Under pressure...⁣ (Sota pressió)

El telescopi espacial Hubble de la NASA va capturar imatges d'aquesta galàxia nana, que viu a 52 milions d'anys llum de la Terra a la constel·lació de Verge. El cúmul de galàxies de Verge també acull gas relativament dens, cosa que fa que moltes galàxies com aquesta visquin sota la pressió que exerceix, coneguda com a pressió d'ariet.

Clic a la imatge per engrandir.  En aquesta imatge, l'espai negre està esquitxat d'estrelles i galàxies taronges i grogues, de formes i mides molt variades. A la part esquerra de la imatge destaca un polsós núvol d'estrelles que forma la galàxia nana. Brilla amb petites estrelles blanques i groc clar. Crèdit: ESA/Hubble i NASA, M. Sun

La pressió que exerceix el gas intergalàctic pot tenir un gran impacte en la formació estel·lar de galàxies com aquesta. D'una banda, la força pot expulsar els gasos i la pols que condueixen a la formació estel·lar, alentint o aturant completament la producció d'estrelles. A la inversa, la pressió pot comprimir aquests ingredients de la formació estel·lar, impulsant la formació de noves estrelles.

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta impactant imatge combina dades recollides amb l'Advanced Camera for Surveys (ACS), instal·lada al telescopi espacial Hubble de la NASA/ESA, i dades del telescopi Subaru de Hawaii. Mostra només una part de l'espectacular cua que emergeix d'una galàxia espiral anomenada D100. Aquest tipus de cues es creen mitjançant un procés conegut com a despullament per pressió d'ariet.

 

Tot i les aparences, l'espai entre les galàxies d'un cúmul està molt lluny de ser buit; en realitat és ple de gas i plasma sobreescalfats, que arrosseguen i estiren les galàxies a mesura que es mouen per ell, una mica com la resistència que hom experimenta en travessar aigües profundes. Això pot ser prou fort com per esquinçar galàxies, i sovint dóna lloc a objectes amb formes i característiques peculiars i estranyes, com es veu aquí. La cridanera cua de gas de D100, que s'estén molt més enllà d'aquesta imatge a l'esquerra, n'és un exemple particularment sorprenent. La galàxia forma part de l'enorme cúmul de Coma. 

 

La pressió exercida pel plasma calent constituent del cúmul (conegut com a mitjà intracúmul) ha arrencat gas de D100 i l'ha separat del cos principal de la galàxia, arrossegant-lo cap al plomall que apareix a la imatge. Els cúmuls densament poblats com Coma tenen milers de galàxies. Són, per tant, els laboratoris perfectes per estudiar l'intrigant fenomen del despreniment per pressió d'ariet, que, a més de produir belles imatges com aquesta, pot tenir un efecte profund en la forma en què les galàxies evolucionen i formen noves generacions d'estrelles. Crèdits: ESA/Hubble, Manel Capdevila.

Ho he vist aquí.

Dossier. La matèria fosca; 3 en cúmuls de galàxies

En aquest dossier es presenten les diferents pistes que porten a la hipòtesi de la matèria fosca, així com diverses propostes que s'han fet per intentar dilucidar-ne la seva naturalesa.

La major part de les galàxies s'agrupen en cúmuls, als quals estan vinculats gravitacionalment: tot el cúmul atrau i reté cadascuna de les galàxies. Una observació atenta dels cúmuls mostra que també contenen una gran quantitat de gas. Es poden utilitzar diversos mètodes per estimar la massa d'aquests cúmuls, i totes les mesures coincideixen que és més gran que la de les galàxies i el gas junts.

Clic per engrandir. Cúmul de galàxies. Crèdit: Yuriy Mazur, Adobe Stock.

Per tant, sembla que aquests objectes contenen una gran quantitat de massa en una altra forma, que s'anomena matèria fosca. Els cúmuls de galàxies constitueixen objectes d'elecció per estudiar el problema de la matèria fosca, perquè es pot estudiar la seva distribució de massa mitjançant diversos mètodes independents:

- El moviment de les seves galàxies
- Les propietats del gas calent que contenen
- Els fenòmens de lents gravitacionals que hi observem
- La pertorbació de la radiació còsmica de fons que indueixen (efecte Sunyaev Zeldovitch)
- Modelització de la seva formació per col·lapse gravitacional per la manca d'homogeneïtat primordial.

Els moviments de les galàxies dins dels cúmuls

Primer, dins de cada cúmul, les galàxies es mouen. El seu moviment està determinat per les forces de gravitació a què estan sotmeses, i per tant a la massa circumdant (tornarem amb detall a la pàgina dedicada a les galàxies sobre la relació entre moviment i distribució de masses). L'anàlisi d'engranatges per tant, proporciona informació sobre la massa dels cúmuls. Això va portar a Zwicky, ja l'any 1933, a destacar un problema del cúmul Coma, la massa estimada d'aquesta manera essent molt més gran que la suma de les masses de les galàxies observades allí. Tingueu en compte que en aquell moment, el concepte de matèria fosca era absolutament desconegut, només apareixerà als anys 70.

Clic per engrandir. Imatges visibles del clúster Coma (costat d'1Mpc). La imatge visible mostra principalment les galàxies. Altres tipus d'observacions destacarien un tercer component?.

Hi ha diverses causes possibles per a aquest problema:

- Les mesures són incorrectes o mal interpretades
- Hi ha massa en forma lleugerament lluminosa, això és matèria fosca
- Les fórmules utilitzades són falses, i la teoria que ens les dóna no és vàlida
- Des de llavors, les observacions de Zwicky s'han confirmat en gran mesura i el mateix problema s'ha demostrat a la majoria de cúmuls! Per tant, la primera hipòtesi es pot rebutjar.

La resta d'observacions que hem comentat anteriorment ens porten a les mateixes conclusions, continuem repassant-les. 

 

L'emissió en X de gas calent

Els cúmuls de galàxies no només contenen galàxies, moltes d'elles estan plenes de gas extremadament calent (10-100 milions de graus) i de baixa densitat (1.000 partícules/m³). Aquest gas es distribueix de manera molt més difusa i extensa que les galàxies. A aquestes temperatures, està totalment ionitzat, és un plasma. L'estat termodinàmic d'aquest gas ens pot dir diverses coses sobre el cúmul. Per a això, adoptem una hipòtesi comuna en aquest camp i suposem que el gas està en equilibri hidrostàtic. Això vol dir que no hi ha grans moviments globals i, per tant, les forces de pressió estan perfectament equilibrades amb les altres forces presents. En aquest cas, el gradient de pressió en el gas està relacionada amb la gravetat local, segons l'expressió coneguda per qualsevol alumne que s'enfronti a l'estàtica dels fluids (però que pots saltar fàcilment si no et sents còmode amb les fórmules).

Tanmateix, es pot calcular la pressió del gas sempre que es conegui la temperatura i la densitat (en el cas de gasos ideals, sovint adaptada en aquest context, la pressió és proporcional a la densitat de la massa i la temperatura). Aquestes dues magnituds es poden mesurar estudiant els raigs tèrmics emesos per aquest gas, que es troba principalment en el rang dels raigs X a aquestes temperatures. Se'n poden extreure dos tipus d'informació: d'una banda les propietats espectrals (la descomposició en longituds d'ona) revelen la temperatura T del gas, mentre que la intensitat de la radiació (la quantitat total d'energia rebuda) permet rastrejar la densitat del gas emissor. El progrés d'aquest tipus d'observació va seguir, naturalment, el dels detectors de raigs X. Després dels precursors SAS1, Ariel-V, Exosat, Ginga, ROSAT, etc., els últims instruments de la pista XMM-Newton i Chandra (amb característiques força complementàries en termes de sensibilitat espectral: capacitat per determinar l'energia de la radiació rebuda, i resolució angular (capacitat per distingir fonts properes) permeten obtenir espectres des de diferents punts dels cúmuls. Ara hi ha una resolució suficient per produir mapes detallats de temperatura i densitat als cúmuls i per tant, determinar la distribució de la massa al cúmul.

El resultat és que la massa visible (essencialment el gas) constitueix al voltant del 10% de la massa total dels cúmuls.

Les observacions també permeten assegurar que es verifica la hipòtesi de l'equilibri hidrostàtic. En els pocs casos en què no ho és, alguna cosa violenta ha passat en un passat relativament recent. Les desviacions d'aquest equilibri permeten llavors entendre l'evolució passada del cúmul, per exemple per recórrer la història d'una col·lisió amb un altre cúmul.

Clic per engrandir. Emissió X al cúmul del Forn vist per Chandra. Crèdit Chandra-NASA

Les lents gravitacionals

També podem mesurar la quantitat de massa en cúmuls mesurant directament el potencial gravitatori, gràcies a l'efecte de la lent gravitacional. Aquest efecte es deu a la desviació dels raigs de llum per part d'objectes massius, i es tradueix en una distorsió de la imatge d'un objecte llunyà quan s'interposa un cos massiu entre aquest objecte i l'observador a la Terra. Se solen distingir dues situacions: lents febles, per a les quals les imatges es deformen simplement, es contrauen en direcció a l'objecte massiu; lents fortes per a les quals es dupliquen les imatges, una única font apareix com a diversos arcs (vegeu la figura següent). L'estudi d'aquestes lents gravitacionals permet sondejar la massa dels cúmuls, amb una particularitat interessant: aquest efecte és sensible a totes les masses presents, independentment de la seva naturalesa. Els resultats d'aquestes anàlisis s'acosten molt als que dóna l'estudi de l'emissió de raigs X pel gas calent: la matèria visible (gas i galàxies) representa, una vegada més, al voltant del 10% de la massa responsable dels efectes de lents. De fet, és possible anar més enllà i produir mapes de densitat de matèria fosca en cúmuls. Aleshores ens adonem que la matèria fosca es distribueix de manera molt més difusa que el gas, menys concentrada que les galàxies.

Clic per engrandir. A l'esquerra, emissió de raigs X (panell esquerra, vista per Chandra) i lents gravitacionals (panell dret, imatges HST: Abell 2390 a dalt, MS2137.3-2353 a continuació). Aquests dos cúmuls es troben a 2.500 i 3.100 milions d'anys llum respectivament. A la dreta, una altra imatge de lents gravitacionals. Els objectes blavosos són diverses imatges del mateix objecte situades molt darrere del cúmul visible en primer pla. Vegeu la il·lustració següent.

Clic per engrandir. El camí de la llum (línies turquesa) que ens arriba des de la galàxia de fons. Els raigs de llum són doblegats pel camp gravitatori del cúmul de primer pla i sembla que provenen d'altres direccions (línies grises).

L'efecte Sunyaev-Zeldovitch

Avenços recents en tècniques d'observació de la radiació còsmica de fons (CMB d'ara endavant, l'acrònim anglosaxó de Cosmic Microwave Background) ofereix un nou mètode per mesurar la quantitat de matèria continguda en cúmuls. En poques paraules, CMB és una radiació electromagnètica de baixa freqüència (en comparació amb la llum) que banya tot l'Univers. És la llum emesa quan es van formar els primers àtoms, la desaparició de gairebé totes les càrregues lliures que han fet l'Univers transparent, la llum present es pot propagar a distàncies molt llargues (vegeu el capítol següent per a més detalls). A causa de l'expansió de l'Univers, aquesta llum ha estat fortament desplaçada al vermell i ara apareix en el rang de microones.

Tanmateix, aquesta radiació pot interactuar amb el material que troba al seu camí. En particular, quan travessa una zona prou calenta perquè la matèria estigui present en forma de plasma, com ara al cor de les galàxies, pot interactuar amb electrons lliures. Això té un efecte observable: es modifica l'espectre del CMB. Això s'anomena efecte Sunyaev-Zeldovitch. Observant i analitzant amb detall la distorsió de l'espectre CMB, podem deduir diverses característiques del medi, en particular la seva densitat d'electrons així com la seva temperatura. Per tant, aquesta informació és completament complementària a la que proporciona l'estudi de l'emissió X del gas calent.

Clic per engrandir. Imatges del cúmul A3667. Al mig, imatge en X obtinguda per ROSAT, a l'esquerra alteració de la temperatura del CMB a causa d'aquest cúmul. Crèdit: Melanie Johnston-Hollitt

Formació dels cúmuls de galàxies

Els tres tipus d'observacions anteriors donen una indicació directa de la massa dels cúmuls. Un quart enfocament proporciona pistes sòlides: com recordarem amb més detall més endavant, la cosmologia permet estudiar la formació dels cúmuls de galàxies per col·lapse gravitatori de la manca d'homogeneïtat del fluid primordial. Els detalls d'aquest col·lapse depenen molt de la composició de l'Univers, i de nou de manera molt notable, els escenaris cosmològics coincideixen amb les observacions només si l'Univers està format per una gran quantitat de matèria fosca. Tornarem més endavant a les simulacions cosmològiques i a la informació que poden aportar sobre les propietats de la matèria fosca.

Clic per engrandir.  Simulació cosmològica de la formació de cúmuls de galàxies, per a diferents models cosmològics. Cada línia representa l'evolució en el temps de la distribució de la matèria fosca (les zones més concentrades són més brillants) per a un determinat tipus de model (Lambda CDM, SCDM, etc.), les imatges estan separades per uns quants milers de milions d'anys. (font: Virgo, dirigida per Joerg Colberg)

 

Resum

La matèria visible dels cúmuls (el gas i les galàxies, aquestes últimes només representen una petita fracció de la massa del gas), només representa al voltant del 10% de la seva massa gravitatòria.

Veure:

Capítol anterior: 2 La matèria fosca; Urà i Neptú, Mercuri i Vulcà
Capítol següent: 4 La matèria fosca: La cosmologia (en preparació)

Ho he vist aquí.

Dossier Via Làctia: 4 La Via Làctia i la matèria fosca

La Via Làctia, un magnífic camí d'estrelles al cel nocturn, encara guarda molts secrets. La matèria fosca i l'energia, els forats negres supermassius són temes fascinants per entendre millor la nostra galàxia.

Ara estem convençuts que només coneixem una petita part de l'univers. Així galàxies, en particular la Via Làctia, apareixen banyades en un halo de matèria fosca.

Ja l'any 1933, Fritz Zwicky va notar que les galàxies dins dels cúmuls (com els cúmuls de Verge, Coma, etc.) estaven agitats amb gran velocitats, massa elevades per que la massa visible del cúmul pugui retenir-los per la gravetat. L'astrofísic va concloure l'existència de massa invisible, per tant de matèria fosca.

Clic per engrandir. Centaurus A, una galàxia lenticular. Crèdit: ESO / WFI (Òptic) MPIfR / ESO  / APEX / A.Weiss et al. (Submil·limètric); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (Raigs X) , CC per 4.0 

Malgrat això, la massa que faltava es considerava feta de matèria ordinària, d'àtoms que coneixem bé, ja sigui en forma de gas d'hidrogen, o com a objectes condensats, com ara estrelles al final de la vida o nanes marrons, etc.

Galàxies en un halo de matèria fosca

A la dècada de 1970, la mesura exacta de la rotació de les estrelles i del gas dins de les galàxies espirals va evidenciar l'existència de massa mancant dins de les galàxies, que així apareixen banyades en un halo de matèria fosca.

El 1984, Blumenthal i els seus col·laboradors van anar més enllà: per formar galàxies a partir de minúscules fluctuacions primordials, la matèria ordinària no és pas suficient. Cal assumir l'existència de la matèria exòtica, feta de partícules sense col·lisions, que no interaccionen directament ni amb la matèria ordinària ni amb els fotons, però només per la gravetat. Aquests són els fonaments del model estàndard de matèria fosca freda o CDM (cold dark matter).

Clic per engrandir. Corba de rotació en una típica galàxia espiral, aquí la Via Làctia. La velocitat de la matèria V (en km/s) es representa en funció de la distància al centre R (en kpc, el parsec equival a uns tres anys llum). Els punts de mesura són els símbols de les estrelles. La massa del bulb (B) i la del disc (D) poden explicar la corba de rotació, en línies fines contínues. Però es necessita l'halo de matèria fosca (H) per reproduir la línia gruixuda contínua, que és coherent amb les observacions. S'indica la posició del Sol a 8 kpc. Crèdit: Françoise Combes 

Avui, després de diversos satèl·lits (Cobe, WMap, Planck) que han estudiat amb detall les fluctuacions i anisotropies del fons còsmic de microones, sabem que el model del Big Bang, on l'univers en expansió era molt calent i dens, fa 13.800 milions d'anys, es confirma amb una precisió molt alta. Totes aquestes observacions, amb els mapes de lents gravitacionals (a on els raigs de llum de les galàxies de fons són desviats per la matèria fosca de primer pla), així com l'estudi de supernoves tipus Ia, que demostren ser uns excel·lents calibradors de distància (anomenades "espelmes estàndard"), convergeixen en un model de l'univers, anomenat "concordança".

L'univers és un 25% de matèria fosca

La curvatura de l'univers és zero, l'espai és "pla", segons la nostra intuïció: la llum es propaga en línia recta, i la suma dels angles d'un triangle és efectivament de 180 graus, com s'ensenya a l'escola. D'altra banda, els continguts de l'univers són més confusos:

   - 5% matèria ordinària;
   - 25% de matèria fosca exòtica;
   - 70% d'energia fosca.

El sector fosc, completament desconegut, correspon, doncs, al 95% del total, a més no hem identificat tota la matèria ordinària, de la qual només és visible una desena part. No sabem si l'energia fosca és realment un cinquè element (quintaessencia) o només una constant de la llei de gravitació (“constant cosmològica”), coherent amb totes les observacions fins ara.

Clic per engrandir. Esquema que mostra la distribució de la matèria continguda a l'univers. La majoria ens és desconeguda. Crèdit: Françoise Combes. Infografia en català: Sci-Bit 

Composició de la matèria fosca

De què està feta la matèria fosca? Fins fa poc, el millor candidat per constituir-lo era el neutralí, la partícula massiva més estable de la família de les partícules supersimètriques, que interaccionava molt feblement amb la matèria ordinària. Les esperances de confirmar la teoria de supersimetria, que duplica el nombre de partícules elementals, sembla que es marceixen a mesura que es realitzen els experiments del CERN al LHC.

D'altra banda, si el model CDM reprodueix bé les observacions de l'univers primordial i permet formar les estructures, es troba amb seriosos problemes en l'evolució i la dinàmica de les galàxies actuals. Les simulacions de l'univers per ordinador basant-se en el model CDM formen pics de densitat de matèria fosca cap al centre de les galàxies que no s'observen, i mostren milers de galàxies satèl·lit al voltant d'una principal, com la Via Làctia , on no s'observa més que una dotzena d'acompanyants.

Els esforços per resoldre aquests problemes amb la física de la matèria (formació d'estrelles i supernoves, energia de forats negres i nuclis actius al centre de les galàxies, per allunyar la matèria fosca) resulten ineficaços. Tant és així que avui s'estan estudiant altres models, com el de matèria fosca càlida, que es podria formar a partir de neutrins estèrils, amb una massa 1.000 vegades menor que la dels neutralins.

Clic per engrandir. Simulació de la futura xarxa de telescopis SKA (Square Kilometer Array). Crèdit: www.skatelescope.org

També s'estudien altres vies, com la de la gravetat modificada, que fins aleshores no es pensava seriosament. El problema de la massa desapareguda podria ser degut només a l'adopció de les lleis de Newton i d'Einstein per a un domini de baixa gravetat, on encara no s'han verificat. Aquest domini és el de les galàxies, i només l'astrofísica podria posar-nos en el camí. Tanmateix, no és fàcil trobar la llei correcta, que implica camps escalars i vectorials addicionals, i sobretot explicar per què són necessaris a l'univers.

Les perspectives de recerca s'obren per a la propera dècada gràcies als nombrosos experiments que s'estan preparant arreu del món: el satèl·lit europeu Euclid, així com telescopis a terra òptic (LSST, Large Synoptic Survey Telescope) i ràdio (el SKA, Square Kilometer Array), són les principals eines.

Veure:

Anterior: 3 Estructura i components de la galàxia espiral
Següent: 5 El forat negre al cor de la Vía Làctia

Ho he vist aquí.