L’origen dels dolls de forats negres supermassius revelats pels camps magnètics de M87

Clic per engrandir. Aquesta recreació artística ens mostra al que es deu assemblar el llunyà quàsar P172+18 i els seus dolls de ràdio. Fins ara (principis del 2021), és el quàsar més llunyà mai trobat amb dolls de ràdio. Es va estudiar amb el VLT del ESO. És tant llunyà que la llum que en surt ha viatjat durant uns 13.000 milions d’anys per arribar, el veiem tal com era quan l’univers només tenia uns 780 milions d’anys. Crèdit: ESO, M. Kornmesser.

Els forats negres supermassius que acumulen matèria i amb raigs de partícules es troben entre els objectes observables més energètics de l’Univers, especialment quan es produeixen en forma de quàsars. El 1977 es va proposar un mecanisme per explicar l’enigmàtica producció d’energia a la font d’aquests fenòmens i per primera vegada, avui en dia, rep confirmació gràcies a les primeres imatges d’un forat negre revelades per la col·laboració del Event Horizon Telescope (EHT-Telescopi de l'Horitzó de Successos).

S'ha filmat l'activitat del forat negre supermassiu M87. 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 darreres es refereix a les imatges que el telescopi Event Horizon comença a oferir sobre el forat negre supermassiu M87. Fins i tot comencem a poder fer-ne pel·lícules mostrant la seva activitat.

Va ser a finals de novembre de 1915 que Albert Einstein va exposar la forma final de la seva teoria de la relativitat general, marcada en anys anteriors per diverses publicacions que volien fer compatible la teoria de la gravitació de Newton amb la teoria de la relativitat especial.

Un mes després, sens dubte seguint el treball d'Einstein des de feia un temps i tot i que estava al front oriental lluitant contra Rússia, l'astrònom alemany Karl Schwarzschild va trobar dues solucions a les equacions d'Einstein que descrivien el camp gravitatori exterior i després dins d'una estrella idealitzada, suposadament perfectament esfèrica i amb contingut de matèria uniformement densa. La solució no descriu una estrella en rotació i, en aquell moment, la solució relativa a l’espai buit al voltant de l’estrella encara no s’entén correctament, però ens adonem força ràpidament que pot plantejar problemes de les patologies lligades a la noció de singularitat en matemàtiques, però també en física. Com sabem avui dia, aquesta solució descriu tots els forats negres sense rotació i amb massa.

Clic per engrandir. La galàxia el·líptica M87 alberga diversos bilions d’estrelles, un forat negre supermassiu i una família d’aproximadament 15.000 cúmuls globulars. A tall de comparació, la nostra galàxia de la Via Làctia només conté uns quants centenars de milions d’estrelles i uns 150 cúmuls globulars. Aquesta imatge en fals color de M87 és composta i es va formar a partir d’observacions del Hubble en llum visible i infraroja. Podem veure clarament un raig de matèria associat al forat negre M87 que es va fer el 2019 il·lustrat  pels membres del Telescopi de l'Horitzó de Successos. Crèdit: NASA, ESA i l’equip del Patrimoni Hubble (STScI / AURA); P. Cote (Institut d'Astrofísica Herzberg) E. Baltz (Universitat de Stanford)

L’enigma dels quàsars

Pocs anys després del descobriment de Karl Schwarzschild, l'astrònom nord-americà Heber Curtis va notar el 1918 una curiosa estructura situada sobre una fotografia de la galàxia Messier 87, presa amb el telescopi de l'Observatori Lick. No podria saber en aquell moment que es trobava en presència d’un raig de matèria que s’estenia durant almenys 5.000 anys llum des d’un forat negre, M87, que contenia 6.500 milions de masses solars. Al cor de M87, una galàxia el·líptica situada A 55 milions d’anys llum de la Via Làctia.

Tampoc no es podia saber que amb l’auge de la radioastronomia, descobriríem que no només la M87 és la galàxia el·líptica més gran més propera a la Terra, sinó sobretot una de les fonts de radio més brillants del cel, cosa que la converteix en un objectiu pels membres del Telescopi de l'Horitzó de Successos (EHT).

Fem un salt enrere de dècades. A principis dels anys seixanta,  Maarten Schmidt, un astrònom holandès, va fer l'anàlisi espectral d'una estrella, la contrapartida de la llum visible d'una potent font de ràdio, anomenada 3C 273. Semblava una estrella, però es trobava a més de 2.400 milions d'anys llum de la Via Làctia, que significa que per ser observable a una distància tan veritablement cosmològica, havia de tenir una lluminositat absolutament prodigiosa, superior a cinc milions de milions de vegades la del Sol, o presentada de qualsevol altra manera equivalia a la de 1.000 vegades els centenars de milers de milions d’estrelles de la nostra Via Làctia!

Es tracta del descobriment de les  fonts de ràdio quasi estel·lars, dels quàsars segons el nom proposat el 1964 per l’ astrofísic d’origen xinès Hong-Yee Chiu. Tanmateix, el mateix any, el matemàtic neozelandès Roy Kerr va descobrir una altra solució de la relativitat general. Com explica en un article d'accés obert a arXiv, el context era intentar donar compte de l'existència de quàsars mitjançant la teoria de la relativitat general. Ho sabem des de l'obra d'Oppenheimer i els seus estudiants a finals dels anys trenta que la teoria va predir que una estrella sense rotació que havia esgotat el seu combustible termonuclear havia de col·lapsar gravitatòriament, cosa que va conduir a enfrontar-se a les rareses i les patologies de la solució de Schwarzschild.

El matemàtic Roy Kerr explica la saga de la teoria del forat negre, amb problemes de singularitat associats i el seu descobriment. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Vetenskapsakademien

Una solució que descriu una estrella giratòria, un forat negre de Kerr

Malgrat diversos intents, ningú no havia trobat l’equivalent a les dues solucions de Schwarzschild que poguessin descriure el que seria una estrella giratòria, cosa que és problemàtica perquè totes giren. Ara es podria pensar que una rotació, que necessàriament ha d’augmentar a causa de la conservació del moment angular (amb una força centrífuga que també ho faria durant un col·lapse gravitatori i, per tant, s’hi oposaria), havia de conduir a un moment al final de aquest col·lapse i, per tant, elimina la rellevància de la solució patològica de Schwarzschild quan la massa de l'estrella es va concentrar sota una superfície d'un radi determinat.

Inspirat i interessat en les noves tècniques de geometria diferencial, Kerr es va proposar trobar aquesta solució. Encara no ho sabem avui, llevat d’aproximacions, però és cert que Kerr havia descrit una solució rigorosament exacta que descrivia el camp gravitacional extern d’una estrella giratòria. Però quina?

Durant la propera dècada, gràcies sobretot al treball de Roger Penrose i Brandon Carter, entendrem que la solució de Kerr descriu tots els forats negres en rotació.

Com que l’acreció de matèria en una estrella molt compacta ha d’alliberar una major quantitat d’energia per a una quantitat determinada de matèria, en particular d’hidrogen, que per les reaccions de fusió termonuclear, es podria pensar que un forat negre de Kerr supermassiu acumula matèria i podria produir una extraordinària quantitat d’energia que explica la lluminositat dels quàsars. Per tant, es construiràn models dels discs d'acreció que envolten als forats negres, especialment per Kip Thorne i Igor Novikov el 1973 i també per Nikolai Shakura i Rashid Sunyaev.

D'esquerra a dreta, el 2016, Roger Blandford i Roy Kerr, el matemàtic que va descobrir la solució de les equacions d'Einstein que descrivien un forat negre giratori. Crèdit: Bengt Nyman, CC by-sa 4.0

Un forat negre transformat en una dinamo magnètica

Tot i això, el que realment ho canviarà tot és el descobriment realitzat el 1977 per dos joves astrofísics relativistes de la Universitat de Cambridge, Roger Blandford i Roman Znajek. Roger Penrose ja havia demostrat a finals dels anys seixanta que era possible extreure energia alentint la rotació d’un forat negre i, per tant, aprofitant la seva energia cinètica de rotació. Els dos investigadors construiran un escenari més elaborat que el de Penrose, però basat en la mateixa idea.

És l’anomenat procés de Blandford-Znajek el que prevaldrà per explicar no només la lluminositat dels quàsars, sinó l’existència de raigs de matèria sovint associats i que es pot detectar per exemple, quan produeixen dues fonts de ràdio als extrems d’aquests raigs quan xoquen amb el medi intergalàctic.

Fins ara, només s’ha recolzat en simulacions numèriques i en càlculs analítics. Però, tal com s’explica avui en un llarg article publicat per la  revista Quanta, el famós i reconegut periòdic digital de la Fundació Simons que recull els darrers desenvolupaments en física, matemàtiques, biologia i informàtica, aquesta situació està a punt de ser revolucionada per les observacions de l’Event Horizon Telescope de M87.

L’instrument va proporcionar imatges i mesures, especialment a nivell de polarització de la llum emesa pel disc d’acreció al voltant del forat negre supermassiu, que estan en línia amb les prediccions del Procés de Blandford-Znajek, més precisament d’un dels dos escenaris principals d’acreció estudiats des de fa temps amb ordinadors. Sorprenentment, no és el que semblava ser el més creïble avui provat i afavorit per les dades de l’EHT.

Roger Blandford ens explica els forats negres supermassius i els seus dolls en aquest vídeo. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Revista Quanta

Veiem de què es tracta. Quan la matèria forma un disc d’acreció, cau en espiral cap al cos atractor, girant més ràpidament quan més s’acosta. Inicialment té la forma d’un gas, però aquest gas és viscós, cosa que significa que a causa de les diferències de velocitat entre dos anells concèntrics de material al disc, hi haurà forces de fricció que escalfaran el gas.

Per tant, el disc de matèria al voltant d’un forat negre s’ionitzarà, els corrents elèctrics i els camps magnètics naixeran en el plasma format. Hi ha tota una teoria d’aquests fenòmens en l’espai-temps corbat. Blandford i Znajek el van utilitzar per descriure el que passava a causa de les propietats de la mètrica espai-temps de Kerr, com diuen els especialistes en el seu argot.

Al voltant de l'horitzó esfèric del forat negre existeix llavors una àrea en forma d'el·lipsoide giratori anomenada ergosfera. Un cos de caiguda radialment lliure es veurà obligat a tenir un component de rotació addicional en entrar a aquesta regió. Això també passa amb les línies de camp magnètic generades pel disc, de manera que al final tot passa com si tinguéssim un imant giratori i l’equivalent a una dinamo que produís diferències de potencial.

D’això se’n deriven dues conseqüències essencials. En primer lloc, aquestes diferències acceleraran les partícules carregades gairebé a la velocitat de la llum i, finalment, la rotació del forat negre torçarà les línies de camps magnètics i algunes formaran una mena de tub retorçat al llarg de l’eix de rotació del forat negre al llarg del qual les partícules carregades pujaran. Clarament, es tracta dels dolls de forats negres supermassius, que llavors comencen a radiar intensament aquestes partícules, que produiran parells de partícules-antipartícules accelerades, etc.

Clic per engrandir. Recreació artística d'un forat negre supermassiu giratori envoltat d'un disc de matèria. També veiem un raig de partícules pujant del forat negre. Crèdit: NASA  

Una acumulació "boja" o "sana"?

Com connectar aquestes explicacions amb les imatges de M87 proporcionades pel EHT? Resulta que els camps magnètics poden influir en la polarització de la llum emesa, de manera que mesurant la polarització de les ones de ràdio generades pel forat negre supermassiu i la seva acreció disc -que és precisament el que pot fer l'EHT- podem formar una imatge que mostri l’estructura magnètica del disc.

La imatge obtinguda mostra bandes regulars resultants d’un fort enrotllament de polarització en una espiral que inclou línies de camps magnètics i un flux de plasma ordenat, exactament segons un dels esquemes autoritzats pel procés de Blandford-Znajek i que genera els dolls de partícules.

Un altre d’aquests escenaris, l’esperat, hauria tingut la signatura d’un flux molt més turbulent i caòtic. Els camps magnètics allí són febles i és l’acreció de matèria la que controla la producció dels dolls, l’acreció que s’acompanya d’una forta turbulència del plasma. Per als "astrofísics numèrics" que estudien aquest model, que es diu  Sane, acrònim de stable and normal evolution (estable i evolució normal).

Altres investigadors van afavorir el model de disc magnètic aturat, MAD, on els camps magnètics són forts i controlen el procés de Blandford-Znajek i redueixen en gran mesura les manifestacions de turbulència i caos. Sane s’utilitza per descriure una persona sana en anglès, al contrari de la  bogeria (MAD).

Les modelitzacions amb ordinadors que havien començat durant la dècada de 1980 i que des de la dècada de 2000 van veure l'enfrontament dels escenaris Sane i MAD, finalment van entrar en contacte amb l’experiència que sembla haver decidit a favor de MAD. 

Vídeo (Podeu triar l'idioma de la subtitulació a la configuració del vídeo):

Els forats negres estan embolicats en plasma. Aquest plasma conté camps magnètics que afecten la manera com es mou la matèria. A mesura que el camp magnètic es fa més fort, canvia de forma i amb ell la llum polaritzada que mesurem, tal com explica aquesta animació. Avui revelem un descobriment innovador: les ones de llum polaritzades que observem indiquen que el forat negre M87 té forts camps magnètics. Aquests camps magnètics exerceixen una poderosa influència en la forma en què els objectes orbiten al voltant del forat negre i la formació dels seus dolls, que és un dels majors misteris de l'astrofísica moderna. Crèdit: ehtelescope.

 

Ho he vist aquí.