Els forats negres son estrelles de neutrons transformades per la matèria fosca?

Clic per engrandir. El camp gravitacional d'un forat negre envoltat d'un disc d'acreció
calent i brillant distorsiona fortament l'imatge d'aquest disc. Aquesta imatge extreta
d'una simulació, ens mostra el que veuria un observador apropant-se a la estrella
compacta en una direcció lleugerament inclinada sobre el disc d'acreció. La part
del disc situada darrera del forat negre sembla inclinat 90º i esdevé visible. Jean-Pierre
Luminet va fer la primera simulació d'aquestes imatges el 1979. Crèdit:
Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck. 

Els forats negres d’una a poques masses solars no haurien d’existir com a producte de l’evolució estel·lar. Sembla que Ligo i Virgo ja n’han detectat un, el que suggereix que n’hi ha molts. Una manera d’explicar la seva existència consisteix en la captura de matèria fosca per part d’estrelles de neutrons. Una prova d'aquesta teoria seria possible.

Les estrelles amb masses inferiors a 8-10 masses solars estan destinades a acabar les seves vides sota la forma de nanes blanques que es refrederant lentament fins al punt de cristal·litzar. Així que sens dubte, hi ha una massa límit descoberta a principis dels anys trenta pel premi Nobel de física Subrahmanyan Chandrasekhar de l’ordre de 1,4 de la massa solar, però tenim bones raons per creure que abans de convertir-se en nanes blanques, aquestes estrelles perdran part de la seva massa en forma de vents estel·lars quan s’hauran convertit en gegantes vermelles.

Més enllà de les 10 masses solars, les estrelles acabaran consumint el seu combustible termonuclear i quan la pressió del flux de fotons produït per les reaccions de fusió caigui bruscament, col·lapsaran gravitatòriament. Es creu que en la majoria dels casos es produirà una supernova tipus SN II. Si la pèrdua de massa, de nou a causa dels vents estel·lars i sobretot de l'explosió és suficient, el cor de l'estrella que col·lapsa es convertirà en una estrella de neutrons. Però, en cas contrari, fins i tot aquest nucli ultra dens no serà capaç de suportar la força de pressió de la gravetat i es col·lapsarà, donant el que anomenem forat negre estel·lar.

Com en el cas de les nanes blanques, hi ha una massa límit derivada de les propietats quàntiques i relativistes de la matèria. Tot i això, hi ha incerteses sobre aquesta massa límit perquè, per calcular-la adequadament, seria necessari conèixer l’efecte precís de les forces nuclears entre els nucleons resultants de la seva estructura en quarks i d’equacions no lineals, per tant particularment difícils de resoldre a partir de la QCD (Sigles en anglès de quantum chromodynamics, Cromo dinàmica quàntica).

Sabem que aquesta massa límit no pot ser superior a 6 masses solars, però les determinacions de les masses de l'estrelles de neutrons conegudes, sovint púlsars, indiquen que generalment aquestes estrelles compactes tenen masses entre una i dues masses solars amb una mitjana que és de l’ordre de 1,4 de massa solar. El misteri es manté fins als nostres dies. 

Podeu triar l'idioma de la subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: ECP Group, YouTube

Els forats negres es troben entre els objectes més opacs de l’Univers. Afortunadament, però, són dels més atractius, i és pel seu poder desmesurat d’atracció que els podem detectar. Els forats negres gegants són els ogres més monstruosos del zoo còsmic, però no són armes de destrucció massiva. Els dolls de matèria que produeixen haurien ajudat a encendre les primeres estrelles i formar les primeres galàxies. Hubert Reeves i Jean-Pierre Luminet, especialistes en cosmologia contemporània, responen a totes les vostres preguntes. Per obtenir més informació, visiteu el lloc web  Du Big Bang au Vivant.

Forats negres "solars"?

Per a les estrelles que contenen almenys 30 masses solars, generalment s’accepta que es convertiran en forats negres, però de nou, els processos de pèrdua de massa faran que l’objecte resultant sigui inferior al de l’estrella mare. Hem tractat de fer simulacions numèriques de la formació d'aquests forats negres estel·lars i, per descomptat, les observacions les han acompanyat per mitjà de l'astronomia dels raigs X. Va resultar que els forats negres estel·lars tenen masses almenys sis vegades la del Sol i poques vegades superen les 10 masses solars.

Tanmateix, res impedeix que els forats negres estel·lars creixin de mida mitjançant l'acumulació de massa d'una estrella companya massiva quan es troben en un sistema binari. Tot i això, tots van quedar sorpresos per les masses determinades mitjançant l’emissió d’ones gravitacionals que acompanyaven fusions de forats negres descoberts amb els detectors Ligo i Virgo ja que eren algunes dotzenes de masses solars com a mínim per forat negre.

L'astronomia gravitacional amb aquests instruments, per contra, ha descobert un forat negre "solar" la massa del qual semblava estar abans de la seva fusió amb el seu company en només 2,6 masses solars. En qualsevol cas, això és el que ens diuen les anàlisis de la font GW190814. Podria tractar-se d’una estrella de neutrons però, novament com hem explicat anteriorment, seria inaudit.

Suposem que els objectes compactes amb menys de 5 masses solars i de més de 20 masses solars (que va ser el cas de la primera font d’ones gravitacionals detectades amb Ligo, GW150914 ), excloent els forats negres supermassius, són de fet forats negres. S'ha suggerit que de fet són forats negres primordials produïts durant el Big Bang, quan la densitat de la matèria era tan alta que les fluctuacions podrien provocar sobredensitats que causessin el col·lapse d'aquesta matèria. Es pot demostrar que es va produïr un espectre de masses diferents per a les regions col·lapsades que es van convertir en forats negres. Això ha portat a alguns a creure, durant molt de temps, que alguna o tota la matèria fosca estava formada en realitat per forats negres primordials.

Forats negres primaris de massa sublunar?

Tanmateix, si aquest escenari encara és possible, cada cop s’ha restringit més en les darreres dues dècades i certs intervals de massa estan fortament desafavorits, fins i tot exclosos. Tot i això, un equip d’investigadors del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe de Tòquio acaba de mobilitzar aquesta hipòtesi en un marc més general que implica partícules de matèria fosca que no són necessàriament mini-forats negres primordials, publicada a la revista Physical Review Letters a la que es pot accedir en accés obert a arXiv.

La idea és aquesta, certament podem pensar que el forat negre de massa gairebé solar detectat amb GW190814 és directament un forat negre primordial, però també en podem generar un amb masses d’aquest ordre imaginant una estrella de neutrons que s'hagi empassat una certa quantitat de partícules de matèria fosca. O fins i tot només uns mini-forats negres primordials les masses dels quals serien inferiors a la de la Lluna. Desestabilitzada una vegada superat un determinat llindar de massa, l'estrella de neutrons col·lapsaria donant directament un forat negre.

La contribució d’aquest escenari, i que el fa interessant és que, segons els investigadors, un cop determinada la distribució dels forats negres “solars” mitjançant Ligo, Virgo i els seus cosins com Kagra, aquesta distribució no te la mateixa forma segons si aquests forats negres són producte d’estrelles de neutrons, que s’esfondren després de la captura de matèria fosca o forats negres primordials, o si aquests forats negres solars són directament forats negres primordials, o fins i tot tot i el producte del col·lapse d’estrelles segons processos encara poc entesos.

De fet, segons els astrofísics, la distribució massiva dels forats negres solars serà, en el primer cas, molt propera a la de les estrelles de neutrons progenitores. 

 

 Ho he vist aquí.