Ones gravitatòries

Una revelació històrica!

L’onze de febrer de 2016 un grup de científics que treballaven en el projecte anomenat LIGO (LaserInterferometerGravitational-WaveObservatory)  van anunciar que havien detectat, per primera vegada a la història, ones gravitatòries. Però, per què és tan important aquest descobriment?  Què representa per a la física actual?

Les repercussions són de primer nivell per a la Física i per a entendre el nostre Univers. Com en altres camps de recerca bàsica, les aplicacions pràctiques es deriven de la recerca experimental per assolir un instrument d’aquestes característiques. Hi intervenen una gran varietat de camps: materials, òptica, làsers, etc.

Foto: ara.cat. Einstein el 25 de novembre de 1915, explicant la teoria de la relativitat

 

Einstein es va equivocar?  La gran troballa és gràcies a una cosa que Einstein va predir, encara que després dubtés que pogués trobar mai! Això ha sigut una solució a la seva famosa teoria de la relativitat general. Avui, cent anys més tard, la ciència ha demostrat que Einstein tenia raó… i també que estava equivocat. Tenia raó perquè efectivament les ones gravitatòries existeixen, són  originades en grans fusions com les que tenen lloc quan s’uneixen dos forats negres massius. Einstein deia, però, que les ones no arriben a la Terra, perquè aquests fenòmens tenen lloc tan lluny de nosaltres que les ones no ens arriben mai, i s’equivocava perquè sí que arriben a la Terra.

Foto: Apod.cat

És històric perquè, per primera vegada, permet estudiar el fascinant món dels forats negres a través del so, i no només de la llum, com passava fins ara. Això vol dir que s’obre una nova etapa en l’estudi dels forats negres i les seves morts violentes.

gravitacionals viatgen a la velocitat de la llum i, per tant, deformen tant l’espai com el temps.

Sobre els forats negres hi ha molta informació, però sempre basada en l’observació visual i en l’anàlisi de dades sovint directes. Mai fins ara s’havia pogut escoltar, literalment, el so que es genera quan es produeix un xoc entre dos forats negres. El so, una mena de xiulet, confirma de pas que l’Univers té so, que es pot escoltar, una teoria que ja acaronaven els grecs, que parlaven de la música dels planetes.

El so és el resultat d’aquestes ones que viatgen per l’Univers i que tenen el seu origen allà on s’ha produït una fusió. Les ones que han detectat els científics provenen del xoc de dos gegantins forats negres —amb una massa fins a 36 vegades superior a la del Sol—. L’espectacular topada entre els dos forats va generar una energia que es va transformar en ones. 1.300 milions d’anys després aquestes ones han arribat, vibrant i viatjant pel temps i l’espai, fins a la Terra, on han estat detectades pels científics de l’Observatori d’Interferometria Làser d’Ones Gravitacionals dels Estats Units.

Foto: ara.cat

Sentir el so captat d’aquestes ones gravitatòries sembla de música ficció. Sembla que tinguis la sensació, que tota la magnitud de la descoberta; la seva complexitat o dificultat per entendre-la amb precisió, es convertia en una prova ordinària i regular. El so, de pocs segons, un so que no sembla nou, un so metàl·lic i previsible, si, però una senyal d’una revelació històrica.  Així doncs, estem davant d’una troballa que obrirà, ben segur, nous balcons al cosmos.

Que són les Ones gravitacionals?

Einstein va unificar l’espai-temps com si fos un teixit, i és precisament en la curvatura d’aquest teixit, la que feia que en els planetes del Sistema Solar anessin al voltant del Sol. Einstein es va imaginar aquest teixit com si fos un matalàs.

Foto:grg.uib.es

Nosaltres estem dins d’aquest espai-temps, és a dir, tenim les 3 dimensions a l’espai i una dimensió que és el temps. Quan tu dorms amb una persona, el teu company/a més corpulent t’enfonsarà el matalàs i hauràs de passar-te tota la nit fent força per evitar caure al seu costat. Amb l’espai-temps passa una cosa semblant. Imagineu-vos que és un matalàs còsmic que va visualitzar Einstein, i li afegim el Sol.

El Sol té una massa, i per tant enfonsarà aquest espai-temps. Aquesta curvatura és la que farà que els planetes orbitin al seu voltant. El que es va adonar Einstein fa 100

anys és que aquesta espècie de matalàs còsmic, és un teixit de material molt més flexible del que s’havia imaginat al principi. Igual que els matalassos elàstics que saltaven quant érem petits! O també posant un altre exemple, imagineu-vos un llac que estigui en calma totalment i poses la mà i la mous per la superfície de l’aigua, oi que genera unes ones que van viatjant per la superfície del llac, o li tires una pedra?

 

Simfonia de l’Univers

Foto: grg.uib.es

Doncs, de la mateixa manera passa quan tens una massa amb moviment en espai temps, es generen aquestes ones que és el que anomenen ones gravitacionals i es van propagant per aquest teixit de l’espai temps. De fet, qualsevol cosa que tingui massa, genera aquestes ones. Si us poseu a ballar en una sala buida, com sou dues masses en moviment, estaríem generant ones gravitacionals, però com som tan petitons, aquestes ones seria gairebé imperceptibles. El que van trobar fa unes setmanes l’equip de LIGO d’aquest experiment, va ser precisament un vals còsmic. Dos forats negres que són molt i molt poderosos, van començar aquest vals còsmic un al voltant de l’altre fins que van acabar fusionant. I això va generar unes ones gravitacionals, suficientment fortes, que des de la Terra, encara que estiguessin a 1300 milions d’ anys llum s’acabessin detectant.

I per això és tan important? Sí, perquè ens serveix per obrir una nova era en el camp de l’astronomia. Imagineu-vos que  heu nascut sense el sentit de la vista, i no poguessis veure d’ençà que eres petit. I de cop i volta obrissis els ulls i poguessis veure per primera vegada l’Arc de Sant Martí o la cara dels teus pares. Per molt que t’ho haguessin descrit, de cop i volta aconseguir i veure, seria com tenir un Univers completament nou al teu abast.

Només es va arribar a veure unes petites ones, perquè la força de gravetat és la més feble que hi ha. Va fer que l’espai s’estirés molt, i però va fer encongir un altre. Han sigut capaços de mesurar en un braç de 4 km de diferència, un dels braços s’estirava mentre l’altre s’encongia. Imagineu-vos la precisió que van necessitar per mesura això. Que fascinant que és el nostre Univers i la seva activitat passada, present i futura. I aquest nou descobriment que s’ha pogut captar ones gravitatòries, una curiositat i interès infinit! I com costa atansar-te a aquesta troballa! Es refereixen a magnituds que fugen de l’ordinariesa què tenim acostumats els cervells i les ments.

Ens hem d’imaginar dos forats negres (o dues supernoves ) viatjant a la velocitat de la llum (299.792.458 metres per segon) que es fonen en una abraçada! Una violenta i una energia descomunal per formar-ne un de sol (o una de sola), provocant distorsions en l’espai i el temps, i produint radiacions que corren per l’espai. I són aquestes radiacions les que s’han captat. Haver-les pogut enregistrar, diuen els entesos, permetrà conèixer millor com és i es comporta i com viu el nostre Univers. Però mentre no arribin els resultats de noves descobertes arran d’aquestes captades ones gravitatòries, aquí seguirem com un dia més en aquest Univers tan fascinant!

LIGO detecta ones gravitatòries procedents de forats negres que es fusionen

Les ones gravitatòries mesurades coincideixen amb les esperades procedents de dos grans forats negres d’una galàxia distant que es fusionen després d’una espiral letal, amb el nou forat negre resultant que va vibrar momentàniament en forma d’un ràpid anell cap avall. La il·lustració representa els dos forats negres que es fusionen; a la part inferior hi ha superposada la intensitat del senyal dels detectors de més de 0,3 segons.

Bibliografia:

• Apod.cat
• NASA: Crèdits de la il•lustració: LIGO, NSF, AuroreSimonnet (Sonoma State U.)
• Nació digital
• mesvilaweb.cat/jmateuimarti
• Ara.cat
• Sónia Fermández Vidal. Doctora en òptica i Informació Quàntica. Programa Retrats de C33.
• Agrupació astronòmica de Sabadell

 

EL COR DE LA VIA LÀCTIA.

Font: Apod.cat Crèdits: NASA, Scott Kelly

Des de novembre de 2000, hi ha hagut persones que han viscut continuadament a l’Estació Espacial Internacional.

Per celebrar el 15è aniversari de la humanitat fora de la Terra, vet aquí aquesta instantània de la nostra galàxia i del nostre món posant junts més enllà de l’Estació. La Via Làctia s’estén per sota de la corba del limbe de la Terra on també hi ha un vermell tènue, la luminescència atmosfèrica. El bulb central de la galàxia apareix amb camps d’estrelles tallats per esquerdes de pols interestel·lar enfosquidora.

La fotografia va ser presa per l’astronauta Scott J. Kelly el 9 d’agost de 2015, el dia número 135 de la seva missió d’un any a l’espai.

La Via Làctia és en una galàxia normal que s’assembla a les milers de milions de galàxies de l’Univers.

La imatge, basada en dades del satèl·lit Gaia, mostra la silueta de la nostra galàxia, la Via Làctia, i de les dues veïnes Núvols de Magallanes. Imatge Credit: ESA

El pla Galàctic és la projecció en el cel del disc galàctic, una estructura aplanada d’uns 100.000 anys llum de diàmetre i un gruix de només 1.000 anys llum.

El centre de la nostra galàxia es troba entre les constel·lacions de Sagitari i Escorpí. Amb llum òptica l’únic que es veu, després d’una llarga exposició, és la imatge del disc galàctic vist des de dintre, és a dir des d’on estem nosaltres.

Quines meravelles hi ha en el centre de la nostra galàxia?

En el clàssic de ciència ficció de Jules Verne “Viatge al centre de la Terra”, el professor Lidenbrock i els seus col·legues exploradors descobreixen moltes meravelles insòlites i emocionants. Els astrònoms ja coneixien alguns d’aquests objectes estranys que hi ha en el nostre centre galàctic, com ara immensos núvols de pols, cúmuls d’estrelles brillants, anells arremolinats de gas i, fins i tot, un forat negre supermassiu.

La pols i el gas que hi ha enmig bloqueja la nostra visió en llum visible de gran part del centre galàctic, però es pot explorar fent servir altres formes de radiació electromagnètica. Per tant, per estudiar el centre galàctic, s’ha d’utilitzar altres longituds d’ona, com les de radio, llum infraroja i raigs X. De fet el primer que es va descobrir a prop del centre galàctic és que hi ha una radiofont molt intensa.

A meitats del s XX, i gràcies al desenvolupament de les tècniques de radar durant la segona guerra Mundial, l’enorme progrés en radio tecnologia va fer un ràpid avanç de la radioastronomia i va desvelar nombroses i potents radiofonts extragalàctiques. Es revelaren com objectes molt compactes i puntuals que semblaven estrelles normals. Se’ls va anomenar quàsars, fonts de radio quasi estel·lars, i que van ser un misteri durant dècades.

Els quàsars són uns objectes descoberts al 1963 per MaartenSchmidt, astrònom holandès. MaartenSchmidt va estudiar un objecte visible i puntual que era un fort emissor d’ones de radio i va observar que era un objecte puntual. Aquest punt no podia ser una estrella, si no que tenia que ser un objecte extragalàctic situat a una enorme distància.

Un quàsar pot generar un bilió de vegades la lluminositat del Sol, que és molt més que la lluminositat d’una galàxia, però a més es troba en un espai que és un milió de vegades menor que el de la nostra galàxia.

Però després de descobrir els quàsars, els astrònoms es van preguntar:

Què podria generar tanta energia en un espai tan petit?

Els forats negres són, potser, els objectes més estranys de l’Univers. Ara per ara, són els més difícils de comprendre.

El terme “forat negre” no s’ha d’entendre com un “forat” en el sentit usual del terme, sinó com una regió de l’espai de la qual res en pot escapar, ni tan sols la llum. És per aquest motiu que se’ls anomena “negres”.

Foto: wikipedia. Vista simulada d’un forat negre davant de la Via Làctia. El forat té 10 masses solars i es troba a una distància de 600 km. Kraus, Ute. «Step by Step into a Black Hole», 2005-03-20.

El que veiem directament no és mai el forat negre, sinó la matèria que cau cap a ell, que forma un disc d’acreció. La matèria va xocant, s’escalfa a temperatures de fins a 12 milions de graus Celsius, unes 2.000 vegades més calent que la superfície del Sol. A aquesta temperatura el gas brilla amb raigs X a baixa energia. Creiem que un quàsar és això mateix: un gran forat negre en el centre d’una galàxia que està engolint matèria i emetent gran quantitat d’energia en forma de llum. I aquesta energia equival al 10% de tota la matèria que cau cap a ell.

Quan un forat negre no està engolint matèria perquè no té res al voltant, es converteix en un objecte completament negre. Si ens apropem a ell veuríem una zona del cel completament fosca perquè no podríem veure res del que hi ha darrera.

A més, la llum que passés a prop seria desviada per l’efecte gravitatori produït per l’enorme força de gravetat del propi forat.

Massa prop d’un forat negre

Font : Apod.cat Crèdit & Copyright: Alain Riazuelo

Si anéssiu directament cap a un forat negre, què veuríeu? Les coses us semblarien molt estranyes, com mostra aquesta imatge generada per ordinador.

El forat negre té una gravetat tan intensa que la llum es doblega apreciablement cap a ell, cosa que causa distorsions visuals molt rares. Cada estrella té almenys dues imatges, una a cada costat del forat negre. Prop del forat negre es pot veure tot el cel: la llum procedent de totes les direccions es doblega i retorna a l’observador.

El mapa del fons s’ha elaborat a partir de l’estudi del cel infraroig 2MASS, amb les estrelles del catàleg de Henry Draper superposades.

Es creu que els forats negres són l’estat més dens de la matèria. Hi ha evidència indirecta de la seva presència en els sistemes estel·lars binaris i en els centres dels cúmuls globulars, de les galàxies i dels quàsars.

Els quàsars tenen un cert període d’activitat. Quant l’univers tenia uns tres mil milions d’anys hi havia molts quàsars actius, és a dir, eren moltes les galàxies que tenien un quàsar en el seu centre.

A l’actualitat, l’Univers ja té quasi 14.000 milions d’anys, l’activitat dels quàsars ha anat disminuint. Hi ha menys matèria que cau cap al centre de les galàxies i queden els forats negres sense aquesta activitat. La nostra galàxia, com la gran majoria, tenia un quàsar en el centre que amb el pas del temps s’ha anat apagant i ara queda un forat negre molt tranquil.

Quan es van descobrir aquests forats supermassius al centre de les galàxies, es va témer que poguessin destrossar tota la galàxia, però ara sabem que és tot el contrari: aquests forats negres són el motor gravitatori que mantenen unides totes les estrelles de la galàxia. Si no fos per ells, potser les estrelles de les galàxies es dispersarien i no es podrien mantenir lligades.

Quan el forat negre s’empassa molt gas del seu voltant, la mateixa radiació que emet, altament energètica, frena el gas que està caient i s’estableix un equilibri de forces, d’aquesta manera el forat negre no s’empassa la galàxia sencera destruint-la, com es podria pensar a d’entrada, sinó que ajuda a cohesionar-la.

Els forats negres són pous de gravetat. Es tracta de matèria que ha col·lapsat sobre si mateixa fins que res ha pogut resistir la seva pròpia força de gravetat. En ells no queda res del que ha caigut, només una massa total.

Des de la Terra, si es llencéssim una pedra amb molta força i superés la velocitat de 11km/s, aquesta podria escapar de la gravetat terrestre. Des de el Sol costaria molt més escapar ja que necessitaria una velocitat molt més alta. Per escapar d’un forat negre faria falta llançar la pedra a una velocitat superior a la velocitat de la llum, la qual cosa és impossible, per això res pot escapar d’un forat negre, ni la llum. Per tant, un forat negre és aquella regió de l’espai on tot el que cau allà, desapareix per sempre.

El tranquil Sagitari A*: El forat negre en el cor de la ViaLàctia.

Font: chandra.harvard .edu.    Illustration of Sagittarius A*

Al 1974, els radioastrònoms van descobrir un objecte puntual, Sagitari A* (SgrA*), que després es va especular que podria ser la manifestació del forat negre supermassiu del centre de la Via Làctia, amb uns 4 milions de vegades la massa del Sol. Amb tan sols 26.000 anys llum de la Terra, Sgr A * és un dels pocs forats negres a l’Univers on realment podem presenciar el flux de la matèria propera.

I després de molts estudis al final de la dècada es va poder explicar amb èxit que “Sagitari A* és un forat negre passant gana”.

“El nostre forat negre està actiu, però està a dieta i menja lentament. Està envoltat de gas a temperatures de milers de milions de graus”, Així, doncs, al cor de la Via Làctia hi ha “un núvol poc dens”.

Durant els últims 15 anys s’han realitzat observacions molt detallades, amb els telescopis VeryLargeTelscope a Xile i des de telescopis d’Estats Units, de les estrelles més properes al centre galàctic. S’ha vist com es mouen al voltant del centre galàctic i han pogut determinar les seves òrbites. El Sol es troba a uns 26.000 anys llum del centre galàctic i triga a donar una volta al seu voltant uns 200 milions d’anys. Està atret gravitatòriament cap al centre per tota la massa que hi ha a l’interior de la seva òrbita, on hi ha milers de milions d’estrelles. En aquesta regió del centre, hi ha una massa puntual i totes aquestes estrelles giren al seu voltant descrivint òrbites com les dels planetes del Sistema Solar.

Font: Apod,cat Crèdits: raigs X NASA / CXC / Q. Daniel Wang (UMASS) et al., IR – NASA/STScI

El forat negre de la Via Làctia, Sagittarius A*, protagonitza aquesta composició d’infrarojos (tons vermell i groc) i de raigs X (blau) basada en les dades d’una àmplia campanya d’observacions del telescopi de raigs X Chandra en òrbita. El requadre mostra l’emissió difusa que envolta el forat negre, una regió que fa aproximadament mig any llum de diàmetre i que es troba a uns 26.000 anys llum de distància del centre de la galàxia.

Els astrònoms han descobert que l’emissió de raigs X, s’origina en el gas calent arrossegat pels vents de les estrelles massives joves de la regió. És a dir, el Sagitari A* sí que atrau matèria cap a dins, però també sabem que la major part d’aquesta matèria és expulsat novament. Les dades del Xandra indiquen que menys de 1% d’aquest gas, dins de la influència gravitatòria del forat negre arriba a l’horitzó de successos o punt de no retorn. És a dir perd la calor i el moment angular suficients per caure en el forat negre, mentre que la resta del gas s’escapa.

Tot això i tots els esdeveniments que van succeint en el cor de la nostra galàxia, ens donen l’oportunitat única d’utilitzar una simple gota de matèria que cau per entendre la física d’un dels objectes més estranys que hi ha la nostra galàxia.

Bibliografia:

• Conferència a l’Associació Astronòmica de Sabadell per Jordi Miralda i Escudé, professor d’Investigació ICREA d’Astrofísica. Institut de Ciències del Cosmos, Universitat de Barcelona.
• NASA
• Apod.cat
• Denis Overbye. Ara.cat