GW190521: col·lisió inesperada de forats negres

Crèdits de la il·lustració: Raúl Rubio (Virgo Valencia Group, The Virgo Collaboration)

Avui a Astronomy Picture of the Day, (apod.cat, versió en català), una pàgina diària de divulgació de la NASA, es parla de la col·lisió de forats negres GW190521 i la imatge que ho il·lustra és la que va proporcionar el grup de la Universitat de València, el Valencia Virgo Group. Aquesta pàgina és una de molt de prestigi arreu del món.


Com es formen els forats negres com aquest?
Els dos forats negres que es movien en espiral per produir l’esdeveniment d’ones gravitacionals GW190521 no només eren els forats negres més massius mai observats fins ara pels detectors LIGO i VIRGO, sinó que les seves masses (66 i 85 masses solars) eren inesperades i sense precedents. Se sap que els forats negres de massa inferior, per sota d’unes 65 masses solars, es formen en explosions de supernoves. En canvi, es creu que els forats negres de massa superior, per damunt de 135 masses solars, són creats per estrelles molt massives que implosionen després d’haver consumit els elements que produeixen la fusió nuclear. Encara no se sap com van arribar a existir aquests forats negres de massa intermèdia, tot i que una hipòtesi sosté que són el resultat de col·lisions consecutives d’estrelles i forats negres en densos cúmuls estel·lars.
La il·lustració mostra els forats negres just abans de la col·lisió, amb fletxes que indiquen els seus eixos de rotació. Les ones espirals indiquen la producció de radiació gravitacional, mentre que les estrelles circumdants subratllen la possibilitat que la fusió es produís en un cúmul estel·lar.
La fusió de forats negres GW190521, observada l’any passat però provinent d’una època en què l’Univers tenia només la meitat de la seva edat actual (z ~ 0,8), és la més llunyana detectada fins ara.

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

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

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.

L’energia nuclear sense mites

Per a gran part de la població l’energia nuclear té mala fama. El seu ús militar amb les bombes atòmiques llançades sobre Hiroshima i Nagasaki ara fa 75 anys ha ajudat molt a bastir aquesta visió negativa, i molt més encara amb la guerra freda amb potències nuclears que disposaven (i encara disposen) de milers de míssils nuclears apuntant-se mutualment. Dit d’una altra manera, l’energia de l’àtom fa por.

Cal recordar que l’energia nuclear és un procés físic d’emissió espontània o artificial d’energia causada per algun procés de modificació de l’estructura d’un nucli atòmic, anomenat reacció nuclear. La natura és així, ens agrade o no. Vivim envoltats de processos nuclears (el Sol, els raigs còsmics, la radioactivitat del granit de les nostres cuines, alguns aliments…), als quals la vida en la Terra s’ha adaptat al llarg del procés de l’evolució. És el que s’anomena radioactivitat natural. Per això ha estat un avanç fonamental comprendre com funcionen aquests processos i, en la mesura del possible, tractar d’aprofitar-los per al benestar de la humanitat.

Tanmateix l’aprofitament de l’energia nuclear per a ús civil, aplicada a la medicina, a la investigació científica i més concretament a la producció d’energia elèctrica en centrals nuclears pateix molts dels estigmes (ben merescuts) de les aplicacions militars. Moltes vegades se’ls veu complementaris i fins i tot es posen en el mateix sac.

Parlant específicament de les centrals nuclears, una visió racional del tema, fugint d’afirmacions sense base científica ni tècnica, és necessària per allunyar-se  dels tòpics que se solen associar a l’ús civil de l’energia nuclear: cara. perillosa, innecessària i amb interessos ocults.

A més a més hi ha multitud de mites que s’associen de manera repetitiva a les centrals nuclears: que poden explotar com una bomba atòmica, que serveixen per construir armes atòmiques, que viure prop d’elles produeix càncer, que no hi ha tractament dels residus, que aquests contaminen l’entorn durant milers d’anys, etc…

Les centrals nuclears són perilloses, és cert. Però també ho és qualsevol empresa química o un emmagatzematge de productes fertilitzants. Recordem l’explosió d’una empresa a la petroquímica de Tarragona o l’explosió del port de Beirut, tots dos casos de fa només unes setmanes.

Com en els casos ressenyats, una gestió deficient de qualsevol instal·lació industrial  pot portar al desastre. I respecte a les centrals nuclears l’experiència de Txernòbil és l’exemple més clar. El deficient disseny de la central, les proves realitzades sense supervisió i la caòtica gestió posterior van ser, segurament, una de les causes de l’enfonsament pocs anys després de la Unió Soviètica. Recomane que veieu la minisèrie Chernobyl on tot això es veu de manera meridiana.

La bona gestió i manteniment d’una indústria ha de ser, per tant, la prioritat màxima per a que aquesta siga acceptada per la societat. I sembla que les centrals nuclears són especialment sensibles a aquest tema.

Però és que a més a més, l’ús de l’energia nuclear per produir electricitat és molt més segura que la utilització de combustibles fòssils, al contrari del que creu la gent. Si mirem les fantàstiques gràfiques del OurWorldinData ens assabentarem que és quasi tan segura com l’energia eòlica (punxeu la figura si voleu veure-ho més gran).

I en temps d’emergència climàtica, l’interès per la descarbonització de la societat és a hores d’ara màxima. Cal baixar de manera ràpida l’emissió de gasos d’efecte hivernacle. Per això es pretén omplir les muntanyes de parcs eòlics i les zones rurals de parcs fotovoltaics. Els problemes mediambientals no seran menors. S’obriran nous camins per zones naturals, es posaran llums als molins, es perdran terres de conreu. El conflicte està assegurat. Però tot té un preu.

I quin paper pot jugar l’energia nuclear en la lluita contra l’esclafament global? Juntament amb les energies renovables pot ajudar a reduir la dependència dels combustibles fòssils, ja que una vegada construïdes, ja no emeten diòxid de carboni a l’atmosfera. Molts pensen que l’energia nuclear serà, per tant, una solució necessària per salvar el món.

Amb aquesta idea Alfredo García, supervisor de la central d’Ascó, i divulgador científic, ha escrit l’interessant assaig,

La energía nuclear salvará el mundo, Derribando mitos sobre la energía nuclear. Planeta, 2020,

Alfredo García, conegut com a @OperadorNuclear a Twitter, amb un llenguatge amè i molt didàctic, desmunta totes les fal·làcies i mites al voltant de l’energia nuclear. Comença explicant que és això de la radioactivitat, sempre tan mal compresa, per passar ràpidament a detallar-nos el funcionament d’una central nuclear, aturant-se en tots els processos que s’hi fan, amb el problema dels residus i el futur de les noves centrals de quarta generació. La gran contribució de les centrals nuclears en la salvació del món (un planeta tal com el coneixem ara), és el tema de les darreres pàgines del llibre. I, perquè tot quede més clar encara, els ensenyaments del llibre no són només opinions de l’autor sinó que estan fonamentats en la seua llarga experiència en el treball supervisant les tasques a realitzar en la central en la que treballa sinó en l’abundant literatura científica i tècnica a l’abast de qui la vullga estudiar, una part de la qual podem veure en la bibliografia que clou el llibre.

En temps de pandèmia, fake news i pseudociències, l’opinió sobre qualsevol assumpte d’interès públic ha d’estar fonamentada en textos dels experts i en la literatura científica. Sense aquest bagatge intel·lectual previ que qualsevol pot adquirir per estudis o a través de bona divulgació científica, el ciutadà no serà realment lliure per expressar les seues opinions i prendre les accions que corresponguen.

Alfredo García amb aquest llibre ha contribuït a elevar el coneixement sobre l’energia nuclear i el seu aprofitament per a la generació d’energia elèctrica.

Ah! amb unes precioses il·lustracions realitzades pel seu fill Álvaro.

Un objecte misteriós es fusiona amb un forat negre

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.

El forat negre de la galàxia M87

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.

Tot esperant desvelar l’aspecte d’un forat negre

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

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.

De com un forat negre s’engul un estel i no li agrada

Per primera vegada els astrònoms han observat directament la formació i l’expansió d’un doll de matèria ejectat des d’un forat negre supermassiu després que destruïra un estel que va gosar aproximar-se massa al monstre còsmic.

Al gener de 2005 es va detectar en el nucli de la galàxia Arp 299-B, situada a uns 150 milions d’anys llum de la Terra, i en procés de xoc amb una altra galàxia, un brillant esclat de llum que en aquell moment es va considerar causat per una explosió d’un estel supernova. No obstant això, 10 anys continuats d’observacions en diferents longituds d’ona han permès descartar aquesta primera hipòtesi ja que s’ha pogut presenciar com la regió lluminosa s’allargava i s’expandia al llarg dels anys. S’ha conclòs finalment que el fenomen lluminós cal relacionar-lo més bé amb la formació d’un doll de material expulsat pel forat negre supermassiu central de la galàxia després d’estripar una estrella. Els resultats de l’estudi, liderat pels investigadors Seppo Mattila, de la Universitat de Turku (Finlàndia) i Miguel Pérez Torres, de l’Institut d’Astrofísica d’Andalusia (IAA-CSIC), i on també participen Petar Mimica i Miguel Ángel Aloy, investigadors del Departament d’Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València, es publiquen avui a la revista ‘Science’.

Segons els científics, el descobriment va ser una sorpresa. L’esclat inicial de llum infraroja fou observada dins d’un projecte més ample per detectar explosions supernova, en Arp 299, un parell de galàxies en col·lisió, en les quals s’han vist nombroses supernoves i, per això, se l’anomena la “factoria supernova”. Per això, l’esclat de llum fou considerat com una explosió estel·lar més. Tanmateix sis anys després, el 2011, les observacions usant ones de ràdio mostraven una imatge allargada, ben diferent a una imatge circular típica de l’expansió del material d’una supernova. Els anys següents, fins i tot, el monitoratge de l’objecte mostrà que l’objecte lluminós no només continuava allargassat sinó que fins i tot creixia. Aquestes observacions van permetre determinar que el material en el doll es movia a una velocitat d’uns 75.000 quilòmetres per segon (un quart de la velocitat de la llum). Estava clar que allò observat era un doll expulsat des d’un objecte compacte com un forat negre després que aquest estripara, destruïra i s’engolira un estel sencer amb una massa equivalent a dos Sols.

Només s’han detectat un nombre reduït d’aquestes morts estel·lars, anomenades esdeveniments de disrupció de marea (TDE) , ja que l’estel és estirat pel forat negre fins a trencar-se, tot i que els científics han plantejat la hipòtesi que poden ser un esdeveniment molt comú. Els astrònoms teòrics han conclòs que el material extret de l’estrella condemnada forma un disc giratori al voltant del forat negre, emet raigs X intensos així com llum visible, i, a continuació forma uns immensos dolls de material calent cap a fora des de les zones polars del monstre còsmic a gairebé la velocitat de la llum.

La majoria de les galàxies alberguen en les seues regions centrals forats negres supermassius, que contenen fins a milers de milions de vegades la massa del Sol. Es tracta d’objectes amb un camp gravitatori tan intens que ni la llum pot escapar, i mostren una estructura típica composta per un disc de gas i pols, l’anomenat disc d’accreció, que absorbeix el material del seu entorn.  En els casos en què el forat negre es troba actiu, es forma també un parell de dolls de partícules a velocitats relativistes que emergeixen dels pols. Aquest fenomen d’ejecció de dolls és molt comú en ràdio-galàxies, quàsars i genèricament en el Nuclis Actius de Galàxies. AGNs.

No obstant això, els forats negres supermassius passen una gran quantitat de temps sense devorar res, pel que no estan particularment actius. Els esdeveniments de disrupció per marea, com l’ocorregut en Arp299-B, ens ofereixen una oportunitat única per estudiar el veïnatge d’aquests poderosos objectes”, explica Miguel Pérez-Torres. I afegeix Seppo Mattila que pel fet que les regions centrals de les galàxies contenen molta pols, que absorbeix la llum en raigs X i òptic, “és possible que aquests successos siguen molt més habituals però que han passat desapercebuts”.

Més informació:

S. Mattila, M. Pérez-Torres, A. Efstathiou, P. Mimica, M. Fraser, E. Kankare, A. Alberdi, M. Á. Aloy, et al. A dust-enshrouded tidal disruption event with a resolved radio jet in a galaxy merger. Science. DOI: 10.1126/science.aao4669


Nota de premsa de la Universitat de València

Nota de premsa del National Radio Astronomy Observatory

Nota de premsa del Joint Institute for VLBI ERIC

Imatge:

1.- Una imatge artística de l’esdeveniment de disrupció per marea (TDE) a Arp 299-B. A la dreta es veu com la gran gravetat del forat negre supermassiu atrapa l’estrella, n’estira el material cap al disc d’acrecció i llança un raig de partícules cap a l’exterior. A l’esquerra es veu la imatge del conjunt de les galàxies en col·lisió Arp 299 obtinguda pel telescopi espacial Hubble. Sophia Dagnello, NRAO / AUI / NSF; NASA, STScI

2.- Gif animat que mostra l’expansió de la regió emissora en ràdio del nucli d’Arp 299-B on l’estrella va ser destrossada per un forat negre supermassiu. L’expansió indica que el jet de partícules es mou cap a l’exterior. Mattila, Perez-Torres, et al .; Bill Saxton, NRAO / AUI / NSF

Estudiar els fenòmens atmosfèrics violents des de l’espai

Els fenòmens associats a les tempestes que ocorren a l’atmosfera terrestre encara no estan compresos totalment. Els raigs, llamps i trons en són els trets més característics però aquests es produeixen en la baixa atmosfera. Però des de l’espai, des de fa anys, s’observen altres fenòmens fins i tot més violents que no s’entenen encara. Per tractar d’explicar el problema global de les tempestes, dilluns passat, dia 2, es llançà  la missió ASIM (The Atmosphere Space Interactions Monitor) per instal·lar-se a l’exterior de l’Estació Espacial Internacional (ISS). La Universitat de València lidera aquest projecte de ciència de l’atmosfera.

L’objectiu principal de la missió ASIM és estudiar la correlació (mateix lloc, mateix temps) entre els esdeveniments lluminosos transitoris (TLE, Transient luminous events, per les seues inicials en anglès) i els flaixos terrestres de raigs gamma (TGF, Terrestrial gamma ray flashes) que es produeixen a l’atmosfera superior per sobre de les tempestes.

Els esdeveniments lluminosos transitoris (TLE) són descàrregues d’energia electromagnètica en l’atmosfera superior, molt per sobre del que observem des de la superfície terrestre. Els TLE inclouen sprites o espectres vermells, dolls blaus i follets (i molts més), encara que els més comuns són els sprites. Els TLE es produeixen per sobre de les tempestes, la qual cosa significa que mentrestant els raigs s’activen en la baixa atmosfera.

L’sprite és una descàrrega elèctrica que es produeix per sobre dels núvols cumulonimbe en tempestes intenses en la part de l’atmosfera anomenada mesosfera. Per sota té una estructura tipus filamentosa blava que pot assolir 30 quilòmetres d’alçada i en la seva part superior forma una espurna lluminosa vermell-ataronjada.

Els flaixos de raigs gamma terrestres (Terrestrial gamma-ray flashes o TGFs en anglès) són esclats de raigs gamma produïts en l’atmosfera de la Terra. Els TGFs registrats duren ben poc, entre 0,2 i 3,5 mil·lisegons, però poden presentar energies de fins a 20 MeV. Els científics també han detectat emissions de positrons i electrons energètics. Probablement són causats per intensos camps elèctrics produïts per sobre o a l’interior de grans tempestes elèctriques però el seu origen no està clar.

L’objectiu principal de la missió ASIM és estudiar la correlació (mateix lloc, mateix temps) entre els esdeveniments de llum transitòria (TLE) i les flaixos de raigs gamma terrestres (TGF). Això s’aconsegueix amb els dos instruments, un instrument òptic per observar els TLE i un detector d’altes energies de raigs X i raigs gamma per observar els TGF. Els dos instruments implementen algorismes d’activació avançats per a la identificació d’aquests esdeveniments.

Producció hipotètica de flaixos de raigs gamma terrestres (TGF) propers a un raig impulsat per ones electromagnètiques irradiades per un gran pols de llum.

La Universitat de València participa en la missió espacial ASIM, per analitzar els fenòmens violents de l’atmosfera. El professor d’Astronomia de la Universitat de València Víctor Reglero dirigeix l’equip internacional que ha dissenyat aquest instrument de recerca espacial. ASIM ha sigut desenvolupat durant dotze anys per equips danesos, noruecs i de l’estat espanyol.

Un conjunt de 40 persones dels camps de la recerca i les tecnologies de la Universitat de València, la Universitat Politècnica de Catalunya, l’Institut d’Astrofísica d’Andalusia-CSIC i l’Institut Nacional de Tècniques Aeroespacials (INTA) amb diverses empreses, entre les quals destaquen Aciturri i Iberespacio de Madrid i Vacuum Projects i Alcupla de València han realitzat un treball intens per desenvolupar l’instrument principal MXGS (els sistemes òptics).

Aquests treballs continuen la tradició de disseny de missions científiques de la Universitat de València començats el 1992 amb LEGRI (Low Energy Gamma Ray Imager) com a part de la plataforma MINISAT-01 llaçada l’abril de 1997, amb la missió d’Alta Energia Integral (2002) de l’Agència Espacial Europea i Uffo en el satèl·lit rus Lomonosov (2016). Un element clau de la missió actual ASIM ha sigut el disseny, fabricació i qualificació per a vol dels sistemes òptics d’Alta Energia (Màscares Codificades) de MXGS.

ASIM arribà a l’Estació Espacial Internacional en un vehicle de transport SpaceX Dragon després d’haver estat llançat per un coet Falcon de Spacex des de Cap Canyaveral (EUA) el passar el 2 d’abril.

Una vegada arribat a l’estació s’instal·larà ASIM en la seua ubicació, a l’exterior i l’extrem del mòdul europeu Columbus en una operació delicada pels seus tres-cents quilos de pes que exigixirà l’ús del braç robòtic i l’eixida d’astronautes, i que durarà una setmana en gravetat zero, i finalment s’encendrà.

Es preveu que els instruments a bord d’ASIM estiguen operatius uns dos anys, que seran dos anys de treball d’operacions i anàlisis al Centre de Dades, que tindrà seus compartides a la Universitat de Dinamarca, a la Universitat de Bergen a Noruega i a la Universitat de València, al Campus de Burjassot-Paterna.

Imatges:

1.- Logo del projecte ASIM.
2.- Representació de fenòmens elèctrics en l’alta atmosfera. Wikipèdia Commons.
3.- Un sprite sobre Laos, vist des de l’Estació Espacial Internacional. Imatge de la NASA cortesia de Jeff Schmaltz, MODIS Rapid Response Team, Goddard Space Flight Center. Text de Michon Scott.
4.- Com les tempestes envien partícules a l’espai. NASA/Goddard Space Flight Center. Part d’una sèrie d’imatges de l’esdeveniment.
5.- Producció hipotètica de flaixos de raigs gamma terrestres (TGF) propers a un raig. Wikipèdia Commons.

Primera detecció d’ones gravitatòries de la col·lisió de dos estels de neutrons… i l’origen de l’or a la Terra

Per primera vegada, els científics han detectat de forma directa i simultània ones gravitatòries – ondulacions en l’espai-temps – i la llum provinent d’una col·lisió espectacular de dues estrelles de neutrons. Això constitueix la primera vegada que d’un esdeveniment còsmic observat en ones gravitatòries, s’ha descobert al mateix temps la seua contrapartida òptica i la radiació d’alta freqüència emesa. D’aquesta manera, finalment, hem pogut “veure” exactament d’on provenen els senyals observats. A més s’ha pogut explicar l’origen dels metalls pesats com l’or.

El descobriment ha estat realitzat utilitzant l’Observatori d’Ones Gravitatòries per Interferometria Làser (LIGO, per les sigles en anglès) situat als EUA, el detector Virgo situat a Europa, i uns 70 observatoris terrestres, 7 d’ells espacials. La coordinació mundial de milers de científics durant setmanes per monitoritzar el mateix fenomen ha permès aquest resultat espectacular.

Dos anells de casament. Origen: col·lisió de dos estels de neutrons. Wikipedia

El 17 d’agost de 2017, astrònoms de tot el món van ser avisats d’una observació d’ones gravitatòries registrada pels detectors LIGO avançat i per Virgo avançat. Aquest esdeveniment d’ones gravitatòries, conegut ara com GW170817, semblava ser el resultat de la fusió de dues estrelles de neutrons. La idea era captar en els primers moments els senyals emesos per la font astrofísica utilitzant telescopis capaços de recollir llums de longituds d’ona diferent, des d’ones de ràdio fins a raig gamma, passant per les ones de llum visibles.

Ondulacions de la gravetat, esclats de llum (4:17)

El 17 d’agost de 2017, LIGO) i Virgo van detectar, per primera vegada, ones gravitatòries a partir de la col·lisió de dues estrelles de neutrons. L’esdeveniment no només va ser “escoltat” en ones gravitatòries, sinó que també es va veure la llum captada per dotzenes de telescopis a terra i a l’espai. (Crèdit: LIGO-Virgo)

Menys de dos segons després del senyal GW170817, el satèl·lit Fermi de la NASA va observar un esclat de raigs gamma, conegut ara com GRB170817A, i en els minuts següents a aquestes deteccions inicials, desenes de telescopis al voltant del món van començar una extensa campanya d’observació.

El telescopi Swope a Xile va ser el primer a informar sobre una font òptica brillant (SSS17a) en la galàxia NGC 4993 i altres grups addicionals van detectar de forma independent el mateix senyal transitori durant els següents minuts i hores. Durant les setmanes següents, els astrònoms van observar aquesta galàxia amb instruments sensibles en tot l’espectre electromagnètic. El conjunt d’aquestes observacions proporcionen ara una visió exhaustiva d’aquest esdeveniment cataclísmic començant aproximadament 100 segons abans de la fusió dels estels de neutrons fins a diverses setmanes després. Les observacions avalen la hipòtesi que dos estels de neutrons es van fusionar en la galàxia NGC 4993, situada a 130 milions d’anys llum de distancia – produint ones gravitatòries, un esclat de raigs gamma de curta durada i una kilonova. L’esdeveniment GW170817 marca una nova era en l’astronomia de multi-missatgers, on el mateix esdeveniment és observat amb ones gravitatòries i electromagnètiques.

Els estels de neutrons són els estels més petits i densos coneguts. D’una massa d’una estrella mitjana, el seu diàmetre és d’uns 20 km. Per això són tan densos que una sola cullereta de café de la seua matèria pesa mil milions de tones.

Es formen quan estrelles més massives exploten en forma de supernoves. Quan dues estrelles de neutrons orbiten una al voltant de l’altra, el sistema perd energia en forma d’ones gravitatòries i, per tant les dues estrelles orbiten de forma espiral estant condemnades a unir-se de forma catastròfica després de mil·lennis. En el cas observat, a mesura que l’òrbita de les dues estrelles de neutrons girava en forma d’espiral, el sistema binari emetia ones gravitatòries que van ser detectades durant uns 100 segons abans del col·lapse. Al xocar, amb una velocitat prop de la tercera part de la velocitat de la llum, es va emetre un gran esclat de llum en forma de raigs gamma observat a la Terra uns dos segons després de la detecció de les pròpies ones gravitatòries.

En els dies i setmanes posteriors a la col·lisió, altres formes de llum o radiacions electromagnètiques – incloent raigs X, ultraviolada, òptica, infraroja i ones de ràdio – van ser també detectades. Les observacions han donat als astrònoms una oportunitat sense precedents per a investigar la col·lisió de dues estrelles de neutrons. Per exemple, les observacions realitzades per l’observatori Gemini d’Estats Units, l’European Very Large Telescope i el Hubble Space Telescope revelen traces de materials recentment sintetitzats, incloent or i platí, desxifrant el misteri no resolt durant dècades sobre on es produeixen aproximadament la meitat de tots els elements químics més pesats que el ferro.

A la Universitat de les Illes Balears hi ha un grup que col·labora amb Ligo (LIGO@UIB) des de fa temps mentre que a la Universitat de València el  Valencia Virgo Group participa en la Col·laboració Virgo des de l’1 de juliol del 2016. Enhorabona als dos grups.

Més informació:
Imatges:

1.-Col·lisió cataclísmica. Il·lustració artística de dues estrelles de neutrons xocant. La quadrícula de l’espai-temps ondulant representa les ones gravitatòries que surten de la col·lisió, mentre que les bandes estretes mostren les ràfegues de raigs gamma disparats pocs segons després de les ones gravitatòries. També es representen els remolins de material expulsat de les estrelles que xoquen. Els núvols de gas brillen amb longituds d’ona visibles i d’altres tipus de llum més energètica. NSF/LIGO/Sonoma State University / A. Simonnet.

2.-Primers fotons òptics de la font d’ones gravitatòries. Imatges òptiques i infraroges del telescopi Swope i Magellan de la primera contrapart òptica d’una font d’ones gravitatòries, SSS17a, a la seua galàxia, NGC 4993. La imatge esquerra és del 17 d’agost de 2017, 11 hores després de la detecció de LIGO-Virgo, i conté els primers fotons òptics detectats de la font. La imatge a la dreta és de quatre dies més tard, quan SSS17a, les conseqüències d’una fusió d’estrelles de neutrons, es va esvair significativament i el seu color es va tornar molt més vermell.1M2H / UC Santa Cruz i Carnegie Observatories / Ryan Foley.

3.- Representació artística d’un estel de neutrons sobre la badia de San Francisco. Observeu que petita és. Més informació. NASA.

4.-GW170817: esdeveniment global d’astronomia. Un mapa dels aproximadament 70 observatoris òptics que detectaren l’esdeveniment GW170817. El 17 d’agost de 2017, els detectors LIGO i Virgo van observar ones gravitatòries causat per dues estrelles de neutrons en col·lisió. Els telescopis òptics a tot el món van observar les seqüeles de la col·lisió en les hores, dies i setmanes següents. Van ajudar a identificar la ubicació de les estrelles de neutrons i van identificar signes d’elements pesats, com l’or, en el material expulsat de la col·lisió. LIGO-Virgo