El secret dels forats negres

Els misteris dels objectes més enigmàtics i que desperten més passions, els forats negres, van desvetlant-se poc a poc, a conseqüència d’un gran treball teòric i també per la posada a punt de nous instruments d’observació. El començament de les operacions d’ALMA, un conjunt de 66 antenes situades al desert d’Atacama a Xile, ha permés esbrinar l’interior d’un d’aquests monstres celestes.  Ivan Marti-Vidal, el jove astrofísic valencià que treballa en la Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory, Onsala, Suècia, explica per a LEVANTE-EMV com el seu equip va assolir captar per primera vegada la «indigestió» d’un forat negre i el significat d’aquesta troballa, publicat en la revista «Astronomy & Astrophysics».


­Els forats negres són objectes extraordinaris. En els seus voltants, són capaços de generar una força de la gravetat tan intensa, que tot cos que s’acosta massa a ells no té escapatòria; no pot evitar ser destrossat i engolit. Després de dècades de minucioses observacions i detallats estudis, els astrònoms encara sabem molt poc sobre alguns apassionants fenòmens relacionats amb els forats negres.

Un d’aquests fenòmens és el que venim a cridar les «indigestions». Ocorren quan el forat negre és incapaç d’engolir-se tota la matèria que està entrant en el seu interior i, en lloc d’engolir-la, l’expel·leix cap a l’espai exterior amb unes velocitats i energies formidables; les més altes de l’Univers. El material expel·lit del forat negre forma enormes «dolls», de grandàries majors que tota una galàxia, que emeten potents ones de ràdio (el mateix tipus d’ones que usen les emissores de ràdio en la Terra o els nostres telèfons mòbils). Són aquestes ones de ràdio les quals podem captar des de la Terra amb els nostres «radiotelescopis».

Ara bé, fins a avui ha estat difícil presenciar una d’aquestes indigestions en el moment i lloc precisos que ocorren. Normalment, solament som capaços de veure el material expel·lit quan ja es troba molt lluny del forat negre; a diversos mesos-llum o fins i tot a anys-llum de distància. Açò es deu al fet que aquests dolls de matèria són «opacs» a les ones de ràdio, és a dir, són com densos murs, com gruixudes parets, que ens impedeixen veure a través d’ells i escodrinyar què hi ha en el seu interior. Aquesta opacitat es fa més i més alta com més prop ens anem del forat negre.

L’única forma de veure a través d’aquests murs és observar a freqüències molt altes; centenars de vegades més altes que les quals usen els nostres telèfons mòbils. A aquestes freqüències, els dolls es tornen transparents i ens deixen veure perfectament el que està ocorrent en el punt exacte on es produeix la indigestió; en la regió on el forat negre injecta la seua indigestió en el seu doll. No obstant això, observar a freqüències tan altes també té els seus inconvenients. A aquestes freqüències, i amb la tecnologia actual, encara no podem obtenir imatges d’alta resolució. Açò significa que quan rebem un senyal d’un forat negre a aquestes freqüències, les nostres imatges són massa borroses per a destriar si es deu a una indigestió, produïda en l’origen del doll, o si prové d’una regió molt llunyana del doll, fins i tot a dècades-llum de distància.

I ací és on entra el treball que acabem de publicar. Usant el telescopi ALMA (el més sensible del món a les freqüències més altes de ràdio) hem estat capaces de detectar un clar senyal d’un forat negre. Encara que la resolució de les nostres imatges tampoc és molt alta, hem aprofitat l’enorme sensibilitat d’ALMA per a fer un «truc» que ens ha permès localitzar el senyal, sense dubtes, com provinent de la regió on es produeixen les indigestions d’aqueix forat negre.

Bàsicament, hem observat el mateix senyal a freqüències molt distintes, el que ens ha permès estudiar l’opacitat de la regió d’on provenia aqueix misteriós senyal captada amb ALMA, i això ens ha permès concloure que el que estàvem veient era una indigestió «en directe», és a dir, just en el moment que el material estava entrant en el doll i començava a ser accelerat (per mecanismes encara desconeguts) fins a arribar a les velocitats més altes de l’Univers. Aquest treball haguera estat impossible de no ser per dues coses. La primera, l’existència d’aqueix formidable instrument, ALMA. La segona, l’existència d’un forat negre molt especial, PKS1830-211 (a uns 14.000 milions d’anys-llum de distància), la llum de la qual està sent desviada per una gran galàxia (a uns 7.000 milions d’anys-llum), que és capaç de produir dues imatges del forat negre. És a dir, des de la Terra som capaces de veure el mateix objecte, però repetit dues vegades en el cel. Aquest fenomen es coneix com «efecte lent gravitatòria».

Una d’aquestes imatges està, a més, «retardada en el temps 27 dies». És a dir, és com una «màquina del temps» que ens permet veure de nou qualsevol cosa que hàgem vist ocórrer prèviament en la primera imatge. Aquesta possibilitat va ser decisiva en el nostre treball, per a poder localitzar la «indigestió» sense dubtes, en la base mateixa del doll. Conèixer millor com es produeixen aquests fenòmens ens ajuda a entendre millor com funciona l’Univers. Els forats negres són els llocs amb condicions més extremes de tot l’Univers. Les energies i la curvatura de l’espai-temps generades en els seus voltants no poden, de cap manera, ser reproduïdes en els labroatorios de la Terra. Per tant, els forats negres són l’únic lloc on, de moment, podem estudiar com es comporta la Natura sota aqueixes condicions tan extremes.

I podem estar segurs que entendre millor tot açò (per al que el nostre treball sobre PKS1830-211 és un pas en la bona direcció) ens ajudarà, en un futur ja siga més proper o llunyà, en el desenvolupament de la nostra tecnologia i en l’avanç de la nostra civilització. Qui sap si els forats negres guardaran, per exemple, la clau del viatge a les estrelles!

Iván Martí Vidal, astrofísic, investigador principal.

A partir de El secreto de los agujeros negros, Iván Martí Vidal, Levante, 20 d’octubre 2013.


Imatges

Imatge: Entorn celeste de la galàxia PKS 1830-211. Al centre es veuen les dues imatges de la galàxia.

Imatge: Model del doll que ix del forat negre.

Vídeo: Animació del mètode d’observació de la distant galàxixa activa PKS 1830-211.  Aquest inusual objecte pateix l’efecte de lent gravitatòria produït per una galàxia més propera i apareix dividida en dues parts, tal com apreciem en les observacions d’ALMA. Crèdit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/I. Martí-Vidal/Nick Risinger (skysurvey.org) & NASA/ESA.

 

Observem els tres quàsars més brillants amb el nou radiotelescopi espacial rus

Un equip de científics del departament d’Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València participarà en l’observació de tres dels quàsars més brillants amb Radioastron, el radiotelescopi espacial rus de 10 metres posat en òrbita en juliol de 2011, i la combinació de tots els radiotelescopis terrestres de l’hemisferi Nord. El comité d’experts del radiotelescopi rus ha seleccionat aquest projecte, liderat per l’astrofísic Manel Perucho, com un dels destacats dins dels seus programes clau.Un quàsar és un tipus de galàxia llunyana amb un nucli actiu. Al seu centre s’hi troba un forat negre supermassiu, amb una massa de milions de masses solars. El gas i la pols present al seu voltant cau de manera espiral al forat negre i i en la seua caiguda forma una estructura toroidal (en forma de donut) al voltant de l’objecte massiu anomenat disc d’acreció. La interacció d’aquest material que cau amb l’intens camp magnètic del forat negre genera un parell de dolls perpendiculars al disc amb una velocitat pròxima a la velocitat de la llum. Per tant aquestes estructures s’han de tractar aplicant la teoria de la relativitat d’Einstein.

L’estudi que es realitzarà amb Radioastrom permetrà avançar en el coneixement de l’estructura interna d’aquests dolls o jets galàctics, els quals “són objectes molt potents que porten matèria i energia des del centre de les galàxies actives, on hi ha un forat negre supermassiu, fins a distàncies enormes, més enllà de la mateixa galàxia en què es formen”, segons afirma Perucho. En el projecte, completament finançat pel govern de Rússia, participen vint-i-sis científics que treballen en dotze institucions de set països.Radioastron té com objectiu l’observació d’aquests quàsars brillants per extraure’n informació precisa de la física dels dolls. La combinació de radiotelescopis permet obtindre una resolució espacial com si es disposara d’un radiotelescopi tan gran com la màxima distància entre els utilitzats. “Tenint en compte la participació d’un telescopi espacial, les observacions abastaran una precisió enorme en aquests objectes llunyans. Per a quàsars situats a milers de milions d’anys llum, el detall observat serà menor d’un any llum. Això és equivalent a observar una moneda a la Lluna”, assevera Perucho, qui participa en aquest projecte juntament amb altres investigadors del departament com ara Eduardo Ros, Petar Mimica i José María Martí.

Les observacions es produiran al llarg de la primavera de 2014, quan tots els radiotelescopis de l’hemisferi Nord i el radiotelescopi rus Radioastron apuntaran simultaniàment cap al seu objectiu durant unes hores. Durant aquest temps les antenes acumularan la llum que arriba dels quàsars per poder completar una imatge amb el major detall possible. Entre els objectius que observarà aquest radiotelescopi espacial es troben, a més dels quàsars, altres galàxies actives i els seus nuclis en què hi ha forats negres supermassius, regions de formació estel·lar i discos protoplanetaris, estels de neutrons o forats negres estel·lars.

Rellevància econòmica

Manel Perucho també destaca l’abast econòmic de la participació de la Universitat de València en Radioastrom. “Les observacions amb aquest instrument, juntament amb totes les antenes terrestres que es faran servir, tenen un impacte econòmic molt gran ja que el nostre grup podrà fer servir una infraestructura molt costosa -en aquest cas, resultat d’una inversió pública d’un altre país- amb un cost nul per a la nostra institució acadèmica”, argumenta l’astrònom.

Una de les línies d’investigació del Departament d’Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València és precisament la dels dolls extragalàctics relativistes, tant des d’un punt de vista teòric computacional com des d’una perspectiva observacional. Les simulacions numèriques proporcionen als astrònoms un laboratori per testar les teories sobre els processos físics que determinen l’evolució i les propietats dels dolls. Els efectes dels processos físics estudiats als ordinadors són contrastats després amb les observacions per tal de comprovar-ne la validesa i aplicabilitat a aquests objectes. L’estudi dels dolls no només és interessant en ell mateix com laboratori de física de plasmes relativistes, sinó que, a més poden tindre una influència cabdal en la pròpia evolució de la galàxia en què es formen.

Més informació:

Entrevista a Manel Perucho a Ràdio Universitat. Quàsars

http://www.asc.rssi.ru/radioastron/

http://www.asc.rssi.ru/radioastron/_files/bdescr2011_en.pdf

http://www.outerspacecentral.com/black_holes_page.html

Foto: Proves de funcionament de l’antena, de 10 m de diàmetre, a les instal·lacions de l’agència espacial russa, abans que aquest fóra posat en òrbita, el 18 de juliol de 2011.

 

Remirant la infantesa de l’Univers

La seu central de l’Agència Espacial Europea a Paris estava de gom a gom el passat dia 20 de març. Fins i tot es retransmetia en streaming a tot el món. La raó és que es donaven a conèixer les últimes dades obtingudes per la missió Planck sobre la radiació còsmica de fons i sobre les seues implicacions en el coneixement de la infantesa de l’Univers.L’interés dels europeus per cartografiar la primera llum que isqué lliure en l’Univers va començar els anys 90 amb la missió Cobras-Samba. Tanmateix els nord-americans es van avançar amb el satèl·lit Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), el 2003, que va augmentar la resolució del mapa de la radiació còsmica més antiga de l’Univers.

El projecte europeu es reconduí amb la missió Planck llançada el 2009, amb participació valenciana, amb l’objectiu d’augmentar la resolució de les mesures i confirmar o rebutjar algunes anomalies que s’havien detectat en la visió acceptada de l’Univers primitiu.

En els primers instants de l’Univers, després del Big Bang, a causa de l’alta temperatura, pressió i densitat, només hi havia una barreja de partícules, protons, electrons, fotons, etc…. No va ser fins que l’Univers es va expandir el suficient i la temperatura baixara fins uns 3000 K, quan els protons pogueren ajuntar-se amb els electrons per formar els primers àtoms d’hidrogen. Uns 380.000 anys després del principi, amb els primers àtoms creats, va ser llavors possible que els fotons de llum pogueren escapar-se sense lligaments i pogueren viatjar lliurement i omplir tot l’espai.

George F. Smoot i John C. Mather van guanyar el premi Nobel de Física l’any 2006 per detectar amb la sonda COBE, llençada el 1992, que aquesta radiació no és isòtropa i que pot ser una mica més o menys energètica depenent de la direcció d’on ve. Aquestes anisotropies de la radiació de fons serian les llavors per a la formació de les futures galàxies i cúmuls de galàxies. Podeu mirar l’apunt que vaig fer el 4 d’octubre del 2006 quan els van concedir el Nobel. Allí trobareu molt més detallada l’explicació de la implicació de les anisotropies sobre l’estructura del Univers. George F. Smoot mateix ens visità a finals del 2008 per inaugurar les activitats de l’Any Internacional de l’Astronomia en la Universitat de València.

A partir de la roda de premsa a Paris i sobretot de les desenes d’articles enviats simultàniament a la revista Astronomy and Astrophysics, els cosmòlegs estan entre decebuts i contents. Si per una banda els resultats donen a entendre que la teoria estàndard sobre l’origen i formació de l’Univers vigent fins ara no s’haurà de canviar i fins i tot s’ha reforçat, tampoc s’ha descobert cap fet espectacular que anime la recerca i la competència ferotge.

Com s’observa en la figura que publica el diari Le Figaro, comparant les tres missions que han estudiat la radiació còsmica de fons, la resolució angular ha augmentat força amb la missió Planck. Ara les anisotropies es poden veure amb molt més detall. Aquest mapa de variacions de temperatura és molt important ja té moltes implicacions en l’obtenció dels paràmetres fonamentals de l’Univers: velocitat d’expansió, edat, composició, etc…

La manera com s’obté aquesta informació es basa en la construcció de models matemàtics capaços reproduir la distribució de taques calentes i fredes del fons de microones. El truc és tractar de reproduir el mapa real amb una successió de mapes més senzills. Aquestes construccions matemàtiques són molt sensibles als paràmetres buscats i d’aquesta manera es poden trobar els valors que millor ajusten a les observacions obtingudes per Planck.

La conclusió d’aquest estudi és que el mapa de les anisotropies de temperatura de la radiació còsmica de fons que ens presenten els responsables de l’Agència Espacial Europea s’adiu millor amb una lleugera modificació d’alguns paràmetres fonamentals.

El ritme d’expansió de l’univers és ara de 67,3 (+/- 1,2) km/sec/Mpc, una mica menor que el que s’acceptava fins ara. Donada la relació de la velocitat d’expansió amb l’edat, l’Univers és ara un 100 milions d’anys més vell del que es pensava, arribant a 3.810 milions d’anys d’edat.

L’inventori còsmic del tipus de matèria present a l’Univers també ha canviat arran de les descobertes de la missió Planck. Amb les noves dades a la ma, es creu que l’Univers està composat per un 4,9% de matèria ordinària (estrelles, galàxies, sers vius…) un 26,8% de matèria fosca i “només” un 68,3% d’energia fosca. Sembla que estem de sort. La proporció de la matèria de la qual estem fets ha augmentat lleugerament.

Finalment s’ha confirmat que unes anomalies aparegudes en el mapa obtingut per WMAP i que es pensava que eren causades pels instruments han eixit també en els resultats de Planck dotat d’instruments més moderns i totalment diferents. Sembla que apareix una gran zona més calenta en la part inferior esquerra, massa gran per ser casual. De moment no té cap explicació i, ara mateix, els cosmòlegs es calfen el cap per traure-li el trellat dins de la teoria estàndar. Ara també podria ser un efecte causat pel mètode d’obtenció del mapa a partir de les dades dels detectors de la missió. Aquest procés de reducció de les dades, és, de fet, molt delicat..

Uns resultats brillants que confirmen la teoria vigent fins ara. De tota manera en continuarem parlant ja que les dades de la polarimetria de la radiació encara no s’ha publicat.

Foto 1: Mapa del fons de radiació còsmica de l’Univers. Planck, ESA, 2013.

Foto 2: Comparativa de les missions COBE, WMAP i Planck. Va augmentant la resolució. L’enfance de l’Univers vue par le satellite européen Planck, Le Figaro, 21 de març 2013.

Foto 3: La receta còsmica abans i després de Planck. Conexión casual.

Som pols d’estels

Som pols d’estels.

Des del nostre origen còsmic fins al final de tot

Divendres 16 de novembre a les 19:30h
Casa de Cultura Marqués de González de Quirós
Gandia, la Safor

Els humans ens deixem dur tan fàcilment per les rutines diàries, que no tenim temps de parar-nos a pensar d’on venim i cap a on anem. Considerem, inconscientment, que som uns privilegiats en un planeta acollidor, encara que de vegades rebel.

Tanmateix, molt abans que la vida aparegués a la Terra i l’evolució de les espècies es posés en marxa, l’univers ja havia evolucionat per produir els seus elements bàsics, en una fantàstica aventura còsmica, segons ens revelen les darreres recerques i descobriments dels astrònoms

L’hidrogen de l’aigua, l’oxigen de l’aire, el ferro de l’hemoglobina, el iode de la tiroides…, aquests i altres elements químics que necessita la vida humana es van cuinar en diversos escenaris astrofísics, des d’aquella llunyana Explosió Inicial fins a les esporàdiques supernoves, passant per la formació i evolució d’estrelles i galàxies.

La presència dels elements de la vida a tot arreu de la nostra galàxia, junt amb la descoberta de centenars de planetes al voltant d’estrelles semblants al Sol ens inviten a plantejar-nos si la vida al nostre planeta és l’excepció o està escampada per tota la Via Làctia. De moment estudiem les característiques d’aquests planetes i no tardarem a buscar les seues possibles biosferes.

Però res no és immutable. La nostra galàxia també sofrirà, a llarg termini, canvis que, inexorablement, comportaran el final del nostre planeta.

En la xerrada farem un recorregut per la història còsmica de l’univers, passada, present i fins i tot futura. En un viatge d’uns 20.000 milions d’anys podrem obtenir algunes respostes per contestar les eternes preguntes: d’on venim, cap a on anem i què ens depararà l’esdevenidor?

 

El telescopi espacial Hubble observa directament el disc d’acreció al voltant d’un forat negre

Un equip de científics, dirigits per José A. Muñoz del Departament d’Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València, ha utilitzat el Telescopi Hubble de la NASA/ESA per observar el disc d’acreció d’un quàsar – un disc brillant de matèria que està sent lentament xuclat pel forat negre central de la seua galàxia. L’estudi fa ús d’una nova tècnica que utilitza lents gravitatòries per donar un impuls enorme a la potència del telescopi. La increïble precisió del mètode ha permès als astrònoms mesurar directament el disc i conéixer la temperatura en diferents parts d’aquest.

Un equip internacional d’astrònoms ha utilitzat una nova tècnica per estudiar el disc brillant de matèria que envolta un forat negre llunyà. Usant el telescopi Hubble de la NASA/ESA, combinades amb l’efecte de lent gravitatòria de les estrelles en una galàxia llunyana [veure 1, al final], l’equip va mesurar la grandària del disc i estudiar els colors (i per tant la temperatura) de les diferents parts d’aquest. Aquestes observacions mostren un nivell de precisió equivalent a la detecció dels grans individuals de sorra en la superfície de la Lluna.

Mentre que els forats negres són per se objectes invisibles, les forces que provoquen causen alguns dels fenòmens més brillants de l’Univers. Els quàsars – abreujament d’objectes quasi-estel·lars – són discos brillants de matèria que orbiten al voltant de forats negres supermassius, escalfant-se i emetent radiació extremadament brillant.

El disc d’acreció d’un quàsar té una mida típica d’uns pocs dies-llum, o d’uns 100 mil milions quilòmetres de diàmetre, però es troben a milers de milions d’anys llum de distància. Això significa que la seua mida aparent, vist des de la Terra és tan petita que probablement mai tindrem un telescopi prou potent com per veure la seua estructura directament“, explica José Muñoz, el científic principal en aquest estudi.

Fins ara, la petita mida aparent dels quàsars havia fet que la major part del nostre coneixement de la seua estructura interna s’havia basat en l’extrapolació teòrica, en lloc de l’observació directa.

L’equip, per tant, utilitza un mètode innovador per estudiar el quàsar: les estrelles d’una galàxia intermèdia fan de microscopi d’escombrat per observar trets en el disc del quàsar que d’una altra manera seria massa petits per veure. A mesura que aquestes estrelles es mouen a través de la llum del quàsar, els efectes gravitatoris amplifiquen la llum de diferents parts del quàsar, donant informació detallada del color d’una línia que creua a través del disc d’acreció (veieu el vídeo).

L’equip va observar un grup de quàsars distants, la llum dels quals va ser desviada per l’alineació casual d’altres galàxies situades en primer pla, produint diverses imatges del quàsar.

Els membres de l’equip van veure les subtils diferències de color entre les imatges i els canvis de color que es van dur a terme durant el temps de les observacions. Part d’aquestes diferències de color es deuen a les propietats de la pols en les galàxies que intervenen: la llum procedent de cadascuna de les imatges del quàsar ha seguit un camí diferent a través de la galàxia, de manera que els diferents colors contenen informació sobre el material dins de la galàxia. El mesurament de la manera i l’extensió de com la pols dins de la galàxia bloqueja la llum (coneguda pels astrònoms com la llei d’extinció) a aquestes distàncies és en si mateix un resultat important de l’estudi.

Per a un dels quàsars que van estudiar, però, hi ha indicis clars que les estrelles en la galàxia intermèdia passaven pel camí de la llum del quàsar [2]. Igual que l’efecte gravitacional degut a la galàxia sencera doblega i amplifica la llum del quàsar, de la mateixa manera ho poden fer les estrelles dins de la galàxia intermèdia que subtilment corben i amplifiquen la llum procedent de diferents parts del disc d’acreció al seu pas pel camí de la la llum del quàsar.

Mitjançant el registre de la variació en el color, l’equip va ser capaç de reconstruir el perfil de color a través del disc d’acreció. Això és important perquè la temperatura d’un disc d’acreció augmenta com més a prop està del forat negre i els colors emesos per la matèria calenta és més blava com més calenta siga. Això va permetre a l’equip mesurar el diàmetre del disc de matèria calenta, i representar com de calenta està a diferents distàncies del centre.

L’equip va trobar que el disc és d’entre quatre i onze dies-llum de diàmetre (aproximadament de 100 a 300 mil milions de km). Encara que aquesta mesura mostra una gran incertesa, segueix sent una mesura molt exacta d’un objecte petit a una distància tan gran, i el mètode té un gran potencial per a una precisió major en el futur.

Aquest resultat és molt rellevant perquè implica que ara són capaços d’obtenir les dades d’observació de l’estructura d’aquests sistemes, en lloc de basar-se només en la teoria“, diu Muñoz. “Les propietats físiques dels quàsars encara no estan ben enteses. Aquesta nova possibilitat d’obtenir mesures observacionals està, per tant, obrint una nova finestra per ajudar a comprendre la naturalesa d’aquests objectes.

Notes

El Telescopi Espacial Hubble és un projecte de cooperació internacional entre la ESA i la NASA.

L’estudi, titulat “A study of gravitational lens chromaticity with the Hubble Space Telescope“, apareixerà en la revista Astrophysical Journal de  l’1 de desembre . L’equip internacional d’astrònoms es compon de: José Antonio Muñoz (Universitat de València), E. Mediavilla (Instituto de Astrofísica de Canarias), CS Kochanek (Ohio State University, EUA), EE Falco (Centre Harvard-Smithsonian Center for Astrofísica , EUA) i Ana Maria Mosquera (Universitat de València i Ohio State University, EUA).

[1] La gravetat corba l’estructura de l’espai-temps, i per tant desvia els raigs de llum. Quan l’alineació és correcta, amb un objecte directament darrere d’un altre, la gravetat de l’objecte en primer pla “doblega” la llum com ho fa una lent òptica, un procés conegut com lent gravitatòria. Les lents gravitatòries es caracteritzen per produir múltiples imatges distorsionades dels objectes distants.

Els efectes més cridaner de la lent gravitatòria és l’amplificació i distorsió de la llum de galàxies distants, ja que la llum passa a través de cúmuls massius de galàxies.

Aquest efecte també es produeix a menor escala, amb les galàxies a una distància intermèdia que doblega i distorsiona la llum de quàsars distants, produint imatges múltiples que són visibles a través de la galàxia lent.

Les estrelles individuals també poden fer de lent, encara que aquest efecte, anomenat microlent gravitatòria, és molt més subtil i només pot ser detectat mesurant com l’efecte de lent augmenta la brillantor de la font.

Aquest estudi fa ús de l’efecte de microlent gravitatòria d’estrelles d’una galàxia en primer pla per estudiar el disc d’acreció d’un quàsar situat darrere d’ella. També s’utilitza la interacció de la llum quàsar i l’efecte de lent gravitatòria per explorar el contingut de gas i pols de les galàxies intermèdies.

[2] La galàxia lent en què es va observar aquest fenomen se l’anomena [WKK93] G, el quàsar es diu HE 1104-1805.

Imatge: Aquesta imatge mostra un quàsar, la llum del qual ha estat doblegat i distorsionat per una galàxia en el primer pla, que pot veure’s com una forma dèbil al voltant de les dues imatges del quàsar.

L’observació d’una de les imatges mostra variacions de color al llarg del temps. Això és causat per estrelles de la galàxia lent que creuen el camí de la llum del quàsar, amplificant la llum de diferent parts del disc d’acreció del quàsar a mesura que es mouen. Això ha permés a un equip de científics reconstruir el color i el perfil de temperatura del disc d’acreció amb una precisió sense precedents. El nivell de detall aconseguit és equivalent a estudiar grans individuals d’arena en la superfície de la Lluna observant des de la Terra.

Crèdit de la foto:

NASA, ESA i J.A. Muñoz (Universitat de València)

i del vídeo:

NASA, ESA, L. Calçada

Text a partir de la nota de premsa del Hubble Space Telescope.

 

L’expansió accelerada de l’univers mereix el Nobel de Física d’enguany

Nobel Fisica 2011

No és fàcil mesurar distàncies a l’Univers. De fet llevat dels planetes i estels pròxims que es calculen per mitjà de mètodes geomètrics, el càlcul, ni que fos aproximat de la llunyania d’una nebulosa o galàxia, no va ser possible fins el treball abnegat i callat d’Henrietta Swan Leavitt que descobrí les estrelles cefeides i la seua utilitat per determinar distàncies.

Aquest descobriment fonamental per a l’astronomia va permetre, per primera vegada, determinar la grandària correcta de la nostra galàxia i l’existència d’altres galàxies separades, com la d’Andròmeda. Amb l’ús de les cefeides, Edwin Hubble va poder determinar la distància de milers de galàxies i a més, l’any 1929, va descobrir un fet sorprenent: quan més lluny es troba una galàxia més sembla allunyar-se de nosaltres. Un fet que plasmà en l’anomenada Llei de Hubble i que portà rapidàment a la idea d’un origen més comprimit i més dens de l’Univers en un passat llunyà.

Si les galàxies s’expandeixen vol dir que abans estan juntes i que ha hagut una gran explosió, o Big Bang, en expressió sorneguera de Fred Hoyle i que ha fet fortuna.Si bé la teoria de l’expansió està totalment acceptada, a finals dels anys 70, el descobriment de la rotació peculiar de les galàxies espirals va portar al descobriment de l’anomenada matèria fosca, una matèria desconeguda, sense emissió de llum però amb massa que és capaç de frenar la rotació esperable de les galàxies. L’Univers tenia, a més de matèria ordinària, lluminosa i massiva, una part no menyspreable d’un tipus de matèria estranya amb massa.

L’any 1998, però, els treballs de dos grups d’astrònoms diferents, un d’ells liderats per Saul Perlmutter (el Supernova Cosmology Project) i altre per Brian Schmidt (>High-Z supernova Research Team), en el que Adam G. Riess té un paper important, portaren a un descobriment sensacional.

Els equips es dedicaven a estudiar la lluminositat d’explosions d’estels en galàxies molt llunyanes, les anomenades Supernoves tipus Ia. Recordant el que he dit al principi, aquest tipus d’explosions estel·lars pot ser utilitzat com a patró de lluminositat per a calcular distàncies a galàxies molt remotes. La sorpresa de tots dos equips, de manera independent, va ser observar que aquestes supernoves llunyanes brillaven aproximadament un 25% menys del que s’esperava. L’única explicació possible era que les estrelles estaven realment molt més lluny del que semblava.

Aquest fet, entés dins de la teoria estàndar del Big Bang, indica clarament que l’univers no només s’expandeix sinó que a més a més està accelerat. I el causant d’aquesta acceleració és una força de repulsió, una mena d’antigravetat que separaria els components de l’univers. Aquesta seria el que s’anomena energia fosca, una energia que s’associa a l’espai buit i que actua com la constant cosmològica que predir Einstein. L’energia fosca ni brilla ni té massa però dóna compte del 70% del contingut total de matèria i energia i seria, per tant, la component dominant de l’univers.

Ben donat està doncs el Nobel de Fisica d’enguany. Bons són aquells reconeixements per als que obrin nous camins de la ciència. I ausades que aquests ho han fet.

Imatge: Saul Perlmutter, posant en front d’una imatge d’una supernova. Mesurant la brillantor d’un gran nombre de supernoves tipus 1a en galàxies llunyanes Perlmutter, Schmidt i Riess van ser capaços de mostrar que l’Univers s’expandeix més ràpidament del que es pensava abans. Crèdit: Lawrence Berkeley National Laboratory. De la web Optics.org

Arquitectura còsmica, l’univers al laboratori

arquitectura

Tant a la Terra com a l’espai, avui en dia, disposem dels telescopis més avançats. Les nostres observacions són més detallades i el nostre coneixement més precís. Però, malgrat els avanços, l’astronomia té un problema. No és una ciència experimental com ho puga ser la química. El procés de validació dels models proposats per a explicar una observació no pot ser reproduït als laboratoris.

Tanmateix, aquesta mancança s’ha anat esmenant darrerament. No podem reproduir un forat negre al laboratori, ni fer explotar un estel com a supernova, per raons de les escales implicades, en conseqüència, tractem de fer-ho virtualment. Si som capaços de fer mons virtuals en les consoles, per què no reproduir l’evolució de l’univers en conjunt?

Per això cal una simulació del fenomen astrofísic que ens interessa. Mitjançant l’ús de sofisticats programes o codis numèrics, es construeix una xarxa tridimensional en la que cada punt té associats els valors de temperatura, pressió, velocitat… i es fa evolucionar en el temps.
La simulació aconseguida serà bona si reprodueix les observacions i, encara més, si prediu fenòmens no observats. Les simulacions astrofísiques, per tant, esdevenen d’aquesta manera, un laboratori virtual on testejar els resultats obtinguts amb els telescopis.

Aquestes simulacions necessiten utilitzar superordinadors amb milers de processadors. Un càlcul típic pot utilitzar la capacitat de milers d’ordinadors domèstics i durar dies o setmanes.

La Universitat de València compta amb un potent grup d’Astrofísica i Cosmologia computacional al departament d’Astronomia i Astrofísica. A la Fundació Valenciana d’Estudis Avançats (Pintor López, 7, València), alguns dels seus membres explicaran les seues troballes, tots els dijous fins a Falles, en un cicle de conferències coordinat pel catedràtic José Maria Ibáñez. El pròxim 10 de febrer, el professor Vicent Quilis parlarà de la formació i evolució de l’Univers i de les tècniques usades per a realitzar les complexes simulacions cosmològiques així com també dels resultats obtinguts.

Imatge: Procés de transformació d’una galàxia. Vicent Quilis.

La ciència del 2011 segons Nature

Ciencia 2011

La revista Nature ha publicat les previsions dels possibles descobriments en ciència aquest any que avui comença. He seleccionat, per comentar-les, les relacionades amb l’astronomia i l’exploració espacial. Tant de bo que aquestes es compleixen en aquest 2011 tant com els vostres desitjos. Molt bon any a tots…

Aquell bosó de Higgs. La partícula de Higgs que segons els físics teòrics explicaria l’existència de la massa de les partícules (i d’això ja en parlarem quan es descobresca, que és ben curiós) no serà segurament encara descoberta en el colisionador LHC del CERN a Ginebra però potser en l’estudi dels milions de Terabytes de dades recollides fins ara es troben les primeres proves de la supersimetria, per la qual tota partícula en té una altra supermassiva, encara no descoberta.

Materia fosca, l’hora de la veritat D’aquell 25% de la matèria de l’Univers que no brilla però que saben que existeix al voltant de les galàxies per les pertorbacions gravitatòries que provoquen, no en saben quasi res. Que si són neutrinos massius, partícules exòtiques no trobades encara als nostres laboratoris terrestres (CERN, p.e.), que si matèria fosca calenta o freda. S’han fet milers de propostes però no sabem del cert que és la matèria fosca. Però ara, diversos experiments subterranis, com el XENON100 a l’italià Laboratori Nacional del Gran Sasso prop de L ‘Aquila, i el Cryogenic Dark Matter Search (CDMSII) en la Minnesota’s Soudan Mine estan caçant partícules de matèria fosca i esperen treure els primers resultats per al 2011.

Altra Terra. La sonda Kepler continua investigant exhaustivament una zona prop de la constel·lació del Cigne. Els caçadors de planetes prediuen que, amb Kepler, aquest any es trobarà el primer planeta tipus Terra orbitant una estrella tipus Sol. Els investigadors d’aquesta sonda llançada el 2009 ja han observat centenars de planetes però encara no han donat a conèixer totalment els seus resultats.

L’últim dels transbordadors L’últim vol dels space-shuttle de la NASA està previst per al mes d’abril. Aquest lliurarà l’Espectrometre Magnètic Alpha (AMS) a l’Estació Espacial Internacional amb la missió de buscar matèria fosca i antimatèria. Si el Congrés americà no n’autoritzà un altre vol per al novembre, es tancarà definitivament l’era dels transbordadors espacials. Han resultat molt més cars del previst, no són tan reutilitzables com es pensava i han resultat ser bastant perillosos. Dues naus amb les seues tripulacions (Challenger 1986 i Columbia 2003) han estat destruïdes. La NASA pretén usar transports privats a partir d’ara. Si el segon llançament de prova del Dragon, la nau desenvolupada per l’empresa SpaceX, té èxit, el llançament de una nau privada amb tripulació o càrrega es podria realitzar ben aviat.

Explorant el Sistema Solar. En el mes de març, la nau Messenger, que ja ha fet dues visites al planeta Mercuri, es posarà finalment en òrbita al seu voltant. En agost la sonda Dawn orbitarà Vesta, un dels majors membres del cinturó d’asteroïdes. Enguany també es llançaran la missió Juno, que orbitarà en uns anys els pols jovians, la missió Grail, dues naus bessones preparades per estudiar detalladament el camp gravitatori lunar i el robot de la grandària d’un cotxe Mars Science Laboratory, que substiturà l’exitosa missió dels robots bessons Opportunity i Spirit que des del 2004 continuen explorant la superfície marciana. Tot un èxit de la ciència i la tecnologia.

Estudiant la nosta nau Els investigadors de GOCE, un satèl·lit de la ESA designat per mesurar amb molt de detall el camp gravitatori terrestre, publicaran els seus primers resultats enguany. Com que la Terra no és una esfera perfecte ja que, de manera basta podem dir que presenta bonys i depressions, el coneixement exacte d’aquestes irregularitats ens permetrà saber millor la pujada del nivell del mar per efecte del canvi climàtic.

Veurem que es compleix de tot això. I cal recordar que milers de laboratoris arreu del món, telescopis, sondes, astrònoms i doctorants continuen treballant en els seus projectes. Segur que ens donen algunes bones notícies. Bon any a tots.Foto: Peter Higgs, Físic emèrit de la Universitat d’Edimburg que ha proposat el bosó que explicaria la massa.

L’inventari còsmic

Inventari

La matèria que forma el nostre cos, el nostre planeta, el Sol, les estrelles del firmament i els núvols de gas i pols que poblen la nostra Galàxia estan fetes d’àtoms. De fet, la major part és hidrogen i heli que es troba en les estrelles, però sobretot en el medi interestel·lar i intergalàctic. Els elements més pesats que apareixen en la taula periòdica (oxigen, nitrogen, carboni, silici, ferro…) són solament una petita fracció del total de la matèria d’aquest tipus, que podríem anomenar matèria ordinària. Aquests elements pesats es van formar en l’interior de les estrelles com a conseqüència de les reaccions termonuclears que es produeixen en el seu si. Van ser expulsats al medi interestel·lar en les últimes fases de la vida de les estrelles o en explosions com les supernoves, i es van reciclar per a formar noves generacions d’estrelles, potser amb sistemes planetaris on ja estaven els elements indispensables per a la vida. Són molt importants per a nosaltres, però poc rellevants en l’inventari còsmic. De fet, les observacions cosmològiques actuals apunten que en l’univers solament el 5% seria matèria ordinària, altre 25% seria un tipus de matèria ben distinta al que coneixem i la naturalesa de la qual segueix sent un misteri, la matèria fosca. Els grans acceleradors de partícules, com el LHC en el CERN, la busquen i potser, algun dia, la troben. Més estrany encara resulta el concepte d’energia fosca, que contribueix amb un 70% al total i seria, per tant, la component dominant del contingut de matèria i energia de l’univers.

Vicent Martinez, El inventario cósmico, Levante EMV, 16 d’octubre 2010.

Viatge per l’Univers conegut

De l’Imatge Astronòmica del Dia ja n’he parlat en alguna ocasió. La web ens presenta cada dia una imatge d’algun fet astronòmic, el qual és comentat per un astrònom professional. Mirant les imatges diàriament podem seguir l’actualitat del cel, els descobriments més importants i els vídeos més espectaculars. A més a més ja fa anys que la feina constant de Joan Gironès ens ha permès tindre una versió en català.

L’altre dia es va presentar un vídeo produït per l’American Museum of Natural History en el que podem viatjar en uns quants minuts per l’Univers conegut. Aquesta animació recorda el mític viatge de les potències de deu, “Powers of Ten”. Ara aquesta moderna animació mostra molts dels moments destacats d’un viatge per l’Univers on s’hi poden veure els darrers descobriments astronòmics. El vídeo comença a la Serralada de l’Himalaia de la Terra i aleshores la nau que ens transporta s’allunya mostrant, primerament les òrbites dels satèl·lits de la Terra, la nostra estrella el Sol, una vista ràpida del Sistema Solar. Passem ràpidament una esfera que representa l’extensió que abasten els primers senyals de ràdio generats per la humanitat, la qual es troba ja a uns 100 anys llum. Ens allunyem de la nostra galàxia, la Via Làctia, veiem el grup local de les galàxies properes, les galàxies distants i els quàsars, que són galàxies actives. Finalment s’arriba al límit que poden abastar els nostres detectors, la frontera del distant fons còsmic de microones, la primera llum
que va ser emesa 380 000 d’anys després del Big Bang i que,  des d’aleshores, ha viatjat lliurement per l’Univers.

Mireu-lo i gaudiu, a una velocitat moltes vegades la de la llum, d’un viatge de 6 minuts per l’Univers.