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