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

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

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

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

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

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

Galàxies en un halo de matèria fosca

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

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

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

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

L'univers és un 25% de matèria fosca

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

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

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

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

Composició de la matèria fosca

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

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

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

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

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

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

Veure:

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

Ho he vist aquí.

El telescopi Askap ha descobert una nova classe d'objectes astrofísics?

Clic per engrandir- Un complex de 36 antenes que pertanyen al radio interferòmetre ASKAP a
Csiro, Austràlia. Crèdit: Askap, Csiro.

Les imatges de ràdio australiana sembla que van recollir una emissió intermitent molt peculiar. Fins al punt que actualment, cap model astrofísic ha aconseguit resoldre la seva font de ràdio. La comunitat d'astrònoms inquieta no exclou el rastre d'una nova categoria d'objectes estel·lars.

El radiotelescopi d'Arecibo (Puerto Rico). S'havia posat en funcionament l'any 1963. I
el novembre de 2020, la National Science Foundation (NSF) va anunciar la seva
necessària demolició després de repetits trencaments en els cables de suport. El final
d'una bonica història per a aquest instrument incorpora, entre d'altres coses, a la seva
llista de premis la primera imatge d'un asteroide i un missatge de ràdio enviat a una
possible civilització extraterrestre.

L'equip de Ziteng Wang va publicar el 12 d'octubre de 2021 a  The Astrophysical Journal, el fruit d'una investigació pacient i perseverant que li ha valgut la cobertura sense reserves dels mitjans internacionals. La notorietat d'aquests resultats és de fet proporcional al grau de confusió de la comunitat científica davant el descobriment detectat.

Askap J173608.2-321635 porta els astrofísics als seus límits

Amb contribucions dels astrònoms de l'Organització de Recerca Científica i Industrial de la  Commonwealth  (Csiro), els autors de l'article comparteixen la seva il·lusió per l'enigmàtica detecció sorpresa per part del radiotelescopi Askap, conegut com J173608.2-321635, a causa de les seves coordenades en el cel. La descriuen com una font compacta, de naturalesa variable a la ràdio i situada no gaire lluny del centre galàctic (situada a uns 4º i estimada a 32.000 anys llum de la Terra). "Vam examinar el cel amb Askap per trobar nous objectes inusuals com a part del projecte Variables i transitoris lents. (VAST), del 2020 al 2021”, va contextualitzar Tara Murphy, una de les coautores de la publicació. No obstant això, els investigadors no esperaven trobar aquest fenomen a les dades: "Aquest objecte era únic, en el sentit que va començar com a invisible, després es va tornar lluminós abans d'extingir-se i finalment reaparèixer. Aquest comportament és senzillament extraordinari”.

Clic per engrandir. Les imatges de la primera línia mostren la detecció per part d'Askap del
senyal J173608.2−321635, a la freqüència 888 MHz (veure marc b), i les de la segona línia
revelen una detecció similar a 1,29 GHz gràcies a MeerKAT (veure marc e). Les escales de
color són les mateixes per a totes aquestes imatges i corresponen a la densitat de flux emesa
per la font desconeguda. Crèdit: Wang et  al.,  2021. Infografia en català: Sci-Bit.

Com que el senyal sembla intermitent en vista de la freqüència d'aparició -tretze vegades entre abril de 2019 i agost de 2020- es va fer un seguiment cada dues o quatre setmanes en paral·lel amb l'instrument de l'Observatori Sarao MeerKAT (Sud-àfrica), més sensible que el mateix Askap (sigles d'Australian Square Kilometer Array Pathfinder - Pathfinder de Matriu de Kilómetres Cuadrats Australià). Per a alleujament dels equips, les ones de ràdio es van tornar a enregistrar a 1,29 GHz, al nivell d'aquesta presumpta font resultant del pla de la Via Làctia, però amb algunes diferències notables: “ El 7 de febrer de 2021, la font va desaparèixer en un sol dia, mentre que havia durat setmanes durant les nostres observacions anteriors amb Askap" va comentar el supervisor Ziteng Wang. Un fet encara més inquietant que el seu ritme es refereix a la seva detectabilitat en altres longituds d'ona. No es va observar cap contrapartida electromagnètica en els raigs X, ni en l'infraroig proper, en el mateix període. A més, els arxius radiofònics entre 1998 i 2020 no cobreixen a  priori J173608.2-321635 (segons les campanyes d'observació NVSS, MGPS-2, Gleam, TGSS, Vlass, VLA i Atca).

Askap està a la recerca de fonts transitòries i variables a la Via Làctia

Donada la seva alta densitat estel·lar i la seva taxa de formació d'estrelles, el centre galàctic està demostrant ser una zona prometedora per a la recerca de fenòmens variables (púlsars, cefeides, trànsits d' exoplanetes, efectes de lents gravitacionals o plasma) i transitoris (fonts d'esclats gamma ràpides de ràdio, supernoves, Kilonoves, protuberàncies, etc ). Amb el progrés considerable de la radioastronomia, l'estudi d'objectes variables o transitoris sota el prisma de les ones de ràdio ajudarà sens dubte a revelar els secrets ben guardats per l'Univers.

 Clic per engrandir. El Telescopi Askap de l'agència australiana Csiro. Crèdit: Askap, Csiro

El telescopi Askap consta d'una sèrie de trenta-sis antenes de ràdio parabòliques, cadascuna de dotze metres de diàmetre, que treballen juntes per radiointerferometria, equivalent a un telescopi amb una superfície de recollida d'uns 4.000 m². Situat a l'Observatori d'Astronomia de Ràdio Murchison (Austràlia Occidental), l'instrument ha estat coordinat des de l'octubre de 2012 per l'agència del govern australià Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (Csiro). Gràcies a l'adquisició d'una velocitat de lectura extremadament alta, Askap és ara un dels millors instruments del món per cartografiar el cel, en un ampli camp de visió, a longituds d'ona de ràdio. 

Intents infructuosos d'identificar l'estrella com la font d'aquests senyals de ràdio atípics

Després de nombroses anàlisis per intentar desentranyar la naturalesa d'Askap J173608.2-321635, va sorgir que la majoria dels orígens astrofísics coneguts i probables estaven descartats. En efecte, cadascuna de les interpretacions del tipus d'estrella variable de massa baixa, estrella de neutrons, púlsar o X binari condueix a una contradicció inequívoca pel que fa a les característiques dels senyals detectats i els esperats per a aquests objectes celestes. No obstant això, queden algunes possibilitats rares, inclòs el magnetar de llarg període.

"La informació que tenim té algunes similituds amb una altra categoria emergent d'objectes misteriosos coneguts com Transients de ràdio del Centre Galàctic (GCRT)", va dir el professor David Kaplan de la Universitat de Wisconsin-Milwaukee en un comunicat de premsa. "Tot i que el nostre nou objecte comparteix certes propietats amb els GCRT, també hi ha diferències, tant més perquè aquestes fonts són mal enteses de moment. Per tant, confirmar un GCRT seria més que desentranyar el gros misteri que envolta aquestes emissions de ràdio".

Clic per engrandir. Representació artística de la detecció de Askap J173608.2-321635.
Crèdit: Sebastian Zentilomo

Per tant, per tal de limitar millor la detecció intrigant d'Askap i resoldre el seu escenari, caldrà una vigilància radiofònica contínua, acompanyada de cerques de polsos a freqüències més altes i observacions de diverses longituds d'ona. Entre altres coses, decidir amb més certesa si J173608.2-321635 és únic o més aviat relacionat amb el pla galàctic hauria d'ajudar en última instància a rastrejar-ne la naturalesa. Finalment, atès que cap de les discussions tractades a la publicació científica va permetre explicar de manera satisfactòria i sobretot completament el procés objecte d'estudi, no es pot descartar que estem davant d'una nova classe d'objectes astrofísics.

Podrem saber més sobre això gràcies a les tecnologies a punt d'entrar en funcionament: “Durant la propera dècada, el radiotelescopi transcontinental SKA (Square Kilometer Array) es posarà en servei. Serà capaç de fer mapes del cel amb una resolució increïble cada dia. Creiem que la potència d'aquest telescopi ens ajudarà a resoldre misteris com aquest darrer descobriment, però també obrirà grans franges de l'Univers per a l'exploració en l'espectre de ràdio ", va concloure la professora Tara Murphy.

Ho he vist aquí.