Una galàxia distant descoberta pel Webb desafia la cosmologia?

Una galàxia espiral barrada distant descoberta pel James Webb desafia la cosmologia?

Des de fa uns anys, el telescopi espacial James Webb ha estat revelant galàxies distants que van escapar del telescopi Hubble, deixant perplexos els cosmòlegs que es pregunten si podrien ser la punta de l'iceberg d'una revolució en cosmologia. Aquest també és el cas de la galàxia anomenada M1149-BSG-z5, que també està batent rècords

Clic a la imatge per engrandir. NGC 1300, una galàxia espiral barrada. Imatge presa pel Telescopi Espacial Hubble (HST). NGC 1300, situada a 69 milions d'anys llum de distància a la constel·lació d'Eridà, és una d'aquelles galàxies amb una gran barra central. Aquesta barra conté una espiral de 3.300 anys llum de diàmetre. Els gasos de la galàxia són atrets cap a l'interior, cap a la barra, i després cap a l'espiral interior, on alimenten un forat negre. Tanmateix, el centre de la galàxia no està actiu, cosa que suggereix que el forat negre central no està acumulant matèria actualment. La llum de les estrelles i la pols apareix blava. La llum dels cúmuls estel·lars està ressaltada pel vermell de l'hidrogen. Aquesta imatge és una composició de dues imatges preses per la càmera ACS. Crèdit: NASA, ESA i The Hubble Heritage Team STScI AURA 

Un tresor d'imatges del Telescopi Espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA presenta retrats en l'infraroig proper i mitjà de 19 galàxies espirals que s'enfronten. Aquesta nova i exquisida sèrie d'imatges mostra estrelles, gas i pols a les escales més petites mai observades més enllà de la nostra pròpia galàxia. Equips d'investigadors estan estudiant aquestes imatges per descobrir els orígens d'aquestes estructures complexes. L'anàlisi col·lectiva de la comunitat investigadora, en última instància, servirà de base per a les simulacions dels teòrics i farà avançar la nostra comprensió de la formació estel·lar i l'evolució de les galàxies espirals. Crèdit: NASA, ESA, CSA, STScI, J. Lee (STScI), T. Williams (Oxford), equip PHANGS, E. Wheatley (STScI), N. Bartmann. Música: Stellardrone - Ascent

Va ser el 1925 que l'astrònom Edwin Hubble va ser el primer a proposar una classificació de galàxies que avui es coneix com la seqüència de Hubble, popularitzada en forma de diagrama en forma de diapasó. Mostrava notablement les galàxies espirals i el·líptiques.

Hubble creia que el seu diagrama il·lustrava l'evolució de les galàxies. La idea bàsica era correcta, però no l'evolució precisa que ell preveia. No obstant això, la seva classificació incloïa, entre altres coses, subdivisions com ara les galàxies espirals barrades.

Clic a la imatge per engrandir. El diagrama de Hubble. Crèdit: Imatge lliure de drets, del text en català: Sci-Bit

Avui, el telescopi espacial James Webb (JWST) ens permet sondejar estrats de llum més profunda de l'Univers que el seu predecessor, el telescopi Hubble, i ens permet observar i incloure a la classificació Hubble galàxies distants les estructures de les quals no eren visibles amb Hubble, a causa de la manca de resolució suficient.

Un equip internacional liderat per Xiaohan Wang de la Universitat de Tsinghua va anunciar a través d'un article d'accés obert a arXiv que havien descobert amb el JWST la galàxia espiral barrada més distant coneguda fins ara.

Clic a la imatge per engrandir. Imatge composta en fals color de M1149-BSG-z5, creada a partir de dades d'imatges JWST adquirides mitjançant els filtres F090W+F115W+F150W (blau), F200W+F277W+F300M (verd) i F356W+F410M+F444W (vermell). La banda de la part inferior esquerra indica la mida angular de la imatge en segons d'arc. Crèdit: Wang et al., 2026.

Una galàxia espiral barrada que no hauria d'existir?

Va ser designat M1149-BSG-z5, té una canvi cap al vermell de 5,1, cosa que la situa a l'Univers primerenc, en un moment proper a l'era de reionització, menys de mil milions d'anys després del Big Bang, el període en què les primeres generacions d'estrelles i els forats negres supermassius darrere dels nuclis actius galàctics alteraven l'estat de l'univers ionitzant l'hidrogen neutre que havia omplert l'espai després del final del Big Bang.

M1149-BSG-z5 sorprèn als astrofísics i cosmòlegs perquè ja és gran i està evolucionada químicament, i conté elements pesants sintetitzats per estrelles massives, per a la data en què s'observa al cosmos.

Sobretot, en aquella època, les distàncies entre galàxies eren més petites i, per tant, les interaccions entre galàxies eren més freqüents que en els darrers mil milions d'anys. Aquestes interaccions poden, a través de la seves forces de marea gravitacionals poden produir una estructura semblant a una barra en el fluid autogravitatori de les estrelles d'una galàxia, però aquestes interaccions també la poden desestabilitzar. Per tant, s'esperava que s'observessin poques galàxies espirals barrades a l'Univers distant.

En resum, com va poder aparèixer una galàxia espiral barrada tan organitzada quan l'Univers encara era tan jove?

Per tant, no se sap ben bé si M1149-BSG-z5, i altres grans galàxies observades primerenques pel JWST, són compatibles amb el Model Cosmològic Estàndard. Hauríem de prescindir de matèria fosca en benefici de la Teoria de Mond, Per exemple?

Ho he vist aquí.

Emergeix una nova família de forats negres gegants

Sorpresa còsmica: una nova família de forats negres gegants emergeix en ones gravitacional

Clic a la imatge per engrandir. L'astronomia d'ones gravitacionals ja no es conforma amb comptar simplement les fusions de forats negres. Comença a revelar com i on es formen els forats negres, i què ens diu això sobre la vida i la mort d'estrelles massives. Crèdit: Dabarti, Adobe Stock 

I si els forats negres més grans no haguessin nascut tan grans? Les ones gravitacionals ara expliquen una història diferent i molt més turbulenta.

 

És a dir, s’han detectat ones gravitacionals. Aquestes fluctuacions en l'espai-temps provenen de la fusió de dos forats negres unes 30 vegades la massa del nostre Sol. Descobreix en aquest vídeo com els científics de LIGO van poder fer aquestes primeres mesures. 

Quelcom que seria unes 10.000 vegades més petit que el nucli d'un àtom, és fa difícil d'imaginar. Tot i això, això és el que els detectors, com l'Observatori d'ones gravitacionals per interferometria làser (LIGO), són capaços de detectar. Ones en l'espai-temps causades pels fenòmens més energètics i violents de l'Univers, però l'amplitud dels quals, després d'un viatge de milions, o fins i tot milers de milions d'anys llum fins a la Terra, es redueix a gairebé res.

Aquestes ones gravitacionals conserven l'empremta dels seus orígens. Parelles d'estrelles de neutrons en òrbita l'un al voltant de l'altre o estrelles gegants que exploten com a supernoves. Les primeres d'aquestes ondulacions en l'espai-temps detectades per LIGO el 2015 van ser causades per la col·lisió de dos forats negres situats a 1.300 milions d'anys llum del nostre Sistema Solar.

Sabies que el 2015, LIGO (Observatori d'Ones Gravitacionals amb Interferometre Làser) va detectar per primera vegada ones gravitacionals. El senyal provenia de dos forats negres en col·lisió a milers de milions d'anys llum de distància, confirmant una predicció clau de la teoria de la relativitat general d'Einstein i obrint una nova manera d'observar l'univers. Crèdit: X, @cosmosarcive.

Ones gravitacionals que transporten informació valuosa sobre els seus orígens

I és en un catàleg d'aquestes ones gravitacionals que un equip de la Universitat de Cardiff (Regne Unit) acaba de fer un descobriment. La quarta versió del Catàleg de Transients d'Ones Gravitacionals (GWTC). Aquest catàleg enumera no menys de 153 fusions de forats negres detectats amb un alt nivell de confiança. Els investigadors volien entendre què ens diuen sobre la història d'aquests objectes extrems.

La seva conclusió, publicada a la revista Nature Astronomy, és sorprenent: no tots els forats negres detectats són iguals. Semblen pertànyer a dues famílies molt diferents.

La primera correspon al que els astrofísics estaven esperant: forats negres originats directament del col·lapse d'estrelles massives. Però la segona població, més massiva, no encaixa en aquest escenari clàssic. La seva característica revela una història molt més caòtica, que algunes teories ja havien considerat.

Situat aproximadament a 28.000 anys llum de la Terra, el cúmul globular M80 conté centenars de milers d'estrelles unides per la gravetat. En entorns tan densos, s'afavoreix la formació de forats negres a través de successives fusions. Crèdit: NASA, ESA, STScI i A. Sarajedini (Universitat de Florida)

Forats negres nascuts del caos dels cúmuls estel·lars

Aquests gegants còsmics no van néixer d'una sola estrella. Es van formar a través d'una sèrie de col·lisions en entorns on les estrelles poden estar fins a un milió de vegades més densament agrupades que a la rodalia del Sol: els nuclis dels cúmuls estel·lars. Allà, els forats negres es poden trobar, fusionar... una vegada i una altra.

Una pista clau recolza aquesta hipòtesi: la seva rotació. A diferència dels forats negres de menor massa, aquests giren lentament, mentre que els més massius giren més ràpid i en direccions aparentment aleatòries. Aquesta és una característica típica de les fusions successives, on cada col·lisió "remena les cartes".

Un altre misteri resolt?

L'estudi també aporta nova llum sobre una "mass gap" (bretxa de massa). Aquest fenomen, descrit per teories i vinculat al fenomen d'inestabilitat de parells, segons alguns models, es produeix al voltant de 45 masses solars, quan una estrella molt massiva pot ser destruïda completament sense deixar un forat negre. El catàleg GWTC-4 conté objectes que semblen estar situats en o prop d'aquesta zona sensible.

Hauríem de revisar les teories sobre l'evolució estel·lar? No necessàriament, segons els autors d'aquest treball. La seva interpretació més sòlida és que aquests forats negres no van néixer en un simple escenari de col·lapse d'una sola estrella, sinó en el caos dels cúmuls estel·lars on les fusions repetides poden crear objectes cada cop més massius. En altres paraules, els forats negres més grans detectats per les ones gravitacionals podrien ser supervivents d'una història turbulenta, escrita a través d'una sèrie de col·lisions.

Ho he vist aquí.

Petit Punt Vermell Abell2744-QSO1a

Petit Punt Vermell Abell2744-QSO1a (imatge de NIRCam amb mapa de velocitats de l'IFU de NIRSpec

Clic a la imatge per engrandir. Un detall d'una imatge de NIRCam del Telescopi Espacial James Webb de la NASA mostra el Petit Punt Vermell Abell2744-QSO1, lentitzat gravitacionalment per Abell 2744, un enorme megaagrupament de galàxies també conegut com a Cúmul de Pandora. Crèdit: Imatge: NASA, ESA, CSA, Ignas Juodžbalis (Cambridge), Cosimo Marconcini (Universitat de Florencia), Roberto Maiolino (Cambridge), Francesco D'Eugenio (Cambridge), Hannah Übler (MPE); Processament de la Imatge: Alyssa Pagan (STScI).

 

A la dreta s'hi mostra un mapa que indica la velocitat a la qual el gas es mou cap al telescopi o s'allunya d'aquest (velocitat de rotació) en diferents parts de QSO1. El mapa es va fer amb dades recollides amb la unitat de camp integral (IFU) de NIRSpec, una combinació de càmera i espectrògraf. La UF (Unitat de Camp Integral) recull una imatge juntament amb 900 espectres d'una porció quadrada de cel de 3 arcs de segon per 3 arcs de segon, creant mapes que mostren les diferències de brillantor de milers d'ones de longitud entre la llum de 0,6 micròmetres i la de 5,3 micròmetres a tot l'objecte. La velocitat del gas es calcula a partir de l'efecte Doppler: els colors es desvien lleugerament cap a longituds d'ona més curtes (més blaves) on el material es mou cap a nosaltres, i cap a longituds d'ona més llargues (més vermelles) on es mou en direcció contrària.

Les dades del Webb mostren que el gas brillant té rotació kepleriana: orbita un punt central de la mateixa manera que els planetes orbiten una estrella. Això significa que la major part de la massa de QSO1 ha de residir en un únic punt al centre, és a dir, un forat negre. Com que la velocitat del gas en òrbita segueix lleis de gravetat molt senzilles, les dades es poden utilitzar per calcular la massa del forat negre: sembla que és de 50 milions de masses solars, o 50 milions de vegades la massa del nostre Sol. Això suposa almenys dos terços de tota la massa de QSO1.

Vegeu la imatge completa de NIRCam i exploreu l'observació de QSO1 amb l'IFU de NIRSpec del Webb a Space Telescope Live.

 

Ho he vist aquí. 

M104 capturada amb l'instrument MIRI del James Webb

La galàxia del Sombrero (M104) capturada amb l'instrument MIRI del telescopi James Webb de la NASA.

La NASA ha presentat una nova i impressionant fotografia de la galàxia del Sombrero, capturada a 30 milions d'anys llum de la Terra pel Telescopi Espacial James Webb. 

Clic a la imatge per engrandir. Utilitzant l'Instrument de Mitja Infraroja del Webb, la imatge detalla el disc interior suau de la galàxia i el seu nucli lluminós, alhora que revela complexos grumolls de pols a l'anell exterior que indiquen zones de formació d'estrelles joves. Crèdit: NASA, ESA, CSA, STScI.

A diferència de les galàxies més actives, la galàxia del Sombrero forma menys estrelles anualment i acull un forat negre supermassiu relativament tranquil al seu centre.

Els investigadors diuen que la naturalesa aglomerada de la pols, on el MIRI detecta molècules que contenen carboni anomenades hidrocarburs aromàtics policíclics, pot indicar la presència de regions joves de formació estel·lar. No obstant això, a diferència d'algunes galàxies estudiades amb el Webb, inclosa la Messier 82, on neixen 10 vegades més estrelles que a la galàxia de la Via Làctia, la galàxia del Sombrero no és un focus particular de formació estel·lar. Els anells de la galàxia Sombrero produeixen menys d'una massa solar d'estrelles per any, en comparació amb les aproximadament dues masses solars a l'any de la Via Làctia.

Fins i tot el forat negre supermassiu, també conegut com a nucli galàctic actiu, al centre de la galàxia del Sombrero, és bastant dòcil, malgrat tenir una enorme massa de 9.000 milions de masses solars. Està classificat com a nucli galàctic actiu de baixa lluminositat, que s'alimenta lentament de material que cau des de la galàxia, mentre emet un raig brillant i relativament petit.

També a la galàxia del Sombrero hi ha uns 2.000 cúmuls globulars, conjunts de centenars de milers d'estrelles velles mantingudes unides per la gravetat. Aquest tipus de sistema serveix com a pseudolaboratori per als astrònoms per estudiar les estrelles: milers d'estrelles dins d'un mateix sistema amb la mateixa edat, però amb masses i altres propietats variables, és una oportunitat fascinant per a estudis comparatius.

 

Ho he vist aquí.

Un forat negre entra en un bufet...

Al cor de la galàxia NGC 1365, un forat negre supermassiu està bàsicament fent-se un festí en un bufet lliure en aquesta imatge conjunta de l'observatori de Raigs X Chandra i del James Webb. Situat a uns 60 milions d'anys llum de la Terra, aquest forat negre devorador té una massa d'aproximadament 2 milions de masses solars... i continua creixent.

Clic a la imatge per engrandir. Una imatge en primer pla de la galàxia espiral NGC 1365 i del forat negre supermassiu al seu centre. Crèdit: Raigs X: Observatori de raigs X Chandra,  NASA/CXC/SAO; Infraroja: Telescopi Espacial Webb: NASA/ESA/CSA/STScI; Processament de la imatge: NASA/CXC/SAO/L. Frattare i J. Major

Aquí, la galàxia es mostra des d'un angle dramàtic, com si el nucli de color rosa brillant ens observés per sobre de l'espatlla dreta. Remolins de material pàl·lid, de color gris-blau, que recorden onades en un oceà fosc, s'enrosquen cap al radiant nucli rosa, que penja a la nostra part inferior esquerra. Cercles rosats brillants i taques de vermell salpiquen la galàxia espiral en remolí.

Ho he vist aquí.

Matèria fosca: simulacions detallades compleixen el repte plantejat pel James Webb

Matèria fosca: simulacions detallades i espectaculars de galàxies finalment compleixen el repte plantejat pel telescopi James Webb.

Clic a la imatge per engrandir. Recreació artística d'una galàxia. Crèdit: DudeDesignStudio, Adobe Stock 

El telescopi espacial James Webb va revelar nombroses grans galàxies espirals ja presents a l'Univers observable primerenc, tan joves que alguns astrofísics van qüestionar si la seva existència era incompatible amb la matèria fosca. Moltes simulacions anteriors de formació de galàxies semblaven incapaces d'explicar aquestes grans galàxies, mentre que MOND, l'alternativa a la teoria de la matèria fosca, havia predit durant molt de temps la formació primerenca de grans galàxies. Una nova simulació potent reviu el debat? 

El gran matemàtic John Von Neumann, juntament amb el científic britànic Alan Turing, son considerats uns dels principals pioners i creadors d'ordinadors. Sovint es diu que la principal motivació de Von Neumann era poder fer prediccions meteorològiques precises. Per tant, podem especular sobre les seves reaccions a les simulacions que els cosmòlegs han estat duent a terme durant els darrers quaranta anys aproximadament sobre la formació i l'evolució de les galàxies i les estructures a gran escala que componen els cúmuls de galàxies.

Els cosmòlegs, per la seva banda, van dur a terme inicialment simulacions sobre aquest tema utilitzant només...paquets de matèria fosca sense tenir en compte el que podria passar amb la matèria ordinària capaç de formar estrelles massives que explotin en supernova o acumulant-se en forats negres supermassius. En aquests dos últims casos, una mena de vents còsmics resultants són capaces per si sols d'alterar la distribució de la matèria normal, produint així canvis en els camps gravitatoris, capaços d'alterar la distribució de la matèria fosca.

Com a recordatori, es creu que la matèria fosca està composta de partícules mai vistes abans en un laboratori a la Terra, i les distribucions de les masses que dominen la matèria ordinària, anomenada bariònica perquè estan formada de protons i neutrons dels nuclis. Aquesta és la raó principal per la qual les primeres simulacions de formació de galàxies només utilitzaven matèria fosca: el seu camp de gravetat se suposava que havia de dominar l'evolució del cosmos. En segon lloc, els ordinadors encara no eren prou potents per tenir en compte amb la màxima precisió tots els fenòmens possibles a l'escala de les galàxies.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. El professor Carlos Frenk és el director fundador de l'Institut de Cosmologia Computacional, el grup de recerca de la Universitat de Durham. La seva xerrada explora com es va formar l'univers i els progressos realitzats durant els darrers 30 anys per entendre millor aquesta branca de la ciència. Crèdit: ArtichokeTrust. YouTube.

Simulacions més detallades a escala de galàxia

Durant molt de temps, aquestes simulacions van tenir en compte amb precisió la majoria de les observacions, però algunes anomalies podrien posar en dubte l'exactitud del model cosmològic estàndard, basat en l'existència de l'anomenada matèria fosca freda (perquè se suposa que les seves partícules es mouen lentament i, per tant, formen un gas fred).

Alguns es preguntaven si això significava abandonar el model de matèria freda i substituir-lo per modificacions de les lleis de la mecànica celeste newtoniana dins del marc de la Teoria de Mond.

No obstant això, des de fa aproximadament una dècada, amb els avenços en la informàtica, ha estat possible executar simulacions cada cop més realistes, i molt recentment, s'han plantejat preguntes sobre si realment podien explicar les grans galàxies observades molt aviat en la història del cosmos observable pel Telescopi espacial James Webb. És força difícil explicar la seva existència únicament amb simulacions basades en la matèria fosca.

Molts cosmòlegs i astrofísics de partícules interessats en la matèria fosca haurien, doncs, d'estudiar atentament els articles publicats a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, o una versió gratuïta que també existeix a arXiv.

Un comunicat de la Royal Astronomical Society  (RAS) explica què està passant. Revela que les simulacions realitzades al superordinador COSMA8 de l'Institut de Cosmologia computacional de la Universitat de Durham al Regne Unit "Demostra que el model cosmològic estàndard, que incorpora els principals fenòmens físics, explica amb èxit el creixement observat de galàxies, des dels primers mil milions d'anys després del Big Bang fins avui dia".

Les simulacions es van dur a terme durant més d'una dècada com a part del projecte Colibre  per un equip internacional repartit per Europa, Austràlia i els Estats Units.

El reconegut cosmòleg Carlos Frenk, membre clau de l'equip de Colibre, no va amagar el seu entusiasme al comunicat de premsa de RAS: "És emocionant veure galàxies generades pel nostre ordinador, indistingibles de les galàxies reals i que comparteixen moltes propietats mesurades pels astrònoms, com ara el seu nombre, la seva brillantor, els seus colors i les seves dimensions".

Per explorar els universos virtuals generats per les simulacions, una tasca que podria trigar anys, els investigadors van produir "vídeos sonificats" com el que es mostra a continuació, on el so codifica informació física addicional.

Evolució d'una galàxia a la simulació L012m5, des del desplaçament cap al vermell z = 5,5 fins a z = 0. Aquesta galàxia té una massa estel·lar actual de 6,3 × 10¹° M☉ (masses solars), una taxa de formació estel·lar d'1,6 M☉any i un forat negre amb una massa d'1,6 × 108 M☉. La barra d'escala, a la part superior esquerra, indica una longitud de 10 quiloparsecs físics (pkpc), o aproximadament 32.600 anys llum. Crèdit: Colibre Simulations. YouTube.

Simulacions conformes amb les observacions del JWST

Entre els processos físics que millor expliquen les simulacions del projecte Colibre hi ha la presència de la pols, que ajuda a la formació de núvol d'hidrogen molecular i, per tant, a la formació d'estrelles. També hi ha el fet que finalment podem simular masses de gas a temperatures creïbles, és a dir, segons observacions fredes i en galàxies. Els càlculs anteriors només podien assignar temperatures superiors a la superfície del Sol - és a dir, per sobre dels 6.000º kelvin- a aquestes masses, que no obstant això són essencials per comprendre el naixement de les estrelles, incloses les que produiran supernoves SNII.

Això és el que en última instància permet a Evgenii Chaikin de la Universitat de Leiden, autor principal de diversos articles que acompanyen Colibre i coautor de l'estudi principal, afirmar: "Alguns resultats preliminars del JWST semblaven qüestionar el model cosmològic estàndard. Colibre demostra que, un cop els processos físics clau es representen de manera més realista, el model és coherent amb les nostres observacions".

Gairebé, perquè el comunicat de premsa de la Royal Astronomical Society acaba dient que els famosos i enigmàtics "Petits punts vermells" descoberts pel JWST, potser representen les llavors de forats negres supermassius, que Colibre no prediu, ja que suposa l'existència d'aquestes llavors. Però potser això canviarà amb el modelatge i simulacions encara més refinades i potents.

Clic a la imatge per engrandir. El panell de l'esquerra il·lustra la xarxa còsmica, on el color representa la densitat projectada de gas i estrelles. Els dos panells de la dreta presenten un zoom de dues de les moltes galàxies formades per les simulacions. Aquestes imatges mostren la llum de les estrelles enfosquida per la pols per a una galàxia espiral de cara (a dalt a la dreta) i per a una altra galàxia espiral de costat (a baix a la dreta). Crèdit: Schaye et al. (CC BY 4.0)

Ho he vist aquí.

Capritx o meravella? Deixarem que vostè decideixi

El telescopi Webb de la NASA ha observat recentment el núvol molecular Sagitari B2: la regió de formació estel·lar més massiva i activa de la nostra galàxia, situada a només uns centenars d'anys llum del forat negre supermassiu central de la Via Làctia. Els astrònoms volen esbrinar per què aquest núvol és molt més actiu que la resta del centre galàctic. Tot i que Sgr B2 només té el 10% del gas del centre galàctic, produeix el 50% de les estrelles.

Fins i tot amb la sensible capacitat infraroja de Webb, que us permet veure a través dels núvols de pols i gas, hi ha regions tan denses que el nostre telescopi orbital no pot veure a través d'elles. Aquests densos núvols són la matèria primera de les futures estrelles, i un capoll per a aquelles que encara són massa joves per brillar.

Clic a les imatges per engrandir. Les tres primeres diapositives d'aquest carrusel mostren Sgr B2 tal com veu l'instrument d'infraroig mitjà de Webb, que va capturar amb un detall sense precedents la pols còsmica brillant escalfada per estrelles massives molt joves. Observeu que, mentre que la pols i el gas brillen de forma espectacular, totes les estrelles brillants desapareixen de la vista. Per contra, a les longituds d'ona de l'infraroig proper (que es veuen a les tres últimes imatges), són les estrelles de colors les que acaparen tota l'atenció. Els astrònoms intentaran descobrir les masses i les edats d'aquestes estrelles per comprendre millor com es formen en aquesta densa i activa regió del centre galàctic. Crèdits: Imatge: NASA, ESA, CSA, STScI, Adam Ginsburg (Universitat de Florida), Nazar Budaiev (Universitat de Florida), Taehwa Yoo (Universitat de Florida); Processament de la imatge: Alyssa Pagan (STScI)

Clic a les imatges per engrandir. Dues imatges de l'espai, cadascuna dividida en tres diapositives. Les tres primeres diapositives mostren un remolí de núvols vermells i magenta, amb punts brillants de color blau de sis puntes que brillen a través seu. A les tres segones diapositives, es veu la mateixa imatge en tons taronges, però les estrelles són molt més nombroses i omplen la pantalla gairebé del tot. Crèdits: Imatge: NASA, ESA, CSA, STScI, Adam Ginsburg (Universitat de Florida), Nazar Budaiev (Universitat de Florida), Taehwa Yoo (Universitat de Florida); Processament de la imatge: Alyssa Pagan (STScI)

Ho he vist aquí.

Les ones gravitacionals confirmen que Stephen Hawking tenia raó sobre els forats negres!

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta obra d'art imagina un seient a primera fila per veure GW250114, una potent col·lisió entre dos forats negres observada per LIGO, la Fundació Nacional de Ciències dels Estats Units. Representa la vista des d'un dels forats negres mentre gira en espiral cap al seu company còsmic. Deu anys després de la històrica detecció d'ones gravitacionals per part de LIGO, els detectors actualitzats de l'observatori li van permetre "sentir" aquesta col·lisió celestial amb una claredat sense precedents. Les dades de les ones gravitacionals van permetre als científics distingir múltiples sons subtils que ressonaven com una campana còsmica a través de l'Univers (imaginats aquí com a fils musicals entrellaçats que giren en espiral cap al centre). Tot i que només LIGO estava en línia durant GW250114, ara opera regularment en xarxa amb altres detectors d'ones gravitacionals, com ara VIRGO a Europa i Kagra al Japó. Crèdit: Aurore Simonnet (SSU/EdEon)/LVK/URI.

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.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. En aquest vídeo, diversos membres clau de la col·laboració LIGO, que inclou investigadors de Caltech i MIT, parlen sobre el descobriment de les ones gravitacionals. Entre ells hi ha Kip Thorne, el teòric, i Rainer Weiss, l'experimentador que hi ha darrere de LIGO. Crèdit: Caltech, YouTube.

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.

Clic a la imatge per engrandir. Crèdit: X, Physical Review Letters.

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.

Ara teniu una presentació més tècnica i detallada del que hi ha darrere dels resultats relacionats amb l'espectre de la radiació d'ones gravitacionals en  relació amb l'horitzó d'esdeveniments en el senyal de GW250114.

Clic a la imatge per engrandir. Tullio Regge (1931-2014) va ser un físic teòric italià. És responsable d'una important tasca en física de partícules elementals (pols de Regge) i relativitat general. Va ser un dels pioners d'un enfocament quàntic de la gravetat (càlcul de Regge), que més tard es vincularia a la teoria de la gravetat quàntica de bucles. Amb John Wheeler, va establir les bases de la teoria de pertorbacions dels forats negres de Schwarzschild, que conduiria al descobriment dels seus modes quasi normals. Crèdit: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

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.

En teoria, no recorden les diferents característiques dels objectes de la mateixa massa i moment angular que cauen en aquestes regions particulars de l'espai-temps. En particular, oblidem els nombres quàntics normalment conservats i associats amb barions i leptons, que potser encara juga un paper misteriós en la solució de l'enigma de l'absència d'antimatèria en cosmologia.

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

Aquesta última situació és molt interessant perquè la col·lisió i la fusió de dos forats negres en forma un altre. Aquest forat negre recentment format, de nou, no té un horitzó d'esdeveniments regular. Les equacions d'Einstein són doncs formals, això no pot durar i, molt ràpidament, la superfície de l'horitzó vibra com ho faria una campana sota l'efecte d'un cop.

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.

Com que aquests modes quasi normals tenen freqüències determinades per la teoria dels forats negres, fixat per la massa i l'espin del forat negre final, fent que el seu descobriment en l'espectre de les ones gravitacionals seria una prova molt convincent de l'existència d'un horitzó d'esdeveniments i, per tant, de l'existència de forats negres... però amb la condició que les freqüències trobades (altres astres compactes amb modes quasi normals sense horitzons d'esdeveniments són possibles) són precisament els que es dedueixen de les solucions pertorbades que descriuen els forats negres.

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.

Ho he vist aquí.

Detectada la llum de major energia mai observada procedent de Júpiter

Clic a la imatge per engrandir. La part meridional de Júpiter es mostra en aquesta imatge de la missió Juno de la NASA. Noves observacions de NuSTAR de la NASA revelen que les aurores a prop d'ambdós pols del planeta emeten raigs X d’alta energia, que es produeixen quan les partícules accelerades reben col·lisions amb l’atmosfera de Júpiter. Crèdits: Imatge millorada per Kevin M. Gill (CC-BY) a partir d’imatges proporcionades per NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS.

Les aurores del planeta són conegudes per produir llum de raigs X de baixa energia. Un nou estudi finalment revela raigs X d’energia més alta i explica per què van passar desapercebuts per una altra missió fa 30 anys.

Científics han estat estudiant Júpiter de prop des de la dècada dels setanta, però el gegant gasós encara és ple de misteris. Noves observacions de la nau observatori espacial NuSTAR de la NASA han revelat la llum d’energia més alta mai detectada de Júpiter. La llum, en forma de raigs X que NuSTAR pot detectar, és també la llum d’energia més alta mai detectada per a un planeta del sistema solar que no és la Terra. Un article a la revista Nature Astronomy informa del descobriment i resol un misteri de dècades: per què la missió Ulysses no va veure raigs X quan va passar per Júpiter el 1992.

Els raigs X són una forma de llum, però amb energies molt més altes i longituds d’ona més curtes que la llum visible que els ulls humans poden veure. L’observatori de raigs X Chandra de la NASA i l’observatori XMM-Newton de l’ESA han estudiat tant raigs X de baixa energia de les aurores de Júpiter, espectacles de llum a prop dels pols nord i sud del planeta que es produeixen quan els volcans de la lluna de Júpiter Io expulsen ions cap al planeta, fet que el fort camp magnètic de Júpiter accelera cap als pols i els colpeja amb l’atmosfera, alliberant energia en forma de llum.

Els electrons de Io també són accelerats pel camp magnètic del planeta, segons les observacions de la sonda espacial Juno de la NASA, que va arribar a Júpiter el 2016. Els investigadors sospitaven que aquestes partícules haurien de produir raigs X d’energia encara més alta dels que van observar Chandra i XMM-Newton, i NuSTAR (abreviatura de Nuclear Spectroscopic Telescope Array, en català; Conjunt de telescopis espectroscòpics nuclears) és la primera tècnica en confirmar aquesta hipòtesi.

Clic a la imatge per engrandir. NuSTAR va detectar raigs X d’alta energia a partir de les aurores prop dels pols nord i sud de Júpiter. NuSTAR no pot localitzar la font de la llum amb alta precisió, però només pot saber que la llum prové de algun lloc de les regions de color porpra. Crèdits: NASA/JPL-Caltech, infografia en català: Sci-Bit

"És força desafiant perquè els planetes generin raigs X en el rang que detecta NuSTAR", va dir Kaya Mori, astrofísic de la Universitat de Columbia i autora principal del nou estudi. “Però Júpiter té un camp magnètic enorme, i està girant molt ràpidament. Aquestes dues característiques signifiquen que la magnetosfera del planeta actua com un accelerador de partícules gegant, i això és el que fa possibles aquestes emissions d’energia més alta”.

Els investigadors van afrontar múltiples obstacles per fer la detecció de NuSTAR: per exemple, les emissions d’energia més alta són significativament més febles que les de menys energia. Però cap dels desafiaments pot explicar la no detecció per part de Ulysses, una missió conjunta entre la NASA i l’ESA que era capaç de percebre raigs X d’energia més alta que NuSTAR. La nau espacial Ulysses es va llançar el 1990 i, després de diverses extensions de missió, va funcionar fins al 2009.

La solució a aquest enigma, segons el nou estudi, rau en el mecanisme que produeix les raigs X d’alta energia. La llum prové dels electrons energètics que Juno pot detectar amb el seu Jovian Auroral Distributions Experiment (JADE) i l’Instrument Detector de Partícules Energètiques de Júpiter (JEDI) en anglès Jupiter Energetic-particle Detector Instrument, però hi ha múltiples mecanismes que poden fer que les partícules produeixin llum. Sense una observació directa de la llum que emeten les partícules, és gairebé impossible saber quin mecanisme és responsable.

Nous capítols
 

A la Terra, els científics han detectat raigs X a les aurores terrestres amb energies encara més altes que les que NuSTAR va observar a Júpiter. Però aquestes emissions són extremadament febles, molt més febles que les de Júpiter, i només es poden detectar amb petits satèl·lits o globus de gran altitud que s'acosten molt als llocs de l'atmosfera on es generen aquests raigs X. Similarment s'han observat aquestes emissions a l'atmosfera de Júpiter que requereixen Instruments de alta sensibilitat a prop del planeta com els que portava Ulysses a la dècada de 1990.

"El descobriment d'aquestes emissions no tanca el cas, sinó que obre un nou capítol", afirma William Dunn, investigador de l'University College de Londres i coautor de l'article. "Encara tenim moltes preguntes sobre aquestes emissions i les fonts. Sabem que els camps magnètics giratoris poden accelerar les partícules, però no entenem completament com arriben a velocitats tan altes a Júpiter. Quins processos fonamentals produeixen de manera natural partícules tan energètiques?".

Els científics també esperen que l'estudi de les emissions de raigs X de Júpiter els ajudi a comprendre objectes encara més extrems del nostre univers. NuSTAR sol estudiar objectes fora del nostre sistema solar, com ara estrelles en explosió i discos de gas calent accelerats per la gravetat de forats negres massius.

El nou estudi és el primer exemple en què els científics han pogut comparar les observacions de NuSTAR amb les dades obtingudes a la font dels raigs X (per Juno). Això ha permès als investigadors comprovar directament les hipòtesis sobre l'origen d'aquests raigs X d'alta energia. Júpiter també comparteix una sèrie de similituds físiques amb altres objectes magnètics de l'univers; magnetars, estrelles de neutrons i nanes blanques, però els investigadors no comprenen del tot com s'acceleren les partícules a les magnetosferes d'aquests objectes i emeten radiació d'alta energia. En estudiar Júpiter, els investigadors poden desvetllar detalls de fonts llunyanes que encara no podem visitar.

Ho he vist aquí.

James Webb troba un possible forat negre de col·lapse directe

Nota de l'editor: Aquesta publicació destaca una combinació de resultats revisats per parells o experts i dades en curs de ciència del Webb, que encara no han passat per revisió per experts.

A mesura que les dades del Telescopi Espacial Webb de la NASA es fan públiques, els investigadors busquen en els seus arxius anomalies còsmiques que poden haver passat desapercebudes. Mentre examinaven imatges de l’enquesta COSMOS-Web, dos investigadors, Pieter van Dokkum de la Universitat de Yale i Gabriel Brammer de la Universitat de Copenhaguen, van descobrir un objecte inusual que van anomenar la Galàxia de l'Infinit.

La galàxia mostra una forma molt poc habitual, amb dos nuclis molt compactes i vermells, cadascun envoltat per un anell, que li donen la forma de símbol d’infinit. L’equip creu que es va formar per la col·lisió frontal de dues galàxies en disc. Observacions de seguiment van mostrar que la Galàxia de l'Infinit allotja un forat negre supermassiu actiu. El que és molt inusual és que aquest forat negre es troba entre els dos nuclis, dins d’una amplia extensió de gas. L’equip proposa que el forat negre es va formar allà mitjançant el col·lapse directe d’un núvol de gas, un procés que podria explicar alguns dels forats negres extremadament massius que Webb ha trobat a l’univers primitiu.

La Galàxia Infinita, resultat de la col·lisió de dues galàxies en espiral, està composta per dos anells d’estrelles (vistos com ovalades a la part superior dreta i inferior esquerra). Els dos nuclis de les galàxies en espiral són representats en groc dins dels anells. Hidrogen brillant, que ha estat desposseït dels seus electrons, apareix en verd entre les dues galàxies. Els astrònoms han detectat un forat negre de milions de masses solars que sembla estar embegut dins d’aquest ampli tram de gas ionitzat. Suggereixen que aquest forat negre podria haver-se format allà mitjançant un procés conegut com a col·lapse directe. Aquesta imatge, capturada amb la càmera d’infraroig proper (NIRCam) del Telescopi Webb de la NASA, mostra la llum en diferents longituds d’ona: 0,9 micròmetres en blau (F090W), 1,15 i 1,5 micròmetres en verd (F115W+F150W), i 2,0 micròmetres en vermell (F200W). Crèdit: NASA, ESA, CSA, STScI, P. van Dokkum (Universitat de Yale).

Segons Pieter van Dokkum, autor principal d’un article revisat per parells i investigador principal de les observacions de seguiment amb Webb, aquest objecte podria ser la millor evidència fins ara d’una manera nova de formar forats negres.
 
Ell explica que tot a aquesta galàxia és molt inusual. No només té una forma molt estranya, sinó que també té un forat negre supermassiu que està atraient molta matèria. La sorpresa més gran és que aquest forat negre no està dins dels nuclis de les dues galàxies que s’han col·lapsat, sinó al mig, en un espai ampli de gas. Ens vam preguntar: com podem entendre això?

Van Dokkum diu que, en general, trobar un forat negre fora del nucli d’una galàxia massiva ja és estrany, però encara ho és més pensar com hi ha arribat. Ells creuen que aquest forat negre no només ha arribat allà, sinó que s’ha format directament en aquest lloc, i que això podria ser una observació de la formació d’un forat negre supermassiu, cosa que mai s’havia vist abans.

Com es van formar els forats negres supermassius és una qüestió de llarga durada, explica que hi ha dues teories principals sobre com es formen els forats negres supermassius: la de les “llavors lleugeres” i la de les “llavors pesades”. La primera proposa que comencen com petits forats negres que es formen quan una estrella col·lapsa i explota com a supernova, i que després es fusionen per formar-ne de més grans. Però Webb ha trobat forats negres molt massius molt aviat en l’univers, cosa que fa difícil que aquesta teoria ho pugui explicar.

La segona teoria parla de “llavor pesada”, on un gran núvol de gas es col·lapsa directament en un forat negre molt gran, fins a un milió de vegades la massa del Sol. Això passaria molt més ràpid, però el problema és que els núvols de gas tendeixen a formar estrelles abans que un forat negre, així que caldria alguna manera d’evitar-ho, cosa que no està clara que pugui passar en la pràctica.

Mirant les dades de la Galàxia de l'Infinit, creiem que hem reunit una història de com això podria haver passat aquí. Dues galàxies de disc xoquen, formant les estructures d’anells de les estrelles que veiem. Durant la col·lisió, el gas dins d'aquestes dues galàxies s'altera i es comprimeix. Aquesta compressió podria ser suficient per formar un nus dens, que després es va col·lapsar en un forat negre.

Hi ha una mica d'evidència circumstancial d'això. Observem una gran franja de gas ionitzat, concretament hidrogen que ha estat despullat dels seus electrons, que es troba just al mig entre els dos nuclis, envoltant el forat negre supermassiu. També sabem que el forat negre està creixent activament –, veiem proves d'això en els raigs X de l'Observatori de raigs X Chandra de la NASA i la ràdio del Very Large Array. Però la pregunta és: es va formar allà?

Una parella de galàxies llunyanes que formen la forma aproximada d’un símbol d’infinit vist en un angle d’uns 45 graus. Dos cercles difusos i sobreposats amb taques blaves més brillants a la part superior dreta i inferior esquerra. Al centre de cada cercle hi ha una taca groga brillant, que és el nucli. On els dos cercles es superposen a l’esquerra, hi ha una zona de gas verd brillant, amb un aspecte irregular, situada a mig camí entre els dos nuclis grocs. Està lleugerament desplaçada cap a l’esquerra.

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta imatge de la Galàxia de l’Infinit del Telescopi Webb de la NASA, capturada amb la càmera NIRCam (Càmera d’Infraroig Proper), està sobreposada amb un mapa de contorns de dades de la Very Large Array, un telescopi de ràdio. El punt central de l’emissió de ràdio encaixa perfectament amb el centre del gas brillant detectat en infraroig entre els dos nuclis de les galàxies. La detecció d’emissió de ràdio dels forats negres supermassius informa els investigadors sobre l’energia de l’objecte, específicament com està atraient el material que l’envolta. Crèdit: NASA, ESA, CSA, STScI, VLA, P. van Dokkum (Universitat de Yale).

Hi ha dues altres possibilitats que ens venen al cap. Primer, que podria ser un forat negre fugit (errant) que va ser expulsat d’una galàxia i que simplement està passant per allà. Segon, que podria ser un forat negre al centre d’una tercera galàxia en la mateixa ubicació al cel. Si fos en una tercera galàxia, esperaríem veure la galàxia que l’envolta, llevat que fos una galàxia nana molt feble. Però, normalment, les galàxies nanes no allotgen forats negres tan grans.

Si el forat negre fos un errant, o si fos en una galàxia no relacionada, esperaríem que tingués una velocitat molt diferent de la del gas a la Galàxia de l’Infinit. Ens vam adonar que aquesta seria la nostra prova – mesurar la velocitat del gas i la velocitat del forat negre, i comparar-les. Si les velocitats són properes, dins de potser 50 quilòmetres per segon, llavors és difícil argumentar que el forat negre no s’ha format a partir d’aquest gas.

Vam sol·licitar i vam rebre temps discrecional del director per fer un seguiment amb Webb, i els nostres resultats preliminars són emocionants. Primer, es confirma la presència d’una distribució extensa de gas ionitzat entre els dos nuclis. Segon, el forat negre està perfectament al centre de la distribució de velocitat d’aquest gas envoltant, com era d’esperar si s’hagués format allà. Aquest és el resultat clau que buscàvem!

En tercer lloc, com a una sorpresa inesperada, resulta que els dos nuclis de la galàxia també tenen un forat negre supermassiu actiu. Així, aquest sistema té tres forats negres actius confirmats: dos molt grans en cadascun dels nuclis i un altre al mig que podria haver-se format allà mateix.

No podem dir amb certesa que hàgim trobat un forat negre de col·lapse directe. Però sí que podem afirmar que aquestes noves dades enforteixen la hipòtesi que estem veient un forat negre recent de naixement, mentre que eliminen algunes de les explicacions alternatives. Continuarem revisant les dades i investigant aquestes possibilitats.

Ho he vist aquí.