Existeixen realment els forats negres que s'han fet famosos gràcies a les obres i la recerca de Stephen Hawking? L'astronomia d'ones gravitacionals celebra el setembre del 2025 deu anys d'èxit des dels seus inicis. S'acaben d'anunciar dos nous resultats fascinants en aquest camp!
Recordeu, fa 10 anys, el descobriment d'una font d'ones gravitacionals que va impactar sobre la Terra el 14 de setembre de 2015, va obrir una nova era en l'astronomia.
Anomenada GW150914 (GW per a ona gravitacional, i 150914 per a la data d'observació, 14 de setembre de 2015), correspon a la primera detecció directa a la Terra d'ones gravitacionals produïdes per una col·lisió seguida d'una fusió de dos forats negres estel·lars. Part de la massa total dels dos objectes (cadascun contenia unes 30 vegades la massa del Sol) s'havia convertit en ones gravitacionals que alliberaven en menys d'un segon 50 vegades més energia que totes les estrelles de l'Univers observable.
Si hagués estat en forma electromagnètica, GW150914 hauria aparegut més brillant al nostre cel que la lluna plena, tot i que aquesta font es troba a 1.300 milions d'anys de distància anys llum aproximadament.
Una presentació en vídeo de Virgo i la caça d'ones gravitacionals. Crèdit: CNRS.
Einstein havia predit l'existència d'un anàleg de les ones de llum en forma de vibracions i deformacions dinàmiques del teixit de l'espai-temps, corba de la seva teoria de la relativitat general en articles publicats inicialment entre 1916 i 1918. Però aquesta existència va ser posteriorment qüestionada. La primera demostració matemàtica de l'existència d'ones d'Einstein en la seva teoria va ser finalment feta per Yvonne Choquet-Bruhat a principis dels anys cinquanta. Però curiosament, calia esperar als arguments de físics avançats en particular de Richard Feynman i Hermann Bondi el 1957, per convèncer la comunitat científica.
Tanmateix, quedava detectar aquestes ones i això ja era una altra qüestió. Va caldre la feina de pioners com Kip Thorne, Thibault Damour, Alain Brillet i els difunts Rainer Weiss, Vladimir Braginsky i Ron Drever per arribar-hi, juntament amb milers de col·legues que estan darrere dels detectors d'ones gravitacionals que operen com a interferòmetres i utilitzant raigs làser als Estats Units, que tenen LIGO; a Europa, hi ha VIRGO; a Kamioka, prefectura de Gifu, Japó, hi ha KAGRA.
Els membres combinats del que es podria anomenar la col·laboració LVK (LIGO, VIRGO, KAGRA) han anunciat recentment que caldrà una dècada de millora d'aquests detectors per fer-los més sensibles i progressar en les tècniques d'anàlisi dels senyals observats, sobretot gràcies a la IA, els havia permès obtenir resultats espectaculars. Aquests avenços es refereixen a una font detectada el 2025, força similar a la del 2015, és a dir, una col·lisió de dos forats negres que contenien unes quantes desenes de masses solars cadascun i anomenada GW250114.
Aquest treball es presenta en un article publicat a Physical Review Letters, una versió d'accés obert del qual també existeix a arXiv.
Els forats negres tenen entropia?
Per fer una breu presentació d'aquests resultats, cal saber que des de la dècada del 1960 fins a la del 1970 el concepte modern de forat negre i els seus desenvolupaments van conduir a l'admissió que els forats negres es poden formar mitjançant col·lapse de les forces gravitacionals de les estrelles havien de ser descrites exactament mitjançant una solució d'equacions de la relativitat general d'Einstein, descoberta el 1963 pel matemàtic neozelandès Roy Kerr.
Però no podíem estar segurs que els forats negres existissin realment. Els objectes que semblaven ser forats negres potser simplement eren una mica...exòtics i molt densos, però no realment forats negres. Però com saber-ho, sobretot tenint en compte que érem ben conscients que hi ha alternatives a la teoria d'Einstein com a teoria relativista de gravitació amb un espai-temps corbat?
Stephen Hawking havia demostrat, però, en un article publicat el 1971 que, dins del marc de la teoria d'Einstein, si poguéssim tenir fusions de forats negres, mai no podríem tenir divisions d'un forat negre en diversos. Millor encara, la fusió de dos forats negres hauria de donar un nou forat negre, la superfície de l'horitzó d'esdeveniments (una superfície fictícia que es comporta com una bombolla que envolta una regió que constitueix un forat negre i que teòricament només es pot travessar en una direcció, la que porta a entrar en un forat negre) havia de ser més gran que la suma de les superfícies dels horitzons dels dos forats negres anteriors.
El 1972, mentre pensava en les possibles connexions entre la física dels forats negres i la noció d'entropia en termodinàmica mitjançant la noció d'entropia estadística de Shannon - Von Neumann vinculada a la teoria de la informació i seguint el suggeriment de John Wheeler, el físic Jacob Bekenstein va deduir que l'horitzó d'esdeveniments d'un forat negre mesurava la pèrdua d'informació sobre un objecte que entrava en un forat negre per a un observador extern. Per tant, podríem parlar de l'entropia d'un forat negre en relació amb la mida de la superfície de l'horitzó. Millor, el teorema de la teoria de Hawking sobre el creixement de l'àrea d'un forat negre va ser finalment interpretable com una manifestació de la famosa segona llei de la termodinàmica amb la seva llei del creixement de l'entropia.
Hawking tenia motius per creure que això era fals. Amb els seus col·legues Brandon Carter i James Bardeen, finalment va aprofitar el 1972 una sessió a la famosa escola Les Houches fundada per Cécile-DeWitt Morette per desenvolupar la seva teoria amb creixement d'àrea, tot argumentant que no es podia interpretar com pretenia Bekenstein. En això, s'equivocava, com descobriria quan descobrís la seva famosa teoria de la radiació quàntica dels forats negres.
Resulta que avui dia les anàlisis del senyal de GW250114 (a més a més molt millor detectat que fa 10 anys) s'han tornat molt més precises en comparació amb les del senyal de GW150914 que astrofísics van poder veure que el teorema de Hawking estava perfectament verificat!
Però hi ha més. Quan dos forats negres es fusionen, l'objecte resultant encara no està en la seva forma estable; el seu horitzó es deforma i vibra com la superfície d'una campana tocada. Per assolir la seva forma estable, és a dir, la descrita per la solució de Kerr per a un forat negre en rotació, ha d'emetre ones gravitacionals que continguin harmònics fonamentals (anomenats "tons" en anglès) i els seus múltiples per enters (anomenats "overtones" en anglès). Matemàticament, en l'argot dels físics, tenim en certa manera la descomposició de Fourier dels espectre d'ones dels factors exp (-at) d'amortiment de l'amplitud de l'ona amb termes harmònics de la forma exp (ibt).
Resulta que l'existència d'un forat negre real descrit per la solució de Kerr prediu els factors i constants anteriors. Certament depenen de la massa i del moment angular descrivint la rotació del forat negre pertorbat amb vibracions d'amortiment, però són característiques de la presència d'aquest tipus de forat negre.
Aquí teniu el resultat més espectacular. Per primera vegada, alguns dels harmònics de la teoria s'han demostrat fermament. Això reforça la nostra confiança en la teoria dels forats negres basada en les equacions d'Einstein i, per tant, indirectament també amb el resultat sobre l'àrea, la nostra confiança en la teoria de Bekenstein i Hawking de l'entropia dels forats negres.
Forats negres que vibren quan xoquen
Els físics i matemàtics relativistes defineixen els forats negres només com a objectes que ocupen una regió tancada de l'espai-temps de la qual res no pot escapar a causa de la naturalesa finita de la velocitat de la llum: l'horitzó d'esdeveniments. És la presència d'aquest horitzó, i res més, el que defineix un forat negre, ni tan sols la presència d'una singularitat amb densitat i curvatura infinita de l'espai-temps al seu centre, cosa que, a més, és dubtosa a causa dels efectes quàntics.
Van demostrar a partir d'aquesta definició que només existeix una família de solucions necessàriament rigorosament exactes a les equacions d'Einstein que descriuen un forat negre. Aquesta família depèn només de la massa, el moment angular i, possiblement, de les càrregues elèctriques o fins i tot magnètiques de les partícules absorbides i res més. Aquest és el teorema de la unicitat dels forats negres, més sovint conegut com el teorema de la calvície per als forats negres, en anglès el famós "no-hair theorem".
Concretament, al camp de l'astrofísica on totes les estrelles giren i on naturalment esperem la formació de forats negres, els més simples no tenen rotació i només tenen massa, els forats negres de Schwarzschild; i els més realistes també giren, els forats negres de Kerr.
La superfície de l'horitzó d'esdeveniments d'un forat negre, ja sigui de Schwarzschild o de Kerr, és perfectament llisa i esfèrica (d'aquí la relació amb el terme calvície), però es deforma temporalment, tornant-se irregular quan un forat negre absorbeix un objecte, per exemple un asteroide, o durant una col·lisió amb un altre forat negre.
Clic a la imatge per engrandir. L'obra més famosa del físic indi CV Vishveshwara (1938–2017) és el descobriment dels modes quasi normals en els forats negres. El 1970, va demostrar que un forat negre de Schwarzschild pertorbat per un pols de radiació gravitacional tornarà al seu estat original emetent ones gravitacionals d'una forma característica determinada pel que s'anomena modes quasi normals. Les freqüències (complexes) d'aquests modes quasi normals per als forats negres de Schwarzschild són independents de la forma d'aquesta pertorbació i es caracteritzen completament per la massa del forat negre. Més tard, aquest resultat es va generalitzar al cas dels forats negres de Kerr en rotació. Els modes quasi normals són aleshores funcions de la massa i del moment angular propi, l'espín, del forat negre. L'observació dels modes quasi normals es considera un mitjà per establir l'existència de forats negres. Crèdit: International Centre for Theoretical Sciences, Bengaluru.
Modes quasi normals característics dels forats negres
Existeixen aleshores, el que s'anomena en ambdós casos, modes quasi normals per a aquestes vibracions que s'esmorteiran, sota l'efecte de l'emissió d'ones gravitacionals en els primers casos, i amb emissions sonores per a una campana. L'efecte d'amortiment farà que el forat negre, després d'una fusió, prengui la forma exacta descrita per la famosa mètrica de Kerr per a un forat negre sense càrregues giratòries.
Clic a la imatge per engrandir. Saul A. Teukolsky (1947-) és un astrofísic relativista d'origen sud-africà especialitzat en la resolució numèrica de les equacions d'Einstein aplicades a la física dels forats negres i les estrelles de neutrons, en particular amb el fenomen de l'emissió d'ones gravitacionals, les formes de les quals modela per a la detecció amb instruments com LIGO i VIRGO. També és conegut pel seu treball sobre les pertorbacions de la solució de Kerr per a forats negres en rotació, mentre completava la seva tesi sota la supervisió del guanyador del Premi Nobel Kip Thorne. Crèdit: 2019 Universitat Cornell.
Recordem que les equacions de la teoria de la relativitat general no són lineals. Per tant, són molt més difícils de resoldre que en el cas de les equacions lineals i de vegades requereixen l'ús de simulacions numèriques en ordinador. Aquest no és un cas únic, les equacions de Navier-Stokes en mecànica de fluids, també no lineals, es poden utilitzar per exemple analíticament per descriure el moviment de petites ones a la superfície de l'aigua. Aleshores es pot aplicar el mètode de pertorbació, un mètode que també s'ha aplicat en el règim lineal per descriure com es comporten els forats negres quan estan sotmesos a efectes de baixa intensitat. Però en altres situacions, l'ús d'un ordinador esdevé necessari.
L'estudi dels modes quasi normals és un tema de recerca important perquè s'han proposat alternatives als forats negres, com ara els gravastars, per explicar objectes observats en astrofísica, com ara Sgr A* o M 87* , que semblen comportar-se com a forats negres fins a cert punt.
És precisament, en part, en un intent de posar fi al debat sobre l'existència real dels forats negres que es van dissenyar i llançar els projectes de detectors d'ones gravitacionals LIGO, VIRGO i eLisa.
Per saber-ne més
El britànic John Michell (1783) i el francès Pierre-Simon de Laplace (1796) van preveure el concepte de forat negre ja a finals del segle XVIII quan consideraven la velocitat d'escapament màxima d'un cos d'una massa i un radi determinats. La qüestió era natural perquè, en aquell moment, el model corpuscular dominava la concepció de la llum i també se sospitava que la matèria estava feta de partícules. Si la velocitat d'escapament d'un cos d'aquest tipus superava la velocitat de la llum, per tant, necessàriament havia de ser perfectament negre perquè cap radiació no en podia escapar.
La idea només tornaria a la vida durant la segona meitat del segle XX, amb el descobriment de la teoria de la relativitat general i el de la famosa solució de Schwarzschild, la naturalesa física de la qual, així com l'estructura matemàtica, només es va començar a comprendre durant les dècades del 1950 i del 1960. L'aparició de la teoria ondulatòria moderna de la llum, després del treball de Young, Fresnel i, per descomptat, Maxwell al segle XIX, no implicava de fet cap acció de la gravitació sobre la llum, a diferència de les partícules de llum de Newton que descrivien trajectòries en forma de raigs de llum segons lleis anàlogues a les de les partícules materials.
Igual que Einstein i altres, el físic John Wheeler es va mostrar inicialment escèptic sobre l'existència del que ell mateix va anomenar un forat negre el 1967 i que estava implícit en la solució de Schwarzschild. Va canviar d'opinió a principis dels anys seixanta i, amb els seus col·laboradors, es va unir a l'escola britànica dirigida per un antic estudiant de doctorat de Paul Dirac, Denis Sciama, i els seus estudiants (Roger Penrose i Stephen Hawking ), així com a l'escola russa dirigida per Yakov Zeldovich i Igor Novikov, en l'exploració de la teoria dels forats negres durant el període comprès entre 1963 i 1973, un període anomenat des de llavors l'edat d'or de la teoria dels forats negres. Es pot rastrejar des del descobriment de la solució de Kerr que descriu un forat negre en rotació fins al descobriment de la radiació dels forats negres per Hawking.
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada
Aquí pots deixar el teu comentari