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.

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.

Les ones gravitacionals podrien demostrar que els forats negres no existeixen

Les ones gravitacionals podrien demostrar que els forats negres no existeixen sinó que són boles de cordes.

Segons alguns càlculs de la teoria de les supercordes, els forats negres no existeixen, sinó que es formarien objectes amb propietats similars anomenats "Boles de pelussa, o en anglès conegudes com a "fuzzballs". Aquestes boles difuses de supercordes tindrien signatures particulars en forma d'ones gravitacionals durant les col·lisions d'estrelles que erròniament pensem que són autèntics forats negres.

Clic a la imatge per engrandir. Imatge d'un artista que mostra l'origen del senyal observat pels detectors d'ones gravitacionals LIGO i VIRGO el 21 de maig de 2019 (GW190521). Devia ser una col·lisió de forats negres. Crèdit: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

Entrevista: com mesurar les ones gravitatòries?  Les ones gravitatòries són distorsions de l'espai-temps predites per Einstein. Seria possible mesurar-los amb les eines adequades. L'editor literari Dunod va entrevistar Pierre Binétruy, professor del laboratori d'Astropartícules i Cosmologia de la Universitat Diderot de París, per saber més sobre aquestes ones misterioses i com podríem detectar-les (en francés).

Des de la detecció de les ones gravitacionals l'any 2015 i en menor grau gràcies a les imatges de la col·laboració del Telescopi Event Horizon, es podria creure que l'existència de forats negres és un fet provat. Ho podem pensar, però encara no podem afirmar-ho i una publicació recent a la famosa i reconeguda revista Physical Review D aporta aigua al molí d'aquells que pensen que no només els forats negres no existeixen sinó que aviat serà possible demostrar-ho. gràcies a l'astronomia gravitacional i als avenços en detectors com LIGO i VIRGO.

L'article sobre aquest tema prové d'un equip de físics amb seu a la Universitat de Roma “La Sapienza”, la principal universitat italiana, i és de lliure accés a arXiv. Per entendre de què va tot això, tornem a principis dels anys vuitanta, quan el que s'anomenava l'època daurada de la teoria del forat negre estava arribant a la seva fi, i les teories de la supergravetat i, en menor mesura, les supercordes estaven en auge.

Després del seu impressionant treball en astrofísica, Subrahmanyan Chandrasekharva ser guardonat amb el Premi Nobel de Física l'any 1983. Com és habitual per al lliurament d'aquest premi, el guardonat va fer una conferència. Al final de la del gran astrofísic indi, trobem observacions fascinants sobre la teoria matemàtica dels forats negres, que són aproximadament les que venen a continuació del vídeo.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Subramanyan Chandrasekhar rebent la seva medalla i diploma durant la cerimònia del Premi Nobel a la Sala de Concerts d'Estocolm, Suècia, el 10 de desembre de 1983. Crèdit: Nobel Prize.

"No sé si la importància total del que vaig dir està clara. Deixi'm explicar. Els forats negres són objectes macroscòpics amb masses que varien des d'unes poques masses solars fins a milers de milions de masses solars. Quan es poden considerar estacionaris i aïllats, tots, cadascun d'ells, es descriuen exactament per la solució de Kerr. Aquest és l'únic cas conegut en què tenim una descripció exacta d'un objecte macroscòpic.

Els objectes macroscòpics que ens envolten estan governats per una varietat de forces, descrites per diverses aproximacions de diverses teories físiques.

D'altra banda, els únics elements de construcció dels forats negres són els nostres conceptes bàsics d'espai i temps. Són, doncs, gairebé per definició, els objectes macroscòpics més perfectes de l'Univers. I com que la teoria de la relativitat general ens proporciona una família de solucions que només depenen de dos paràmetres per a la seva descripció, també són els objectes més simples de l'Univers".

Aquesta senzilla observació és a l'arrel de la famosa paradoxa de la informació sorgida del descobriment de Stephen Hawking de la famosa radiació quàntica dels forats negres.

De fet, les observacions de Chandrasekhar es refereixen a la teoria dels forats negres deduïda rigorosament de la teoria de la relativitat general d'Einstein. Com Hawking i un altre Premi Nobel de Física, Roger Penrose demostraran abundantment amb els seus col·legues, en el marc d'aquesta teoria hem de considerar que el que defineix un forat negre és només l'existència d'un horitzó d'esdeveniments i absolutament no l'existència d'una singularitat de l'espai-temps. Aquest horitzó d'esdeveniments és una superfície tancada que constitueix una frontera que envolta una regió de la qual només es pot entrar i no sortir mai, perquè per fer-ho caldria superar la velocitat de la llum. De vegades es descriu com una membrana que només es pot travessar en una direcció i com totes les membranes és de fet un objecte dinàmic que pot vibrar, deformar-se, estirar però que tindria la particularitat de no poder-se trencar mai.

L'entropia i la teoria paradoxal de la informació dels forats negres

Però segons els càlculs de Hawking, descrivint quànticament el comportament de la llum i la matèria al voltant d'un forat negre, aquests objectes molt compactes començarien a irradiar com ho faria un cos escalfat, més precisament el que anomenem cos negre. Tanmateix, segons la teoria de la termodinàmica aquesta radiació implica que un forat negre té una quantitat anomenada entropia. En tots els sistemes físics coneguts, una gran entropia s'associa a un objecte molt complex en el sentit que està formada per partícules molt nombroses descrites per un nombre molt gran de paràmetres i per a les quals hauria de disposar d'una gran quantitat d'informació per caracteritzar-les. Quan un gas cau en un forat negre, aquesta informació ja no està disponible per a un observador extern. També és impossible, per les mateixes raons, comunicar-se amb una sonda que travessaria l'horitzó i disposar d'informació valuosa sobre el que veuria aquesta sonda, ja que no podria enviar ones de ràdio  fora del forat negre a més, qualsevol informació continguda només en la memòria de aquesta sonda es perdria irremeiablement ja que no es pot comunicar fora del forat negre.

A la pràctica, doncs, ja que la definició d'informació i entropia donada a partir del treball de Claude Shannon i John von Neumann, la pèrdua d'informació generada per l'horitzó d'esdeveniments dóna lloc a l'entropia. Hawking, en particular, havia demostrat abans del seu descobriment de la radiació dels forats negres que la superfície de l'horitzó d'esdeveniments ha d'augmentar quan un forat negre s'empassa alguna cosa i això d'acord amb la llei del creixement de l'entropia de la termodinàmica si se identificar el valor de l'entropia d'un forat negre com el producte de la superfície del seu horitzó per una constant de proporcionalitat adequada.

Tenint en compte les declaracions de Chandrasekhar, immediatament s'entén que alguna cosa no funciona. Els forats negres es caracteritzen rigorosament per un nombre reduït de paràmetres, massa, moment cinètic i la càrrega, independentment del fet que l'objecte d'una massa determinada que hi cauria sigui un bloc de ferro o un llibre amb molta més informació.

Com a resultat, els forats negres no haurien de poder contenir molta informació i part d'ella no s'amagaria, sinó que es destruiria, o almenys això és el que es podria deduir ingènuament a primera vista, de manera que els forats negres no haurien de ser capaços de poder ser dotats d'una forta entropia d'una manera coherent amb els principis fonamentals de la física coneguda, al contrari del que impliquen les lleis de la termodinàmica i la mecànica quàntica aplicada a aquests objectes, a partir de la teoria de la relativitat general d'Einstein.

Ens trobem, doncs, davant d'una paradoxa que és precisament la de la informació amb forats negres. Hauria d'existir paràmetres amagats en un nombre molt gran darrere del petit nombre de paràmetres que descriuen un forat negre i les solucions de la teoria d'Einstein només serien descripcions artificialment simplificades d'un sistema físic que podria contenir tants graus de llibertat (posicions i velocitats de partícules) que un gas com diuen els físics en el seu argot. Per tant, els forats negres no haurien de ser objectes perfectament "llisos" i simples de la mateixa manera que la Terra no és una esfera de matèria perfectament esfèrica formada per un material senzill i coherent.

Durant gairebé una dècada, l'estudi d'aquesta paradoxa ha donat lloc a nous problemes, un dels quals va ser descobert per Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski i James Sully. Es coneix com el "tallafoc» (firewall en anglès).

N'hi ha prou amb saber que una de les solucions a aquesta paradoxa és admetre que els forats negres sí que es comporten en moltes situacions astrofísiques i físiques com si a la pràctica tinguessin un horitzó d'esdeveniments, però això en l'absolut no és cert. Un horitzó d'esdeveniments només seria el que anomenem en física un concepte efectiu i no fonamental, de la mateixa manera que és pràctic considerar que l'aigua o l'aire són fluids continus que permeten càlculs amb les equacions de Navier-Stokes, mentre que en realitat sabem bé que estan formats de molècules.

Un gas de supercordes autogravitant

Sovint s'ha argumentat que una teoria quàntica de la gravitació i el seu acoblament a la matèria permetria resoldre totes les preguntes que queden sense resposta amb els forats negres, en particular eliminant les singularitats al cor de les solucions del forat negre conegudes a la relativitat general. Durant anys els físics i, en particular, Samir Mathur, de la Universitat Estatal d'Ohio, han argumentat que aquest ha de ser realment el cas utilitzant la teoria de supercordes que implicaria que més enllà de l'etapa de col·lapse de l'estrella de neutrons convertint-se en un forat negre, l'objecte una mica més compacte format seria de fet una bola de supercordes anomenada Bola de pelussa, una teoria que li devem precisament a Samir Mathur.

Si suposem que les partícules de matèria i fins i tot totes les partícules quàntiques fonamentals, gluons i bosons de Brout-Englert-Higgs inclòs, són supercordes vibrants, aleshores els càlculs mostren que la matèria d'una estrella que s'esfondra indefensament per sota de l'horitzó d'esdeveniments associat amb el forat negre en què sembla convertir-se no hauria d'acabar per sota de la forma d'un punt de densitat infinita a el lloc on l'espai-temps mateix és aniquilat segons la teoria no quàntica d'Einstein, al cor d'un forat negre. Les supercadenes quàntiques s'estirarien i s'allargarien fins al punt de formar una mena de gas quàntic difús ocupant tot el volum dins d'un horitzó d'esdeveniments que només seria efectiu, una mica com els que tenen lloc a la superfície del Sol.

Però, com provar aquesta teoria?

Clic a la imatge per engrandir. El treball més famós del físic indi, CV Vishveshwara (1938-2017), és el descobriment dels modes quasi-normals dels forats negres. El 1970 va demostrar que un forat negre de Schwarzschild pertorbat per un pols de radiació gravitatòria tornarà al seu estat original emetent ones gravitatòries d'una forma característica determinada pel que s'anomenen 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 Kerren en rotació. Els modes quasi-normals són aleshores funcions de la massa i del moment angular propi, l'espín, del forat negre. L'observació de modes quasi-normals es considera una manera d'establir l'existència de forats negres. Crèdit: International Centre for Theoretical Sciences, Bengaluru.

Modes quasi-normals característics dels forats negres

El senyal de les ones gravitacionals detectades per LIGO i VIRGO sobre col·lisions de forats negres ja era un argument fort a favor de l'existència de forats negres en la teoria de la relativitat general, però encara no és del tot concloent a dia d'avui. De fet, el que realment estem intentant destacar, ja que aquests detectors, i d'altres com el KAGRA, augmenten de sensibilitat és el que anomenem modes quasi-normals de l'horitzó d'esdeveniments dels forats negres i ja tenim pistes en aquesta direcció.

Els modes quasi-normals ja es coneixen en la física clàssica com a campanes que es toquen. Es produeix un so que s'esmorteix amb el temps i aquest so es pot dividir en diverses freqüències i ones elementals particulars, anàlogues als modes normals que componen una corda vibrant sense amortiment notable. Aquests modes quasi-normals constitueixen una mena de targetes d'identitat espectrals d'un forat negre en l'espai-temps corbat igual que l'espectre brillant d'elements per a la composició de l'atmosfera de l'estrelles.

Tanmateix, com hem dit, un horitzó d'esdeveniments pot comportar-se com una membrana vibrant i, per tant, en teoria és possible demostrar l'existència d'aquesta membrana amb els seus modes de vibració propis, quasi-normals, mitjançant l'anàlisi del senyal gravitacional d'una col·lisió d'un forat negre. És una mica com escoltar el "so" del forat negre i comprovar que es comporta com el que esperaries que faci un forat negre.

En l'article que es ve publicar, donada la complexitat dels càlculs amb la teoria de les boles de pelussa, els investigadors van voler fer una prova més senzilla sobre la col·lisió de dues d'aquestes boles de corda i tenir una idea del senyal gravitatori produït. Van fer simulacions numèriques pel que fa al comportament d'un espai-temps descrit per una teoria de supergravetat en quatre dimensions anomenades tipus N=2 i capturant la geometria d'una solució de tipus bola de pelussa per al que seria un forat negre eficaç pertorbat externament.

Aleshores, els càlculs mostren que inicialment el senyal obtingut és similar al dels modes quasi-normals d'un forat negre recentment format per la fusió de dos forats negres en col·lisió, però al cap d'un cert temps el senyal ja no inclou els modes que descriuen un horitzó i, per tant, delata el fet que només és efectiu. Com a avantatge, els mateixos càlculs mostren que també podríem destacar els ecos gravitacionals, un fenomen descrit anteriorment, i que vindrien aquí de les ones gravitacionals que es propaguen dins de la bola de supercordes.

Segons els investigadors, LIGO i VIRGO algun dia haurien de ser capaços de detectar aquest senyal.

Ho he vist aquí.

Com és la Via Làctia quan es veu en ones gravitacionals?

Clic a la imatge per engrandir. La visió de Fermi del cel de raigs gamma ja conté indirectament vistes de fonts d'ones gravitatòries amb sistemes binaris que contenen un cos compacte. Aquesta imatge del cel sencer inclou tres anys d'observacions del Telescopi de Gran Àrea Fermi (LAT). Mostra com apareix el cel a energies superiors als 1.000 milions d'electronvolts (1 GeV). Els colors més clars indiquen fonts de raigs gamma més brillants. Una resplendor difusa omple el cel i és més brillant al llarg del pla de la nostra galàxia (centre). Fonts discretes de raigs gamma inclouen púlsars i restes de supernoves a la nostra galàxia, així com altres llunyanes alimentades per forats negres supermassius. Crèdit: Col·laboració NASA/DOE/Fermi LAT.

Vídeo: La Via Làctia vista en ones gravitatòries. Observa com les ones gravitacionals d'una població simulada de sistemes binaris compactes es combinen per formar un mapa sintètic de tot el cel. Aquests sistemes contenen nanes blanques, estrelles de neutrons o forats negres en òrbites properes. Mapes com aquest amb dades reals seran possibles un cop els observatoris d'ones gravitacionals basats en l'espai estiguin actius durant la propera dècada. Els punts més brillants indiquen fonts amb senyals més forts i els colors més clars indiquen aquelles amb freqüències més altes. Les taques de colors més grans mostren fonts les posicions de les quals són menys conegudes. El quadre mostra la freqüència i la força de la senyal gravitatòria.

Els detectors d'ones gravitacionals a la Terra com LIGO i VIRGO, o com el que hauria de volar a l'espai per la dècada de 2030, el LISA, sigles de Laser Interferometer Space Antenna (Antena espacial d'interferòmetre làser), una missió que estarà dirigida per la ESA en col·laboració amb la NASA, són interferòmetres. No funcionen directament com telescopis o lents clàssiques amb miralls i reflectors.

Tanmateix, teòricament és possible processar els senyals enregistrats per aquests instruments per obtenir imatges, certament en brut, una mica com les que obtenim a l'espai amb telescopis observant en el camp dels raigs gamma segons una altra tècnica encara, i que ha de mostrar imatges en forma de punts de llum, encara que no es tracta d'ones electromagnètiques si no d'ones lluminoses.

Desenes de milions d'UCB vistos per LISA

Tal com es mostra en una publicació a The Astronomical Journal, un equip d'investigadors va aconseguir simular una imatge sintètica que es podria esperar processant les observacions de LISA i que mostraria en una visió panoràmica les fonts de les ones gravitacionals de la Via Làctia en la forma de sistemes binaris compostos NOMÉS per estrelles compactes, és a dir l'elecció de combinacions de forats negres estel·lars, d'estrelles de neutrons o fins i tot nanes blanques. Els anomenem en anglès ultracompact binaries (UCB) i els seus períodes orbitals són inferiors a una hora.

Aquestes fonts no estarien a punt de xocar en un futur proper i, per tant, encara estarien una mica allunyades les unes de les altres, però no tant, la qual cosa significa en aquest cas que detectaríem ones gravitatòries en el rang de mil·lihertz (10⁻³ hertz). S'espera que hi hagi desenes de milions d'UCB dins la galàxia.

Ho he vist aquí.

Dossier. La matèria fosca; 8 Testejar els models estàndards

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 naturalesa.

Una primera manera d'abordar el problema de la matèria fosca és garantir que les teories que fem servir siguin vàlides. Per descomptat, ningú espera als astrofísics per això, però la matèria fosca dóna una nova motivació per a aquestes proves.

Clic a l'imatge per engrandir. Noves partícules. Crèdit: vchalup, Adobe Stock

En particular, hem esmentat anteriorment que les extensions del model estàndard va predir l'existència de noves partícules. D'altra banda, s'ha proposat que les lleis de la gravitació que fem servir no són correctes. Per tant, convé provar aquestes dues teories.

Tests de models alternatius de física de partícules

En primer lloc, les extensions del model estàndard de la física de partícules, les mateixes que suggereixen l'existència de noves partícules, també prediuen altres fenòmens nous. En particular, alguns modes de desintegració de partícules estan prohibits pel model estàndard, però permesos per les seves extensions, la qual cosa fa que la recerca d'aquests "nous" modes sigui una prova ideal. Per exemple:

- Les teories de la gran unificació prediuen que el protó és una partícula inestable, és a dir que es pot desintegrar espontàniament en altres partícules, després d'un temps suficientment llarg. Aquest esdeveniment no s'ha observat mai, fet que permet donar un límit inferior a la vida útil del protó. Si aquesta desintegració és possible, és un esdeveniment rar. S'estableixen experiments específics per detectar aquests esdeveniments.

- També són possibles nous modes de desintegració per a altres partícules. La seva investigació sobre esdeveniments observats en acceleradors/col·lisionadors de partícules constitueix un camp d'investigació molt actiu en aquest domini.

Els tests de precisió de la relativitat general

Hem esmentat la possibilitat que les lleis de la gravitació difereixen de les utilitzades. Una primera manera de provar aquesta hipòtesi és provar la relativitat general. S'estableixen diversos experiments per fer-ho. Per exemple:

- Gravity Probe B: un magnífic experiment que consisteix a estudiar els moviments de giroscopis embarcats en un satèl·lit en òrbita al voltant de la Terra.

- Ones gravitacionals: VIRGO (a terra, en fase de calibratge), LIGO (a terra, a l'inici de l'activitat), LISA (satèl·lit, en projecte).

Clic a l'imatge per engrandir. Gravity Probe B, satèl·lit americà.

 

Proves de gravitació a petites escales espacials

Entre les modificacions de la gravitació que hem esmentat, diverses prediuen modificacions de la llei de Newton a petites distàncies (dimensions addicionals) o a petites acceleracions (Mond, sigles en anglès de Dinàmica Newtoniana MOdificada). Per tant, és adequat provar la gravitació en aquestes condicions, però aquests són experiments molt difícils d'implementar, perquè la gravitació queda gairebé completament emmascarada per les altres forces.

Veure:

Capítol anterior: 7 Els candidats
Capítol següent: 9 Detectar la matèria fosca

Ho he vist aquí.

ALMA revela dos forats negres supermassius en un

ALMA revela dos forats negres supermassius que formen dos nuclis galàctics actius en un. 

Clic per engrandir. Recreació artística de dos forats negres supermassius que formen un sistema binari i cadascun envoltat per un disc d'acreció brillant com en el cas d'UGC 4211. Crèdit: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

Ones gravitacionals: la seva detecció explicada en un minut  Això és tot, s'han detectat ones gravitacionals. Aquestes fluctuacions de l'espai-temps.

 

El radiotelescopi ALMA, juntament amb altres instruments, ha revelat dos nuclis galàctics actius al cor d'una fusió de galàxies. Darrere d'aquests nuclis hi ha el forat negre supermassiu binari amb la distància més petita coneguda entre aquestes dues estrelles compactes, cosa que suggereix que la caça d'ones gravitacionals amb eLISA en un futur proper tindrà més èxit del que s'esperava.

Una vegada es va pensar que les galàxies van créixer essencialment fusionant-se entre elles, i les galàxies grans més primerenques van empassar-se.galàxies nanes. Les observacions fetes amb el telescopi Hubble també va mostrar molts exemples de col·lisió de galàxies, tant més quan vam observar lluny a l'espai i, per tant, enrere en el temps.

També es pensava que va ser durant les col·lisions que els quàsars s'encenen, és a dir, els nuclis galàctics actius son especialment lluminós per una addició massiva de gas al nucli d'aquestes galàxies, el gas que s'estava acumulant per un forat negre de Kerr supermassiu giratori.

No obstant això, durant la dècada anterior, el paradigma va canviar amb noves observacions i la seva interpretació en el marc acadèmic de les simulacions numèriques. Si continuem pensant que els forats negres supermassius i les galàxies creixen junts, atès que veiem que es respecta una llei de proporcionalitat per a la gran majoria de galàxies entre la massa en la forma d'estrelles que contenen i el dels seus forats negres supermassius, ara es considera que les col·lisions no són tan freqüents com es creia anteriorment i que en realitat tenen un paper secundari o fins i tot menor en el creixement de les galàxies.

Tot indica que és l'acreció de corrents de matèria bariònica deixades pel Big Bang,  a través de filaments de matèria fosca freda que els canalitzen, que es formen massivament noves estrelles i que els forats negres centrals creixen.

En qualsevol cas, intentarem esbrinar més sobre el creixement de les galàxies/forats negres supermassius mitjançant fusió detectant a l'horitzó de la dècada de 2030 les ones gravitacionals emeses per la fusió de forats negres supermassius al final de la fusió de galàxies, utilitzant el detector d'ones gravitacionals eLISA. Els detectors actuals, com ara LIGO i VIRGO, no observen a la banda de longituds d'ona adequat per destacar les pèrdues d'energia en forma d'ones gravitacionals dels forats negres supermassius. Pèrdues que disminueixen les mides de les seves òrbites en el sistema binari format per la fusió de dues galàxies.

Estimacions sobre la quantitat de forats negres binaris que podem esperar observar en un volum donat de l'espai-temps. A més d'una esfera que envolta la Via Làctia es pot sondar augmentant la sensibilitat del detector, s'espera que es trobin més forats negres supermassius binaris. Però aquesta conclusió es veu temperada pel fet que com més lluny estan aquests objectes, menys lluminosos són per a un detector per eLISA.

Clic per engrandir. Els científics que utilitzen l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) per mirar profundament al cor de la parella de galàxies fusionades conegudes com UGC 4211 han descobert dos forats negres que creixen costat a costat, a només 750 anys llum de distància. La recreació artística mostra que les galàxies finalment es fusionen en una i els seus dos forats negres centrals. Els forats negres supermassius binaris són els més propers observats mai en múltiples longituds d'ona. Crèdit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); M. Weiss (NRAO/AUI/NSF)

UGC 4211, un laboratori per entendre els forats negres supermassius binaris?

Sembla, però, gràcies a les observacions recents en alta resolució en el domini de les ones mil·límetres amb l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array -ALMA- (Gran Conjunt Mil·limètric-Submil·limètric d'Atacama)), que el nombre de forats negres supermassius binaris propers és més gran del que es pensava anteriorment, cosa que és un bon auguri si aquest és el cas.

Així ho indica un article publicat recentment a The Astrophysical Journal Letters per Michael Koss i els seus col·legues que també han mobilitzat altres instruments observant a altres longituds d'ona, com ara Muse equipant el VLT d'ESO o els telescopis de l'Observatori WM Keck, per estudiar amb més detall UGC 4211, un parell de galàxies en fusió a 500 milions d'anys llum només de la Via Làctia dins la Constel·lació del Cranc.

"Les simulacions van suggerir que la majoria de la població de forats negres binaris a les galàxies veïnes estaria inactiva perquè són més comuns, i no dos forats negres en creixement com hem trobat. ALMA és únic perquè pot veure a través de grans columnes de gas i pols i aconseguir una resolució espacial molt alta per veure les coses molt juntes. El nostre estudi ha identificat un dels parells de forats negres més propers en una fusió de galàxies i com sabem, les fusions de galàxies són molt més freqüents a l'Univers llunyà, aquests binaris forats negres també poden ser molt més comuns del que es pensava", explica Michael Koss en un comunicat del National Radio Astronomy Observatory (NRAO) als EE.UU..

El seu company Ezequiel Treister, astrònom de la Universitat Catòlica de Xile i coautor de la investigació, afegeix que: "Podrien haver-hi molts parells de forats negres supermassius creixent als centres de les galàxies que no hem estat capaços d'identificar fins ara". Si és així, en un futur proper observarem freqüents esdeveniments d'ones gravitatòries causats per fusions d'aquests objectes a tot l'Univers.

Aquest vídeo mostra una il·lustració i imatges d'ALMA de dos forats negres menjant junts i devorant amb avidesa pols, gas i altres materials alterats per la col·lisió. Crèdit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Koss et al (Eureka Scientific), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

Ho he vist aquí.

Descobriment del primer esclat llarg de raigs gamma provocat per una kilonova

Clic per engrandir. Recreació artística de la kilonova darrere de la font d'ones gravitatòries GW170817. Crèdit: Obra d'art: Elizabeth Wheatley (STScI)

Els esclats de raigs gamma són els fenòmens més intensos que es poden trobar a l'Univers. Aquests esclats d'energia poden ser més o menys llargs. Fins ara, els anomenats esclats "llargs" estaven associats a les hipernoves, aquestes morts d'estrelles molt massives. Però un nou estudi canvia la situació: aquest esclat de raigs gamma prové d'una fusió d'estrelles de neutrons, anomenada kilonova!

Esclats de raigs gamma: les col·lisions d'estrelles de neutrons il·luminen l'Univers  Els esclats de raigs gamma són els esdeveniments més lluminosos de l'Univers en el camp de les ones electromagnètiques. En podem observar una per dia de mitjana a la volta celeste i es produeixen en galàxies llunyanes. N'hi ha de dos tipus, curts i llargs. Aquest vídeo explica la naturalesa de les ràfegues curtes.

El desembre de 2021, els telescopis espacials Swift i Fermi de la NASA, van detectar una llarga explosió de raigs gamma. Anomenada GRB211211A, i d'una durada de 50 segons, pertany a les fonts nomenades "llargues". La seva font, situada a la galàxia SDSS J140910.47+275320.8, es troba a 1.100 milions d'anys llum de nosaltres, convertint-lo en un dels esclats de raigs gamma més propers mai observats!

El senyal complet es va poder capturar mitjançant l'Observatori Gemini, situat a Hawaii, per un equip d'astrònoms, detalls dels quals es van publicar a la revista Nature. No és estrany detectar un esclat llarg de raigs gamma, però, per primera vegada, aquest senyal s'associa amb una fusió d'estrelles de neutrons, anomenat kilonova!

La paraula "kilonova" es va establir l'any 2010, en referència a l'energia que alliberen aquestes col·lisions, més enèrgiques que les noves (aquestes estrelles que brillen intensament durant poc temps), però menys que la supernova (aquelles explosions d'estrelles massives), s'han atribuït kilonoves a fusions d'estrelles molt denses, però no massiva. O dues estrelles de neutrons, o una estrella de neutrons i un forat negre estel·lar. Aquests esdeveniments generen emissions electromagnètiques, suposadament especialment intenses i breus. D'aquí la sorpresa dels astrònoms davant GRB211211A!

Clic per engrandir. Recreació artística de l'esclat de raigs gamma GRB 080319B, tan intens que es podria haver vist breument a ull nu tot i haver-se produït a l'altra banda de l'Univers. Crèdit: ESO

Els esclats de raigs gamma es van descobrir per casualitat

També anomenat GRB, per Gamma Ray-Burst,  que literalment significa "esclat de raigs gamma", els esclats de raigs gamma es coneixen des del 1967, quan es va detectar el primer. En aquell moment, els satèl·lits equipats amb detectors gamma monitoritzaven les explosions atòmiques, que generaven llampecs de raigs gamma. El sorprenent descobriment no es va fer públic fins al 1973, quan es va donar el sobrenom d'esclat de raigs gamma  a aquest misteriós senyal.

Segueixen altres descobriments, i destaquen dues categories de ràfegues de raigs gamma: les curtes que no superen els 2 segons de durada, les emissions màximes de les quals es troben a una energia molt alta més enllà del MeV (megaelectronvolt), i les llargues que duren fins a uns quants minuts, amb un espectre energètic més aplanat, i un màxim al voltant del keV (kiloelectronvolt).

Des dels anys 2000, s'han identificat els orígens dels esclats de raigs gamma. En el cas dels esclats llargs de raigs gamma, la teoria és que provenen de la mort d'estrelles massives, anomenades supernoves. L'estrella al final de la seva vida, amb una massa superior a 10 masses solars, expulsa les seves capes superiors en una explosió violenta, mentre el seu nucli es contrau sobre si mateix per convertir-se en una estrella de neutrons o un forat negre. És en aquest darrer cas que es pot produir un esclat de raigs gamma.

En el cas dels esclats de raigs gamma curts, que solen durar unes dècimes de segon, el fenomen a l'origen seria una kilonova, una col·lisió entre dues estrelles de neutrons, o una estrella de neutrons i un forat negre. Aquests cataclismes també poden generar ones gravitatòries, i són capaços d'alliberar en menys de dos segons més energia que el Sol durant la seva vida!

Clic per engrandir. Recreació artística d'una col·lisió entre dues estrelles de neutrons. Crèdit: Mark Garlick, Universitat de Warwick

Les kilonoves poden contra tot pronòstic, ser la causa de breus esclats de raigs gamma!

Per tant, en teoria és possible distingir quin esdeveniment és a l'origen de cada esclat de raigs gamma, segons les característiques del senyal. Però problema, els astrònoms es van trobar aquesta vegada davant d'un senyal llarg, però corresponent a una kilonova!. “Hi ha molts objectes al nostre cel nocturn que s'esvaeixen ràpidament", va dir Wen-fai Fong, coautor de l'estudi i astrofísic de la Northwestern University, en un comunicat .

“Imaginem una font en diferents filtres per obtenir informació sobre els seus colors, que ens ajuda a determinar la identitat de la font. En el nostre cas, el color vermell es va imposar i els colors més blaus es van esvair més ràpidament. Aquesta evolució és una signatura reveladora d'una kilonova, i les kilonoves només poden provenir de fusions d'estrelles de neutrons"

Una altra gran sorpresa: la galàxia amfitriona, de la qual prové el senyal, encara és jove i forma noves estrelles. En fort contrast amb NGC4993, la galàxia que allotja la primera fusió provada d'estrelles de neutrons, que correspon al senyal  GW170817. Descobert el 2017, és el primer senyal pel qual s'han detectat ones gravitatòries i electromagnètiques, confirmant la teoria que les kilonoves produeixen esclats de raigs gamma curts.

Clic per engrandir. El telescopi òptic ultraviolat de Swift va fotografiar la kilonova produïda per la fusió d'estrelles de neutrons a la galàxia NGC 4993 (caixa) el 18 d'agost de 2017, unes 15 hores després que es detectessin les ones gravitacionals i l'esclat de raigs gamma. Crèdit: Nasa/Swift

"Després de la detecció de GW170817 i la seva associació amb una galàxia hoste massiva, vermella i morta, molts astrònoms han suposat que els amfitrions d'estrelles de neutrons que es fusionen a l'univers s'assemblen molt a NGC4993", diu Anya Nugent, estudiant de postgrau a la Northwestern University i coautora de l'estudi. "Però aquesta galàxia és bastant jove, està formant estrelles activament i no és tan massiva. De fet, s'assembla més als amfitrions GRB curts que es veuen més a fons a l'Univers. Crec que això canvia la nostra visió dels tipus de galàxies que hem de vigilar quan busquem kilonoves properes".

Així, GRB211211A demostra no només que els esclats de raigs gamma llargs es poden originar a partir de kilonoves, sinó que es poden trobar en entorns molt diferents! "Aquest esdeveniment és diferent a tot el que hem vist abans d'un llarg esclat de raigs gamma", va dir entusiasmada Jillian Rastinejad, la primera autora de l'estudi, i astrofísica la Universitat Northwestern.

"Els seus raigs gamma s'assemblen als dels esclats produïts pels col·lapse d'estrelles massives. Com que totes les altres fusions d'estrelles de neutrons confirmades que hem observat han anat acompanyades d'esclats de menys de dos segons, teníem totes les raons per esperar que aquest GRB de 50 segons es creés pel col·lapse d'una estrella massiva. Aquest esdeveniment representa un canvi de paradigma emocionant per a l'astronomia d'explosió de raigs gamma".

Ho he vist aquí.