El misteri dels raigs gamma, més a prop de resoldre’s
En els anys 60, unes misterioses emissions esporàdiques i molt curtes de raigs gamma escalfaven el cap dels militars al càrrec dels satèl·lits espies nord-americans que escrutaven les planes soviètiques en busca d’explosions nuclears. Les emissions d’aquesta radiació tan energètica que produeixen les bombes atòmiques no venien de baix, com s’esperava, sinó de dalt. De fet arribaven al detector per darrere. Alguna cosa passava a l’espai i de moment no tenia explicació. Aquesta troballa es va mantindre en secret ja que donar-la a conéixer revelaria també l’existència dels satèl·lits espia i la tecnologia que feien servir.
Ara, acabada la guerra freda, múltiples equips investigadors observen les emissions i tracten d’explicar-les amb costoses simulacions als ordinadors més grans del món. Un equip, en el qual participa un investigador del meu departament, explica les explosions com a resultat de la col·lisió entre dues estrelles de neutrons, en el moment en que es transformen en forat negre.
La nota de premsa que ha enviat la Universitat de València per publicitar aquests resultats ho descriu tot molt bé. A més s’ha fet un vídeo on es veu gràficament el que s’explica.
La col·lisió d’estrelles de neutrons produeix potentíssims centelleigs de llum gamma i també ones gravitatòries en l’espai que, tot i haver estat predites per Einstein, no havien estat encara detectades.
La seua comprensió ens acostaria, possiblement, a les claus d’una inesgotable font d’energia procedent de l’acreció de forats negres. Un equip internacional d’investigadors que treballa amb Miguhttp://blocs.mesvilaweb.cat/marco/wp-admin/users.phpel A. Aloy (Universitat de València), acaba d’aportar resultats molt valuosos per a donar resposta a aquest enigma de l’astrofísica.
(A la web de YouTube teniu també la transcripció en anglés del que es conta al vídeo. Punxeu en Visualitza la descripció completa)
La col·lisió d’estrelles de neutrons dóna lloc a potentíssims centelleigs de llum gamma. Durant una fracció de segon, una erupció de rajos gamma és tan lluminosa com totes les estrelles visibles des de la Terra, i produeix ones gravitatòries en l’espai que ja van ser predites per Albert Einstein, en la seua Teoria de la Relativitat, però que fins a avui no han pogut ser detectades. L’amplitud, durada i forma específica d’aquestes ones és un enigma, doncs, per a la ciència. La seua comprensió ens acostaria, possiblement, a les claus d’una inesgotable font d’energia procedent de l’acreció de forats negres. El treball que apareix publicat avui ‘en Astrophysical Journal Letters’, per l’equip internacional d’investigadors de Miguel A. Aloy (Universitat de València), aporta resultats molt valuosos i noves eines per a prosseguir i dur a bon terme les investigacions en aquest camp de l’astrofísica.
Aquestes explosions han desconcertat als científics durant anys: es tracta de centelleigs de llum gamma en els quals arriba a alliberar-se més energia en una fracció de segon que la que produeixen totes les estrelles visibles en aqueix mateix període de temps. Què és el que causa aquestes explosions? Un equip internacional de científics, en el qual treballa el professor de la Universitat de València Miguel A. Aloy, està un pas més aprop de resoldre l’enigma. En els còmputs realitzats durant sis setmanes en els superordenadors de l’Institut Max-Planck de Física Gravitacional, els investigadors van simular com la fusió de dues estrelles de neutrons amb camps magnètics menuts forma un forat negre envoltat per un torus d’acreció calent. En aquest procés, un camp magnètic extraordinàriament intens amb estructura de doll es forma al llarg de l’eix de rotació. Aquest camp magnètic és crucial per a entendre el procés de la generació d’erupcions de rajos gamma de curta durada: del caos que resulta després de la col·lisió, es forma una estructura ordenada, un doll de plasma d’enorme energia en el qual els rajos gamma de curta durada poden produir-se. (Astrophysical Journal Letters, 2011).
La primera erupció de rajos gamma va ser observada per casualitat. A la fi dels anys 60, un satèl·lit espia americà que estava cercant proves d’assajos de bombes atòmiques sobre la terra, va detectar la primera erupció de rajos gamma (ERG). No procedia de la Terra, sinó de l’espai exterior. Entre 1991 i la data de finalització de la seua missió al juny 2000, el satèl·lit americà Compton va registrar al voltant d’una ERG al dia- encara que la causa d’aquestes gegantesques explosions cosmològiques seguia sent un misteri.
Abans d’aquest treball ja es pensava que la fusió d’estrelles de neutrons era un fet propici per a generar ERG de curta durada. No obstant això, els científics no eren capaços d’explicar que el caos resultant de la fusió d’aquestes estrelles ultra compactes, amb ràdios d’uns 20 quilòmetres i summament denses, es podia produir a partir d’un corrent de plasma -un doll- orientat al llarg de l’eix de rotació. Aquests dolls són un ingredient essencial en la formació de les erupcions de raigs gamma. L’enigma a resoldre era, per tant, com podia la força impulsora d’aquest procés crear una estructura ordenada, a través de la qual canalitzar l’enorme energia alliberada pel procés d’acreció de matèria sobre forats negres en rotació. Per a situar al lector, cal dir que l’acreción és el mecanisme de conversió d’energia més eficient que es coneix. Pot arribar a convertir quasi el 30% de la massa en energia. Per comparança, menys d’un 0.6% de la massa es converteix en energia durant la fusió de nuclis d’hidrogen en el cor de les estrelles.
Miguel A. Aloy, investigador principal de l’European Research Councill Starting Independent Grant CAMAP en la Universitat de València, ha estat treballant amb el grup internacional de científics que ha trobat una possible explicació per a les erupcions de rajos gamma de curta durada (poden durar fins a 3 segons). L’equip va resoldre les equacions d’Einstein i les equacions de la magnetohidrodinámica per a dues estrelles de neutrons que arriben a fusionar-se donant lloc a un forat negre, i van deixar que la simulació seguira per un període de temps molt més llarg després de la formació del mateix.
El que van descobrir va ser que, inicialment, es forma un anell de matèria calenta amb un camp magnètic relativament feble envoltant el forat negre resultant, el qual rota sobre el seu eix a velocitats molt properes a les de la llum. El moviment de rotació d’aquest sistema inestable genera un camp magnètic ordenat, que és summament poderós, sent la seua intensitat d’uns 1015 Gauss al llarg de l’eix de rotació.
Per a fer-nos una idea de la increïble magnitud d’aquest camp magnètic, es pot dir que és 1016 (10,000,000,000,000,000) vegades més intens que el camp magnètic de la Terra. Ací radica la importància d’aquest nou resultat: s’ha demostrat, per primera vegada, que es pot formar una estructura al voltant de l’eix de rotació del sistema, a través de la qual, plasma extraordinàriament calent procedent dels voltants del forat negre és llançat a l’espai. És més, la citada estructura és clau perquè el plasma ejectat siga col·limat i forme sengles dolls en els quals es produeix la radiació gamma que dóna lloc a una ERG de curta durada.
“Aquesta és la primera vegada que hem estudiat el procés sencer des de la fusió de les estrelles de neutrons fins a la formació dels dolls”, ha afirmat Luciano Rezzolla, un dels membres de la col·laboració internacional de l’Institut Max-Planck de Física Gravitacional (Golm, Alemanya). “Açò suposa un gran pas avant perquè abans no sabíem com era possible crear l’ordre necessari perquè les ERG es crearen a partir del caos regnant després del naixement del forat negre”, assenyala Miguel A. Aloy. Mitjançant un esforç computacional considerable, els científics van engegar una simulació durant el doble del temps normal, completant els seus càlculs en unes sis setmanes. La simulació completa mostra el que passa en només 35 mil·lisegons.
“Ara hem alçat un vel important, que estava amagant el motor central de les ERG i hem oferit una connexió entre el model teòric i les observacions, en mostrar que una estructura de tipus doll es produeix realment mitjançant l’organització pròpia del camp magnètic en una fusió d’estrelles de neutrons”, afig Chryssa Kouveliotou de l’Agència Americana de l’Espai, NASA.
Així mateix, “s’ha reconstruït la seqüència correcta dels esdeveniments: primer naix el forat negre i poc després escoltem els seus plors natals en forma de radiació gravitatòria i una formidable erupció de rajos gamma”, apunta Miguel A. Aloy. La forma i amplitud del senyal gravitatori també ha estat calculada pels científics que signen aquest treball. Aquestes menudes ones en espai-temps van ser ja predites per Albert Einstein en la seua Teoria General de la Relativitat, però no han estat detectades de forma directa fins a la data. La raó és que l’efecte que el pas d’aquestes ones gravitatòries produeix sobre la matèria és realment minúscul i, en la pràctica, es confonen amb altres senyals també detectats. S’espera que les propietats del senyal gravitatori simulades ajuden a altres grups de científics a descobrir ones gravitatòries reals entre les dades obtingudes pels detectors actuals o de futura construcció.
Actualment hi ha cinc detectors interferomètrics d’ones gravitacionals al món: el projecte alemany/britànic GEO800, prop de Hanover, Alemanya, els tres detectors LIGO als EEUU- Louisiana i Washington i el projecte franc/italià Virgo, a Pisa, Itàlia. Un nou detector espacial (LISA– Laser Interferometer Space Antenna) es troba entre els plans de l’Agència Europea de l’Espai i la NASA, i el seu llançament està programat per a 2020.
Publicació original: L. Rezzolla, B. Giacomazzo, L. Baiotti, J. Granot, C. Kouveliotou & M. A. Aloy, /The missing link: merging neutron stars naturally produce jet-like structures and can power short gamma-ray bursts/,// ApJ//// *732* L6 http://iopscience.iop.org/2041-8205/732/ /L6 Astrophysical Journal Letters, 2011.
El video adjunt ha estat realitzat pel Goddard Space Flight Center de la NASA per a la divulgació d’aquest treball.