La frontera del cel

La frontera del cel
Tot allò que et cal saber
sobre Tot-el-que-hi-ha
Roberto Trotta

Vicent J. Martínez (Director de la col·lecció), Laura Pérez (Disseny de la coberta), Javier Pérez Belmonte (Disseny de la col·lecció), Ofèlia Sanmartín (Correcció lingüística)-

Editorial: Institució Alfons el Magnànim – Centre Valencià d’Estudis i d’Investigació

La pandèmia causada pel patogen SARS-CoV-2 ha ajornat molts dels nostres projectes vitals des de fa sis mesos. Qui ho diria que un virus invisible a l’ull humà, només detectable amb sofisticats procediments bioquímics, siga capaç de fer inviable la nostra vida tal com la coneixíem fins ara. Però si el més ínfim ens condiciona l’existència, el més gran ens l’ha condicionada des de sempre. L’Univers en què estem immersos ha permés la vida al nostre planeta i fins i tot que una espècie arribe a fer-se preguntes sobre el cosmos i sobre ella mateixa. D’on prové la matèria de la qual estem compostos? Com és de gran l’Univers? Com es mouen les galàxies? Preguntes senzilles en aparença, la resposta de les quals ha dut a les grans troballes de l’astrofísica moderna.

Les dades aportades per la missió espacial Planck determinaren que només el 5% de la matèria de l’Univers és matèria ordinària, protons, neutrons, electrons, etc, partícules de què estan fets tots els objectes visibles de l’univers: cúmuls galàctics, galàxies, estrelles, planetes, humans i fins i tots el maleït SARS-CoV-2.

Però ara sabem que existeix una matèria que no fa llum i que espenta les estrelles, com va descobrir l’extraordinària astrònoma nord-americana Vera Rubin en observar com de ràpides es mouen les estrelles en la perifèria de les galàxies espirals. Aquesta matèria no visible estructura i modula els moviments del gas i de les estrelles en les galàxies i el moviment de les galàxies en els cúmuls de galàxies.

Les dades de Planck ens diuen que aquesta matèria contribueix al 27% del contingut de l’Univers. Però que és aquesta matèria fosca? Quin són els seus elements? Com es comporta? L’explicació a aquestes preguntes encara no ha aconseguit el consens dels científics. A més, les idees subjacents no són fàcils d’entendre.

Roberto Trotta, investigador de l’Imperial College de Londres, ha tractat d’explicar totes aquestes qüestions al públic en general, de la manera més senzilla possible, en l’obra The Edge of the Sky, i ho fa amb una mena d’experiment semàntic, només amb l’ús de les 1000 paraules més freqüents en anglés.

Roberto Trotta

Molta de la divulgació científica actual és, de fet, massa tècnica. Els científics tracten d’explicar el que fan, però moltes vegades no són capaços de rebaixar el nivell massa especialitzat del llenguatge utilitzat per por de no ser prou rigorosos. D’aquesta manera només s’arriba a la gent avesada al llenguatge científic, però gran part de la població en queda exclosa.

Amb l’experiment de Trotta l’aventura per descobrir la matèria fosca es fa més assequible, fins i tot més divertida. Permet acostar-se al públic no tècnic, no especialment avesat a llegir llibres de ciència, i interessar-lo pel gran misteri d’una matèria que no interacciona amb la matèria visible, la comprensió de la natura de la qual serà, n’estic segur, una revolució científica en un futur pròxim.

La versió valenciana de l’obra, La frontera del cel, ha estat editada per la Institució Alfons el Magnànim, en Urània, la nova col·lecció de divulgació científica en la qual és el primer llibre. En una obra tan peculiar en què es juga amb la llengua d’una manera tan primmirada, l’elecció del traductor, l’astrofísic David Galadí-Enríquez, ha estat tot un encert. Amb només 720 paraules, amb la llicència d’acceptar variacions morfològiques normals en una llengua llatina com la nostra, la seua missió no ha estat només traduir sinó adaptar l’obra original. Una tasca dura però de segur que ha estat intel·lectualment estimulant per al traductor. I el resultat final ha estat una obra de lectura fluïda, divertida i sovint poètica, que reflecteix fidelment les pretensions de l’autor.

En aquest experiment radical i, per tant arriscat, d’explicació de la creació, estructura, present i futur de l’univers i sobretot de l’inventari del tipus de matèria i energia present, incloent-hi l’encara més enigmàtica energia fosca, el 68% restant del contingut de l’univers, s’han usat exclusivament paraules del llenguatge comú, sense fer us de cap paraula tècnica. No cerqueu doncs partícules, supersimetria, electrons, inflació, expansió o galàxia, sinó d’altres més usuals que no revelaré per a que el lector les interprete com crega. Que el lector en traga l’aigua clara serà un èxit de l’autor però també del traductor.

Una astrònoma en la seua talaia d’observació de l’Univers, un gran telescopi situat en un lloc remot, amb les seues vivències i pensaments fa de fil conductor de l’obra. Aquest fet li dona un context existencial i filosòfic que s’adiu molt bé amb el propòsit d’aquest llibre, fer comprendre que sabem alguna cosa del món que ens envolta però que si fem les preguntes adequades ens adonem que realment no en sabem pràcticament res. Aquest llibre de ciència juga amb la llengua, de vegades és molt poètic, però sobretot fa pensar, tot reforçat per les fantàstiques imatges de la il·lustradora Laura Pérez, realitzades especialment per a la versió valenciana.

L’univers, Tot-el-que-hi-ha, és molt més gran del que qualsevol humà és capaç d’imaginar i conté misteris que tot just comencem a albirar. La cosa més sorprenent, però, és el fet que el podem entendre, al cap i a la fi. Aquest llibre us ajudarà a caminar cap a la seua comprensió.

Enric Marco
Departament d’Astronomia i Astrofísica
Universitat de València

La frontera del cel. Publicat a Posdata Levante-EMV 24 d’octubre 2020

 

Com detectar la matèria fosca?

Tenim una visió molt simplificada de l’Univers. En veure les belles imatges que ens proporciona el telescopi espacial Hubble pensem en el cosmos format per estrelles, planetes, nebuloses de gas, galàxies i cúmuls de galàxies. L’Univers és bell i comprensible. I amb els àtoms d’aquesta matèria generada en l’interior de les estrelles s’ha creat la vida.

Tanmateix l’Univers és molt més que tot això. Existeix una matèria que no brilla però que interacciona gravitatòriament amb la matèria ordinària de la qual estem formats. D’ella no en sabem pràcticament res, només que no brilla i per això, amb molta imaginació, se l’anomena matèria fosca.

Les dades proporcionades per la missió Planck van determinar que la contribució de la matèria fosca a l’inventari de matèria i energia de l’Univers és realment notable, ja que representa un 27% del total. De fet les partícules i àtoms que formen la matèria ordinària de la que estem fets tots nosaltres només abasta prop d’un 5%.

La matèria visible ordinària constitueix només una petita quantitat de la composició de l’univers. L’energia fosca, una entitat misteriosa que accelera l’expansió de l’univers, domina, seguida de la matèria fosca, material invisible que exerceix un estirada gravitatòria. Crèdit: NIST

Va ser la notable astrònoma nord-americana Vera Rubin la qui, en observar el moviment d’estrelles i nebuloses de la galàxia d’Andròmeda, descobrí que aquests objectes giren més ràpidament del que s’esperaria si, com passa al sistema solar, la major part de la massa es concentrara en el centre. Els objectes celestes situats en la perifèria de les galàxies espirals com la Via Làctia o la galàxia d’Andròmeda giren com si existira una matèria invisible que les empeny amb una força gravitatòria.

Existeix, per tant, una matèria no visible que estructura i modula els moviments del gas i de les estrelles en les galàxies i el moviment de les galàxies en els cúmuls de galàxies. Encara no sabem de què està feta aquesta misteriosa matèria però d’alguna forma Vera Rubin va eixamplar l’Univers. Mereixia el premi Nobel de Física i ha estat una injustícia que no li’l donaren.

Aquesta matèria que no brilla, fosca per tant, està formada per partícules, objectes o alguna cosa amb massa però fins ara no s’ha pogut esbrinar de que es tracta. És un dels grans misteris de l’astrofísica moderna. Una matèria fantasmal que empeny però que no es deixa atrapar.

Des de que es descobrí la matèria fosca l’any 1970 moltes han estant les propostes per explicar l’estranya matèria. Però totes han anant caient davant les evidències observacionals: forats negres estel·lars, planetes flotant lliures. etc… Els físics de partícules, per la seua banda, han proposat l’existència d’una nova partícula molt massiva, anomenada WIMP (partícula massiva amb interacció feble), que va ser el candidat principal per explicar la matèria fosca durant més de dues dècades. Tanmateix aquesta hipotètica partícula, si realment existeix, encara no ha estat descoberta.

Per això els científics del National Institute of Standards and Technology (NIST) dels Estats Units han pensat que seria més efectiu detectar alguna senyal de l’elusiva matèria fosca si realment mesuren l’única propietat que saben que realment té, la força gravitatòria causada per la seua massa.

A la recerca d’evidències directes, els investigadors del NIST han proposat utilitzar una matriu 3D de pèndols com a detectors de força, que podrien detectar la influència gravitatòria de les partícules de matèria fosca que passen entre elles. Quan una partícula de matèria fosca està a prop d’un pèndol suspès, el pèndol s’ha de desviar lleugerament a causa de l’atracció d’ambdues masses. Tanmateix, aquesta força és molt petita i difícil d’aïllar del soroll ambiental (partícules de l’ambient, raigs còsmics, microsismes, variacions de pressió i temperatura, etc.) que fa moure el pèndol. Per aïllar millor les deflexions de les partícules que passen, els investigadors del NIST proposen utilitzar una matriu de pèndols. El soroll ambiental afecta cada pèndol individualment i fa que es moguen de forma independent. No obstant això, les partícules que passen per la matriu produiran deflexions consecutives dels pèndols (mireu el vídeo). Com que aquests moviments estan correlacionats, es poden aïllar del soroll de fons, revelant quanta força subministra una partícula a cada pèndol i la velocitat i direcció de la partícula de matèria fosca.

Daniel Carney, un físic teòric de NIST i col·laboradors calculen que aquest mètode pot trobar partícules de matèria fosca amb una massa mínima aproximada de la meitat que la d’un gra de sal, o aproximadament mil milions de milions de vegades la massa d’un protó.

Com que l’única incògnita de l’experiment és la massa de la partícula de matèria fosca, no com s’uneix a la matèria ordinària, “si algú construeix l’experiment que suggerim, trobarà matèria fosca o descartarà tots els candidats a la matèria fosca en un ampli ventall de possibles masses “, ha dit Carney. L’experiment seria sensible a partícules que oscil·len entre aproximadament 1 / 5.000 d’un mil·ligram i uns quants mil·ligrams.

Aquest experiment amb pèndols extremadament sensibles té similituds amb els detectors d’ones gravitatòries LIGO i Virgo encara que no serien tan costosos ni difícils de fer.  Només cal que alguna institució s’interesse i s’hi troben els fons necessaris. Espere que no triguem massa en poder veure-ho en funcionament.

Més informació:

A Billion Tiny Pendulums Could Detect the Universe’s Missing Mass

Vera Rubin, la dona que veié allò invisible

110115-media-rubin

Aquests dies de Nadal ens ha deixat una gran astrònoma, Vera Cooper Rubin. Poc coneguda fora de l’àmbit de les ciències del cel, aquesta científica de 88 anys va fer un dels descobriments més importants del segle XX: la demostració clara de l’existència de la matèria fosca. Encara que s’ha especulat els darrers anys perquè es creia que podia guanyar el premi Nobel de Física, la seua mort ara ho fa impossible. Per cert, ja fa 53 anys que no se li atorga a cap dona.

Vera nasqué el 1928 a Filadèlfia (EEUU), però als 10 anys es desplaçà a viure a Washington DC. Allí s’apassionà per l’astronomia i hi passà hores mirant pel seu telescopi ben esperonada pel seu pare, un enginyer elèctric d’origen lituà.

Era ben estrany que una dona pretenguera fer una carrera de ciències en els anys quaranta, però ella ho aconseguí en graduar-se l’any 1948 en Vassar College, una universitat per a dones a l’estat de Nova York, en la qual l’astrònoma Maria Mitchell fou la primera professora. Com li passà a Maria Mitchell 100 anys abans, Vera també va tindre grans dificultats per continuar els estudis científics. Precisament l’exemple de l’astrònoma Mitchell l’encoratjà a lluitar per aconseguir-ho.

La idea inicial de Vera va ser continuar la formació amb el màster d’astronomia de la Universitat de Princeton, però no fou acceptada perquè fins al 1975 no permeté dones en el programa d’estudis graduats d’Astronomia.

Vassar-Homepage-20110714.jpg

Vera, però, no es desanimà i es matriculà en un màster de Física en la Universitat Cornell, també de l’estat de Nova York, amb grans professors com Philip Morrison, Richard Feynman i Hans Bethe. El 1954 es doctorà a la Universitat de Georgetown, de Washington DC, sota la direcció de George Gamow, l’astrònom que va predir un origen explosiu per a l’Univers, el que coneixem com a Big Bang.

Amb la tesi esbrinà la forma en què es distribuïen les galàxies en l’Univers. Estaven repartides a l’atzar, de manera homogènia o seguien algun patró determinat? La ferramenta estadística que desenvolupà per a analitzar els centenars de milers de galàxies registrades fins aleshores la portaren a conjecturar que les galàxies tendeixen a concentrar-se en certes zones amb enormes buits entre elles. Aquesta forma d’organitzar-se la matèria no fou acceptada en el seu moment, però s’ha vist totalment confirmada posteriorment i, de fet, és la base actual de l’estructura a gran escala de l’Univers.

Tanmateix la recerca que la féu famosa s’esdevingué quan es traslladà a la Carnegie Institution for Science de Washington DC, on començà a col·laborar amb W. Kent Ford, Jr. (1931). L’interés de tots dos era esbrinar com giren les estrelles al voltant de les galàxies espirals. Ford Jr. havia desenvolupat un espectrògraf molt sensible que permetia mesurar la velocitat de les estrelles en funció de la seua distància al centre de les galàxies.

keplerian_orbit_lblEn el Sistema Solar la majoria de la massa es concentra en el Sol. Per tant, els planetes giren cada vegada més lentament al seu voltant a mesura que s’hi troben més lluny. Mercuri gira més ràpid que Mart i aquest més que Neptú. Si els planetes llunyans giraren més ràpid s’escaparien. Aquest tipus de gir reflecteix la distribució de matèria en el Sistema Solar, en què gran part de la massa es troba al centre i ben poca a l’exterior. Aquest gir rep el nom de rotació kepleriana.

La pregunta que es feien Rubin i Ford Jr. era si en les galàxies espirals la gràfica de les velocitats orbitals de les estrelles també tindria el mateix aspecte, és a dir, si tindria un perfil keplerià. De fet, en les galàxies espirals passa com en el Sistema Solar: en el centre de la galàxia (el bulb) es troba concentrada gran part de la massa galàctica i aquesta massa va disminuint a mesura que ens allunyem del centre. Era d’esperar, doncs, una corba similar.

Andromeda_Galaxy_(with_h-alpha)Per començar l’estudi s’elegí la Gran Galàxia d’Andròmeda, per ser la més pròxima i, per tant, la més fàcil per poder aïllar els objectes individuals. I en lloc d’usar estrelles com a marcadors de la corba s’utilitzaren nebuloses de gas d’hidrogen ionitzat (HII) i associacions estel·lars OB. La feina era feixuga, ja que es van fer els espectres de 67 nebuloses de gas a distinta distància del centre galàctic. Després va caldre, a partir d’ells, determinar les velocitats orbitals.

Rubin-Ford-ApJ1970Els resultats obtinguts i publicats l’any 1970 en l’article Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions van ser tota una revolució. La corba de les velocitats orbitals de les nebuloses d’emissió HII d’Andròmeda no era en absolut de forma kepleriana, sinó que era molt més complicada. Era veritat que prop del nucli galàctic les velocitats disminuïen ràpidament, però a partir de certa distància les velocitats de les nebuloses augmentaven i la corba tendia a ser més aviat plana. Aquest estrany comportament es pensà al principi que era una peculiaritat d’Andròmeda però, ben aviat, les mesures de velocitat en altres galàxies demostraren que era una característica de totes les galàxies espirals.

¿Què pot fer que les velocitats d’estrelles i nebuloses siguen cada vegada més grans a mesura que ens allunyem del centre d’una galàxia? Vera Rubin postula que l’única possibilitat és que existisca una matèria que no brille però que tinga massa i, per tant, interactue gravitatòriament amb la massa visible exterior fent que aquesta gire més ràpidament.

M33_rotation_curve_HI

Encara que uns altres astrònoms ja havien especulat amb la massa invisible o perduda de les galàxies, va ser Vera Rubin qui va descobrir, sense cap mena de dubte, que la matèria visible no és l’única matèria de l’Univers. Existeix un altre tipus de matèria no visible que estructura i modula els moviments del gas i de les estrelles en les galàxies i el moviment de les galàxies en els cúmuls de galàxies. Encara no sabem de què està feta aquesta misteriosa matèria però d’alguna forma Vera Rubin va eixamplar l’Univers. Mereixia el premi Nobel de Física i ha estat una injustícia que no li’l donaren.

Nombrosos mitjans de comunicació i científics d’arreu del món lamenten la mort de Vera Rubin i la vergonya que no se la considera per al Nobel de Física. Només dues dones l’han guanyat. Un article del Washington Post pregunta: It’s been 53 years since a woman won the Nobel Prize in physics. What’s the holdup? (Han passat 53 anys des que una dona guanyà el premi Nobel de Física. Quina és la causa del retard?)

L’existència de la matèria fosca ha revolucionat completament el nostre concepte de l’univers i tot el nostre camp; els esforços en curs per entendre el paper de la matèria fosca han generat subcamps sencers dins de la física de partícules i de l’astrofísica en aquest moment“, comenta Emily Levesque, una astrònoma de la Universitat de Washington a Seattle, a Astronomy.com. “La voluntat d’Alfred Nobel descriu el premi de Física com el reconeixement del “descobriment més important en el camp de la física“. Si la matèria fosca no s’ajusta a aquesta descripció, no sé que ho farà.”

Més informació:

Figures:
1.- Vera Rubin
2.- Vera Rubin com a estudiant al Vassar College. Vassar College.
3.- Rotació kepleriana de les velocitats orbitals dels planetes del Sistema Solar. . The Rotation Curve of the Milky Way. PennState University.
4.- Galàxia d’Andròmeda. Wikimedia Commons.
5.- Velocitats de rotació de les asociacions OB en M31. Article Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions. Rubin i Ford Jr. 1970.
6.- Corba de rotació de la galàxia espiral M33 (punts grocs i blaus amb barres d’error) i la corba kepleriana predita a partir de la distribució de la matèria visible (línia blanca). La discrepància entre les dues corbes s’explica per l’addició d’un halo de matèria fosca que envolta la galàxia. Wikipedia Commons.