El forat negre supermassiu M87* "filmat" en plena activitat pel EHT

La famosa imatge en fals color del forat negre M87*. Crèdit EHT (Event Horizon Telescope Collaboration)

Els èxits assolits durant més de 50 anys per la teoria de la relativitat general són un homenatge al geni creatiu i rebel d’Albert Einstein. Però aquests èxits també es basen en proves cada vegada més rigoroses i una de les més recents es refereix a les imatges que es comencen a presentar sobre el forat negre supermassiu M87*. Fins i tot comencem a poder fer-ne pel·lícules mostrant la seva activitat.

 

Einstein va assenyalar enèrgicament, amb raó i reiteradament, que la ciència es basa en la lliure creació de conceptes i teories, i que no hi ha un camí deductiu lògic, un mètode que condueixi des de les dades de l’experiència a la creació d’una teoria científica, contràriament al que afirmen certes concepcions positivistes de l’empirisme lògic. En aquest sentit, i la història de la ciència ho demostra àmpliament, des de Kepler fins a Schrödinger, passant per Newton i Einstein, totes les fonts d’inspiració poden ser bones per tenir en compte i no és estrany que es trobin arquetips profunds. la font dels majors avenços científics i racionals, que al seu torn ressonarà amb aquests arquetips com Wolfgang Pauli bé ho sabia.

Podeu triar l'idioma dels subtítols a la configuració del video. Jean-Pierre Luminet
llançarà properament un nou llibre que considera la seva "Magnum opus" el 14 d’octubre
a Editions Odile Jacob:  L’Écume de l’espace temps. © Jean-Pierre Luminet

Però Einstein, sens dubte, també hauria estat d’acord amb les afirmacions de Richard Feynman que descrivien la seva concepció i pràctica de la física teòrica: “El joc que jugo és molt interessant. És la imaginació en una camisa de força que és la següent: ha d’estar d’acord amb les lleis conegudes de la física (...) Cal la imaginació per pensar el que és possible, llavors necessita una exploració posterior per veure si està bé, si es permet segons el que se sap, d'acord?" De fet, hi ha una lògica de descobriment científic basada en mètodes que poden ser revisats i sotmesos a discussió racional crítica, tal com entenia Karl Popper, però que no es poden passar per alt.

 

L'Event Horizon Telescope, una eina per provar la teoria dels forats negres.

La teoria de la relativitat general, amb els seus models cosmològics i la teoria dels forats negres, és sens dubte un bon exemple d’aquestes consideracions que afecten tant l’epistemologia com la filosofia i les arts gregues, com és cert. que els conceptes d'un espai-temps plàstic i un forat negre fascinen la ment humana. Per a ser explorat i sobretot provat, aquest últim requeria tot l’arsenal de tecnologia i mètodes de processament de dades de la ciència moderna, des de làsers fins a aprenentatge profund (Deep learning).

Recordem que es van aportar arguments de pes sobre l’existència de forats negres i la precisió de la teoria que els descrivia amb les observacions de la col·laboració Event Horizon Telescope (EHT) que va revelar al 2019 la primera imatge del que aquest que sembla ser un forat negre supermassiu a la galàxia M87. Aquesta imatge, que mostra una mica l’ombra de l’horitzó d’esdeveniments del forat negre M87* en contrast amb el seu disc d’acreció i el que es coneix com la seva esfera fotònica, s’ha obtingut en els darrers anys combinant observacions fetes per radiotelescopis de tot el món. Aquesta és la famosa tècnica de síntesi d'obertura per interferometria que crea un radiotelescopi virtual de la mida de la Terra, o gairebé, a partir de radiotelescopis molt més petits repartits pels diferents continents.

Es va trobar que l’observació era totalment coherent amb les pioneres simulacions digitals que Jean-Pierre Luminet va fer a finals dels anys setanta per mostrar el que els observadors podien esperar veure quan intentaven visualitzar un forat negre. i el seu entorn amb un disc d’acreció.

Una presentació del treball de la col·laboració EHT quan va revelar la primera
imatge de M87* el 2019. Trieu l'idioma dels subtítols a la configuració del vídeo.
© Perimeter Institute for Theoretical Physics.

Les variacions del disc d’acreció d’un forat negre sota la càmera del EHT.

Mitjançant un article publicat a The Astrophysical Journal,  els membres del EHT anuncien ara que han fet un pas més en obtenir diverses imatges repartides al llarg d’uns anys i que permeten debutar al cinema amb l’activitat d’un forat negre amb el seu plasma turbulent.

El contingut d’aquest article és comentat en aquests termes en una declaració del EHT Collaboration pel seu principal redactor, Maciek Wielgus, astrònom del Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics i autor principal de l’article: “L’any passat vam veure una imatge d’ombra d’un forat negre, que consistia en una mitja lluna brillant formada per plasma calent que gira al voltant de M87* i una part central fosca, que esperem sigui l’horitzó d’esdeveniments del forat negre.

Però aquests resultats es van basar només en observacions realitzades durant una finestra d’una setmana a l’abril de 2017, que és massa curta per detectar molts canvis. Basant-nos en els resultats de l’any passat, vam plantejar les següents preguntes: Aquesta morfologia en forma de mitja lluna és coherent amb les dades arxivades? Les dades arxivades mostrarien una mida i una orientació similars a les d'un croissant?"

De fet, des del 2009 fins al 2013, M87* es va observar mitjançant prototips del EHT amb radiotelescopis situats en tres llocs geogràfics el 2009-2012 i quatre llocs el 2013. El 2017, el EHT finalment va utilitzar instruments localitzats a cinc llocs geogràfics diferents de tot el món. 

“Amb la increïble resolució angular del EHT, podríem haver vist com es jugava a la lluna una partida de billar sense perdre de vista la puntuació". Recorda Maciek Wielgu. Ell i els seus col·legues es van beneficiar de l’experiència adquirida per desenvolupar eines per extreure informació d’avistaments anteriors al 2017.

Clic per engrandir. Instantànies del forat negre M 87* obtingudes mitjançant imatges
geomètriques/models i la xarxa de telescopis EHT entre 2009 i 2017. El diàmetre de tots
els anells és similar, però la ubicació del costat brillant varia. La variació de l'espessor
de l’anell probablement no és real i resulta del nombre limitat de radiotelescopis en
experiments anteriors. © M. Wielgus, D. Pesce i la col·laboració EHT.

Els astrofísics relativistes sabran ara, fan saber ara amb el comunicat del EHT, que les imatges de M87* sempre s’ajusten a les prediccions de la teoria de la relativitat general.

Per exemple, Kazu Akiyama, un radioastrònom del NRAO al MIT Haystack Observatory i membre de la col·laboració, explica que: “En aquest estudi, demostrem que la morfologia general o la presència d’un anell asimètric persisteix probablement a escales de temps de diversos anys. La coherència entre diverses èpoques d'observació ens dóna més confiança que mai en la naturalesa de M87* i l'origen de l'ombra”.

No obstant això, si el diàmetre de l’anell de fotons es va mantenir constant, la distribució de la seva intensitat de llum va parpellejar amb el pas del temps, cosa que va sorprendre gratament als investigadors. Recordem que el gas que cau sobre un forat negre s’escalfa fins a milers de milions de graus, s’ionitza i es converteix en un plasma turbulent en presència de camps magnètics.

Per a Maciek Wielgus i els seus col·legues, això es veuria com a manifestacions de les característiques de l’acreció de matèria pel forat negre: “Com que el flux de matèria és turbulent, l’anell sembla trontollar amb el pas del temps. De fet, hi veiem moltes oscil·lacions i tots els models d’acreció teòrics no ho permeten tant. Això significa que podem començar a excloure alguns dels models basats en la dinàmica de les fonts observades”.

En aquest vídeo, amb l'àudio en anglès, es mostra una simulació de la imatge del forat
negre observada per l'EHT, amb l'efecte de la resolució efectiva de l'instrument que fa
que la imatge sigui una mica borrosa. El disc d'acreció amb l'anell de fotons és turbulent
de totes maneres. © ehtelescope

De la mateixa manera que fem servir els moviments de les estrelles al voltant del forat negre central de la Via Làctia per provar alternatives a la teoria relativista de la gravitació d’Einstein, aquestes oscil·lacions permetran fer el mateix amb almenys M87*. El futur es veu brillant en aquest tema si ens imaginem una dècada de noves dades amb instruments encara més potents que ofereixen imatges de vídeo probablement espectaculars de l’activitat d’altres forats negres supermassius.

Per acabar, deixem la última paraula a Geoffrey Bower, també membre de la col·laboració EHT i investigador de l'Acadèmia Sinica, Institut d'Astronomia i Astrofísica (Asiaa): "El  seguiment de M87* amb una extensa xarxa EHT proporcionarà noves imatges i conjunts de dades molt més riques per estudiar la dinàmica turbulenta. Ja estem treballant en l’anàlisi de dades de les observacions del 2018, obtingudes amb un telescopi addicional situat a Groenlàndia. El 2021, estem planejant albiraments amb dos llocs més, proporcionant una qualitat d'imatge extraordinària. És un moment realment emocionant per estudiar els forats negres".

 

 Ho he vist aquí.