, coordinador del grup Virgo a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de la Universitat Autònoma de Barcelona. “Les dades acumulades pels interferòmetres LIGO i Virgo ara i en els propers anys amb una major sensibilitat hi contribuiran.

Futures observacions amb Virgo, LIGO i possiblement altres telescopis podran detectar esdeveniments similars i ajudar-nos a respondre les nombroses preguntes que ha plantejat la detecció de GW190814.

Cinc grups a l’estat espanyol estan contribuint a l’astronomia d’ones gravitatòries de LIGO-Virgo, en àrees que van des del modelatge teòric de les fonts astrofísiques fins a la millora de la sensibilitat del detector per als períodes d’observació actuals i futurs. Dos grups, a la Universitat dels Illes Balears (UIB) i a l’Institut Gallec de Física de Altes Energies (IGFAE) de la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC), formen part de la Col·laboració Científica LIGO (EEUU); mentre que la Universitat de València (UV), l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i l’IFAE de la Universitat Autònoma de Barcelona són membres de Virgo (Europa).

Més informació: “El curioso caso de GW190814: la fusión de un agujero negro de masa estelar y un objeto compacto misterioso”

Imatges. Col·laboració Virgo i LIGO.

Un forat negre a només 1000 anys llum de la Terra

0
Publicat el 10 de maig de 2020

Un equip d’astrònoms de l’Observatori Europeu Austral (ESO) i d’altres institucions ha descobert un forat negre a només 1.000 anys llum de la Terra. És el forat negre més proper al nostre Sistema Solar no mai detectat fins a la data. Forma part d’un sistema triple d’estels que es troba tan prop que fins i tot es pot veure a simple vista des de l’hemisferi sud. L’estudi s’ha publicat fa uns dies en la revista Astronomy & Astrophysics

Fins fa ben pocs anys un forat negre era només una entelèquia matemàtica que derivava de manera natural de les equacions de la Relativitat General. Ara ja intuïm que totes les galàxies espirals tenen un forat negre de milions de masses solars al seu centre i fins i tot ja els hem vist de prop i hem mesurat els seus xocs espectaculars a partir de la captació de les ones gravitatòries.

Aquest són els galàctics. Però hi ha d’altres més modestos. Un forat negre estel·lar és el final esperat d’un estel de més de 8 masses solars. Una vegada acabades les diferents fases de crema del combustible nuclear, l’estel s’enfonsa sense remei i, després d’una espectacular explosió supernova, desapareix de l’univers visible. No brilla, és negre i només diversos processos físics que ocorren al seu voltant el fan notar als instruments científics: fortes emissions de radiacions d’alta energia (X i gamma), o la presència d’un disc d’acreció que remena material al seu voltant per que se l’acabe engolint finalment.

Que passa, però, quan no hi ha emissió ni disc d’acreció? Quan el forat negre no és actiu? Aleshores el forat negre és totalment invisible. L’estel mort vaga per la galàxia sense ser captat.

Tanmateix no deixa de ser un estel i els estels solen viure en parella o trios si pot ser. Els estels dobles o triples són molt freqüents en la Via Làctia i són sistemes interessantíssims per estudiar-ne les propietats, sobre tot les masses. Per exemple, només a partir del moviment de les òrbites podem inferir les masses involucrades a partir de la Tercera Llei de Kepler.

I això és el que ha passat amb l’equip de l’ESO. Estudiant, amb el Telescopi MPG/ESO de 2,2 metres, instal·lat a l’Observatori de La Silla, a Xile, el sistema estel·lar doble HR 6819, format per dos estels blaus calents de tipus B i Be, l’equip va veure que l’estrella interior en realitat gira, amb un període de 40 dies, sincrònicament amb un objecte invisible, mentre que la segona estrella orbita a una gran distància al voltant d’aquestes dues.

Imatge de gran camp en al constel·lació de Telescopium on es pot veure al centre el sistema  HR 6819. Font: Digitized Sky Survey 2.

El forat negre ocult en HR 6819 és un dels primers forats negres de massa estel·lar descobert que no interactuen violentament amb el seu entorn i, per tant, semblen veritablement negres. Malgrat això, l’equip va poder detectar la seua presència i calcular la seua massa estudiant l’òrbita de l’estrella interior. “Un objecte invisible amb una massa de, al menys, 4 vegades la del Sol, només pot ser un forat negre“, conclou el científic d’ESO Thomas Rivinius, que ha dirigit l’estudi i que treballa a Xile.

Fins ara, els astrònoms han detectat tan sols un parell de dotzenes de forats negres en la nostra galàxia, i gairebé tots ells interactuen amb el seu entorn i donen a conèixer la seua presència mitjançant l’alliberament de potents raigs X. Però els científics estimen que, al llarg de la vida de la Via Làctia, centenars o milers de milions d’estrelles van acabar col·lapsant com a forats negres en acabar les seues vides. El descobriment d’un forat negre silenciós i invisible a HR 6819 proporciona pistes sobre on podrien estar els nombrosos forats negres ocults a la Via Làctia. “Hi ha d’haver centenars de milions de forats negres per aquí, però en coneixem ben pocs. Saber què cercar hauria facilitar-nos la tasca de trobar-los“, afirma Rivinius.

Així que segurament ara mateix molts forats negres desconeguts vaguen per la Galàxia. Una apassionant conclusió que ens deixa un sabor amarg a la boca i que ens recorda que la violència neutra de l’univers és la norma. ¿Hi haurà algun encontre futur del Sistema Solar amb un forat negre silenciós? Sort tenim de la immensitat de la Via Làctia i de la baixa probabilitat que això passe. O ja el tenim ací?

Més informació.
Un instrumento de ESO detecta el agujero negro más cercano a la Tierra

Imatges

1.- Imatge artística que mostra les òrbites dels objectes del sistema triple HR 6819. Aquest sistema està format per un estel interior (òrbita en blau) i un forat negre ara descobert (òrbita en roig), així com un tercer estel en una òrbita més ampla (també en blau).
2.- Imatge del telescopi espacial Hubble que mostra la supernova 1994D al costat de la la galaxia NGC 4526. NASA.ESA/Hubble.

Publicat dins de La Galàxia i etiquetada amb , | Deixa un comentari

El forat negre de la galàxia M87

0
Publicat el 12 d'abril de 2019

Finalment ja tenim la imatge. Els científics de la col·laboració internacional Event Horizon Telescope (EHT) presentaren dimecres la que és la primera imatge d’un forat negre, concretament del que es troba situat al centre de la galàxia activa M87. La imatge mostra un anell brillant format a partir de les rajos de llum que surten del disc de matèria que envolta una zona fosca on s’hi troba el forat negre i que es dobleguen a causa de la intensa gravetat.

El dimecres 10 d’abril fou un dia de gran celebració en les diverses rodes de premsa celebrades simultàniament arreu del món per mostrar la gran fita científica d’aconseguir veure com és realment un d’aquests monstres estel·lars. Des de Washington, a la seu de la National Science Fundation, o des de Bruxel·les, des de la seu de la Comissió Europea i des de Madrid, a la seu del CSIC, entre altres indrets, els astrònoms que han col·laborat en el macro-projecte explicaven dimecres el seu treball.

D’aquest grup selecte d’investigadors dos són valencians: Iván Martí-Vidal, de l’Institut Geogràfic Nacional (IGN), que ha dissenyat els algorismes que van permetre combinar les dades de les antenes d’ALMA (l’element més sensible de l’EHT) amb la resta de radiotelescopis; és a més coordinador del grup de polarimetria (el principal objectiu del qual és estudiar el paper dels camps magnètics en les proximitats del forat negre) i Rebecca Azulay, investigadora postdoctoral que treballa actualment en el Departament d’Astronomia i Astrofísica i en l’Observatori Astronòmic de la Universitat de València.

Fotografia del Telescopi Espacial Hubble que mostra el doll de matèria expulsat d’M87 quasi a la velocitat de la llum, i que s’allunya fins a uns 5000 anys llum del nucli galàctic

Des de fa molts anys se sap que M87, situat a uns 53,5 milions de quilòmetres, és una galàxia activa. L’observació detallada de l’objecte mostra una gran variabilitat en ràdio, raigs X i raigs gamma i sobre tot presenta un doll de partícules accelerades d’almenys 5.000 anys llum de longitud que surt del seu centre i que apunta quasi directament cap a la Terra, amb una desviació molt menuda d’uns 17º.  Els models astrofísics actuals expliquen aquesta variabilitat per l’existència d’un forat negre supermassiu de milions de masses solars.  Donat que veiem pràcticament el centre de la galàxia de cara hauria de ser possible observar fàcilment que és el que està passant allí dins.

Però l’aspecte que té el forat negre central d’M87 no és fàcil de saber. La galàxia està molt lluny i l’objecte es tan “menut” com tot el nostre Sistema Solar. Necessitem, per tant, una resolució extraordinària per veure’n detalls. I la resolució d’un instrument depén de la longitud d’ona, en aquest cas ones de ràdio d’1,3 mm i és inversament proporcional a l’apertura, la grandària del radiotelescopi.  Quan més gran és el disc d’un radiotelescopi, més detalls podrem esbrinar. Tanmateix en aquest cas l’objecte és tan menut que un únic radiotelescopi no ens permet obtindre’n detalls. I, és per això que, per aconseguir la resolució necessària va caldre combinar els senyals obtinguts simultàniament de diversos radiotelescopis d’arreu del món per a fer-ne un virtual de la grandària de la Terra a través d’una tècnica anomenada interferometria de llarga base. D’aquesta manera s’aconseguí obtindre una resolució de 20 μas (20 milionèsimes de segon d’arc d’angle). Per fer-vos una idea clara del que significa seria com poder veure una pilota de tenis en la superfície de la Lluna.


Xarrada TED de Katie Bouman, una de de les desenvolupadores del software de l’EHT, on explica el procés que s’ha seguit per aconseguir la primera imatge d’un forat negre.

Durant uns dies d’abril de 2017, l’Event Horizon Telescope, la xarxa de huit radiotelescopis distribuïts al llarg del món que inclouen les antenes ALMA de Xile, l’antena IRAM del Pico Veleta, antenes a Hawaii, al Pol Sud, etc, observaren simultàniament dos objectes: Sagittarius A*, el forat negre supermassiu (4 milions de masses solars) situat al centre de la Via Làctia i la bèstia còsmica encara més massiva del centre d’M87, una galàxia activa situada a 53,5 milions d’anys llum. L’observació simultània va permetre reconstruir un telescopi de la grandària de la Terra. En aquesta observació i durant els següents  dos anys, 208 científics (enginyers, astrònoms, matemàtics, informàtics…) dels quals 23 són dones (un 11%) han recopilat les dades, les han coordinats, han fet algorismes per combinar les dades de cada telescopi, etc, per obtindre el que mai s’havia aconseguit abans: veure-li la cara a un forat negre. Fins ara en teníem proves indirectes de la seua existència però mai no havíem aconseguit veure’ls. I la imatge final s’assembla extraordinàriament al que preveien els models teòrics construïts a partir de la Relativitat General. Einstein tenia raó i les seus teories tornen a passar el test de l’experimentació.

L’entorn de la bèstia còsmica del centre d’M87, una galàxia activa situada a  53,5 milions d’anys llum, se’ns presenta com un anell brillant d’un 42 μas (42 milionèsimes de segon d’arc d’angle) format a partir de les rajos de llum que surten del disc de matèria que envolta una zona fosca on s’hi troba el forat negre i que es dobleguen a causa de la intensa gravetat. Un anell que gira en sentit horari quasi de cara a nosaltres amb una certa inclinació amb el resultat que la part inferior més enllumenada indica que és llum que ve cap a nosaltres mentre que la part superior més fosca s’allunya. Això és compatible amb la direcció del doll de material ejectat amb una inclinació de 17º respecte a l’observador (veieu imatge anterior del doll). Tanmateix l’inici del doll que es veu a gran distància no és visible en la imatge a conseqüència d’una resolució insuficient.

Al centre de l’anell s’observa una zona negra, que s’ha anomenat ombra del forat negre, que inclou l‘horitzó d’esdeveniments del forat negre central d’M87, la zona fronterera que l’envolta, a l’interior de la qual la gravetat és tan intensa que ni tan sols la llum té suficient velocitat per escapar-se’n. L’ombra és unes 2,5 vegades més gran que l’horitzó i, de moment, és el màxim que podem resoldre fins que no milloren les nostres tècniques.

El forat negre d’M87 és tan gran que el nostre sistema solar cabria perfectament dins del seu horitzó d’esdeveniments. Com que, a més a més, les observacions d’M87 han permés corregir a l’alça la massa del monstre còsmic que es troba molt endins de l’ombra i que ara s’estima que és uns 6500 milions de vegades més massiu que el Sol, podem imaginar-nos la compressió del material que permet encabir tants sols en un espai tan reduït.

Aquesta imatge tan buscada, aconseguida per la col·laboració internacional EHT, proporciona les proves més fortes fins a la data de l’existència de forats negres supermassius i obre una nova finestra a l’estudi dels forats negres, els seus horitzons d’esdeveniments i la seua gravetat.

La col·laboració internacional ha aconseguit una fita espectacular, que un company explicava gràficament ahir: Mira a un estel qualsevol del cel, en les millors condicions que pugues, i pensa que en el diàmetre aparent d’aquest puntet podries encabir una rere l’altra 10.000 còpies de la imatge del forat negre d’M87. Això han aconseguit.

I alguns dels que ho han aconseguit són amics i companys. Enhorabona.

I que ha passat amb el forat negre de la nostra galàxia? Com és que no ens han donat la imatge de l’objecte Sagitari A*?

Malgrat estar més prop resulta que és també molt variable i, a més a més, cal veure’l a través de la pols i gas del disc galàctic on es troba el Sistema Solar, amb la qual cosa resulta molt més problemàtic aconseguir una imatge neta semblant a la d’M87. Els científics ja estan treballant en algorismes que permeten reconstruir l’evolució temporal de la imatge, que podríem tenir en menys de cinc anys.

En el vídeo farem un viatge des de les antenes d’ALMA, mirant la nit estrellada, acostant-nos a la galàxia M87, observant les diverses imatges de la galàxia, del doll fins arribar a les proximitats del forat negre.

Finalment caldria destacar la repercussió mundial que ha tingut la conferència de premsa múltiple arreu del món. No només tots els diaris posaren la imatge de l’ombra del forat negre central d’M87 a la portada sinó que Google canvia el logo per remarcar la fita científica.

Per saber-ne més
Guía sencilla para entender la foto del agujero negro, Agencia SINC
Una astrònoma de la Universitat participa en la captura de la primera imatge d’un forat negre, UV.
First Images of a Black Hole from the Event Horizon Telescope. AAS Nova
La primera imagen de la sombra y el anillo asimétrico del agujero negro M87* gracias a EHT. La ciencia de la Mula Francis. Una explicació més física.

Entrevista a Iván Martí-Vidal en TVE 24 h. 11/4/2019

Imatges:

1. Imatge de l’ombra del forat negre d’M87. Col·laboració EHT.
2. El doll que emergeix del nucli galàctic d’M87 (NGC 4486). NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)HubbleSite.
3.- Ubicació dels radiotelescopis de la col·laboració EHT.
4.- Alguns amics participants en EHT. Crèdit: Vicent Martínez.

Publicat dins de Altes energies i etiquetada amb , , , , | Deixa un comentari

Tot esperant desvelar l’aspecte d’un forat negre

0
Publicat el 9 d'abril de 2019

En unes hores sabrem finalment quin aspecte té l’entorn d’un forat negre. En la roda de premsa simultània que es realizarà a diversos paísos del mon a partir de les 15 h de dimecres 10 d’abril, es presentaran les primeres imatges en ràdio del forat central de la Via Làctia i el de la galàxia activa M87 aconseguides amb l’Event Horizon Telescope.

L’Event Horizon Telescope, no és ben bé un únic telescopi, sinó una xarxa de huit radiotelescopis distribuïts al llarg del món que inclouen les antenes ALMA de Xile, l’antena IRAM del Pico Veleta, antenes a Hawaii, al Pol Sud, etc, que fa dos anys es coordinaren per observar simultàniament dos objectes: Sagittarius A*, el forat negre supermassiu (4 milions de masses solars) situat al centre de la Via Làctia i la bèstia còsmica encara més massiva del centre d’M87, una galàxia activa situada a  53,5 milions d’anys llum. L’observació simultània va permetre reconstruir un telescopi de la grandària de la Terra

Aquesta infografia detalla les ubicacions dels telescopis participants de l’Event Horizon Telescope (EHT) i del Global mm-VLBI Array (GMVA). El seu objectiu és representar, per primera vegada, l’ombra de l’horitzó de l’esdeveniment del forat negre supermassiu al centre de la Via Làctia, així com estudiar les propietats de l’acreció i les emissions al voltant del centre galàctic.

Durant el mes d’abril del 2017, nombrosos investigadors utilitzaren aquesta xarxa de telescopis per captar els senyals ràdio que provenen de l‘horitzó d’esdeveniments dels forats negres centrals d’aquestes galàxies, la zona fronterera que els envolta, a l’interior de la qual la gravetat és tan intensa que ni tan sols la llum té suficient velocitat per escapar-se’n.  L’anàlisi de les dades ha estat complex i després de dos anys en unes hores es presentarà al públic.

Que fins ara no hagem tingut una imatge de com son els forats negres no significa que no tinguerem una idea de com haurien de ser. Les lleis de la Física i en especial les de la Relativitat General de la Relativitat, proposada per Albert Einstein el 1915, ja preveuen com hauria de semblar l’horitzó d’esdeveniments i tot l’entorn del forat negre.

Imatge artística que mostra un forat negre supermassiu que gira ràpidament envoltat d’un disc d’acreció. Aquest disc prim de material consisteix en les restes d’una estrella semblant al Sol, que va ser trencada per les forces de marea del forat negre. Crèdit: ESO, ESA / Hubble, M. Kornmesser / N. Bartmann

Un forat negre és el resultat del col·lapse i concentració d’una quantitat ingent de material estel·lar que arriba a distorsionar l’espai-temps i produeix una singularitat, un punt en que la densitat és infinita. La gravetat és tan intensa que fins i tot la llum no és capaç d’escapar-se més enllà d’un radi o horitzó d’esdeveniments per la qual cosa els forats es veuen negres des de l’exterior. Aquesta frontera fa impossible treure informació de l’interior llevat de l’anomenada Radiació de Hawking.

Al seu voltant trobarem un disc de material calent que va caient en espiral cap al forat negre i en els forats molt energètic trobarem també uns dolls relativistes de gas calent expulsats perpendicularment al disc per l’intens camp magnètic. La llum que envolta el forat negre es pertorbat per l’intens camp gravitatori del forat negre i és distorsionada de manera que fins i tot la part del disc d’acreció de darrere del objecte, la més allunyada de l’observador és visible per la part superior

https://youtu.be/APriQsm_M5o

El vídeo de Hotaka Shiokawa mostra l’aparença que tindria el disc d’acreció d’un forat negre en una simulació de magnetohidrodinàmica general relativista (GRMHD) observat en ràdio. Els raigs de llum emesos des de la part interior del disc es produeixen abans de l’arribada al “telescopi” a causa de l’efecte gravitacional de la lent i produeixen les imatges distorsionades. El disc es veu des de 45º per sobre del pla equatorial del disc. El costat esquerre de la imatge és més brillant que el costat dret a causa de l’efecte radiant Doppler: la llum emesa per un objecte que es dirigeix cap a un observador és més brillant que la que s’allunya de l’observador. La part negra central és l'”ombra” del forat negre, que és el que l’Event Horizon Telescope intenta veure.

Segons la forma que presente la imatge de detall dels forats negres que s’ha obtingut amb les dades del Event Horizon Telescope (mireu imatge adjunta) es podran confirmar o rebutjar les diverses teories alternatives a la de la Gravitació d’Einstein o bé, com sempre ha passat fins ara, es reforçarà encara més la Relativitat General.

Simulació dels dolls (roig brillant) d’un forat negre i del disc d’acreció al seu voltant, amb imatges simulades de les tres formes potencials de l’ombra de l’horitzó de l’esdeveniment. Crèdit: ESO / N. Bartmann / A. Broderick / C.K. Chan / D. Psaltis / F. Ozel

També podrem conéixer molts altres aspectes encara pot clars d’aquests monstres còsmics, com ara la possible existència de púlsars en òrbita al voltant dels forats negres o la forma en que aquests emeten els dolls. Caldrà esperar unes hores.