Es mostren els missatges amb l'etiqueta de comentaris Schrödinger. Mostrar tots els missatges
Es mostren els missatges amb l'etiqueta de comentaris Schrödinger. Mostrar tots els missatges

30/08/2022

Grans de pols més antics que el Sol trobats a l'asteroide Ryugu


Clic per engrandir. Recreació artística de la sonda Hayabusa-2 durant el seu segon intent de recollir mostres el juliol del 2019, prop d'un cràter artificial format a l'asteroide Ryugu l'abril. Crèdit: Akihiro Ikeshit, JAXA.

L'asteroide Ryugu conté grans de material que es van formar abans del naixement del Sol, a les atmosferes d'estrelles moribundes. Aquests grans pre-solars es van trobar allà en mostres portades a la Terra per la sonda Hayabusa-2.

Aquests són tots els asteroides coneguts del nostre Sistema Solar. Mireu que nombrosos són: aquí teniu tots els asteroides identificats pels astrònoms des del primer descobriment l'any 1801. El nombre de descobriments ha augmentat significativament des de finals del segle XX. 

El 1950, Erwin Schrödinger, un dels fundadors de la mecànica quàntica, després d'haver treballat tant per dilucidar la naturalesa de la vida com per a l'aparició de la matèria en un model de cosmologia relativista, va explicar en una de les quatre conferències públiques titulada “La ciència com a element constitutiu de l'Humanisme que el coneixement aïllat obtingut per un grup d'especialistes en un camp estret no té en si mateix cap valor de cap mena; només té valor en la síntesi que l'uneix a tota la resta de coneixements i només en la mesura que realment contribueix, en aquesta síntesi, a respondre la pregunta: Qui sóm?".

De fet, estem buscant les nostres arrels i la nostra identitat còsmica amb missions espacials com la de la sonda japonesa Hayabusa-2, que va estar en òrbita al voltant de l'asteroide Ryugu (162173)  des de juny de 2018 fins a novembre de 2019. Hi va prendre mostres que han arribat a la Terra i encara s'estan analitzant.

Una presentació de la missió Hayabusa 2. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del video. Crèdit: DLR

Per tant, provenen d'un membre de la família d'asteroides Apol·lo, els asteroides propers a la Terra, i fins i tot es troba entre els que són potencialment perillosos. S'havia descobert l'any 1999 i ràpidament s'havia quedat clar que pertanyia als asteroides de tipus C, és a dir, semblants als meteorits de condrites carbòniques coneguts a la Terra.

La seva composició química és, doncs, propera a la de la matèria del núvol molecular i polsós on va néixer el sistema solar primitiu, sense els elements lleugers i volàtils com el gel. Per tant, va ser un objectiu preferit per entendre l'origen dels planetes i del Sol i, per tant, l'origen de la biosfera i la noosfera, de manera que Hayabusa-2 ens va oferir molt més que imatges de primer pla de l'asteroide  Ryugu (162173). 


Avui fa tres anys (22 de febrer de 2019) va ser el primer gol de Hayabusa2. Recordem l'operació extremadament tensa. La mostra recollida en aquell moment està sent examinada pel nostre equip d'anàlisi inicial. Estem emocionats amb el que trobarem!. Crèdit: HAYABUSA2@JAXA
          
En podem estar convençuts amb l'anunci fet a través d'un article d'un equip internacional d'investigadors liderat per Jens Barosch i Larry Nittler de la Carnegie Institution for Science publicat a The Astrophysical Journal Letters.

Els membres d'aquest equip van fer saber que van descobrir en les mostres portades per Hayabusa-2 ni més ni menys que grans presolars.

Una clau del cicle dels estels de la Via Làctia

Amb això ens referim a materials sòlids que es van condensar en grans, no en el disc protoplanetari de gas i pols que es refredava al voltant del Sol jove, fa uns 4.500 a 4.600 milions d'anys, sinó fins i tot abans del naixement del Sol, a les atmosferes estel·lars de les estrelles existents abans d'ella i del qual van ser expulsats al final de la seva vida per trobar-se al medi interestel·lar, després a la nebulosa protosolar a l'origen del Sistema Solar.


Clic per engrandir. A l'esquerra hi ha una imatge presa amb un microscopi electrònic d'una partícula de Ryugu premsada en una làmina d'or en la qual s'han detectat dos grans presolars de carbur de silici, tal com indiquen les fletxes blanques de les imatges del centre i de l'esquerra. Crèdit: Carnegie Institution for Science.

Recordeu que hi ha un autèntic cicle estel·lar a la Via Làctia que fa que evolucioni químicament amb un enriquiment creixent del medi interestel·lar en elements pesants. En aquest medi, núvols moleculars i polsosos, densos i freds, es col·lapsen gravitacionalment, desestabilitzats sota l'efecte d'una pressió, ja siguin ones de densitat als braços de la nostra galàxia o per l'ona de xoc de l'explosió de la supernova. 

A mesura que els núvols col·lapsen, es fragmenten donant vivers d'estrelles, algunes de les quals evolucionaran molt ràpidament explotant en supernoves, injectant nous elements pesants al núvol on continua la formació estel·lar. Es creu que l'explosió d'una d'aquestes estrelles, anomenada Coatlicue, va provocar l'enfonsament del núvol protosolar on va néixer el nostre Sol. De manera més general, les estrelles al final de la seva vida retornaran la matèria que les va formar al medi interestel·lar, però amb nous elements, un entorn en el qual, per les mateixes raons, naixeran noves estrelles. 

Això és el que fa que Jens Barosch digui que, en el cas de les troballes a les mostres de Ryugu, "diferents tipus de grans presolars provenen de diferents tipus d'estrelles i processos estel·lars, que podem identificar a partir de les seves signatures isotòpiques. La capacitat d'identificar i estudiar aquests grans al laboratori ens pot ajudar a entendre els fenòmens astrofísics que han donat forma al nostre Sistema Solar, així com altres objectes còsmics".

De fet, els cosmoquímics poden utilitzar sofisticats instruments microanalítics per mesurar l'abundància de diversos nuclis isotòpics d'un element amb un nombre diferent de neutrons i comparar-los amb els mesurats en les condrites carbonàcies que s'han estavellat a la Terra.

Sobre aquest tema, i de nou en un comunicat de premsa de la  Carnegie Institution for Science, Larry Nittler explica que "les composicions i l'abundància dels grans presolars que hem trobat a les mostres de Ryugu són similars a les que hem trobat anteriorment a les condrites carbonàcies. Això ens dóna una imatge més completa dels processos de formació del nostre Sistema Solar que pot informar models i experiments futurs amb mostres de Hayabusa2, així com d'altres meteorits".

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del video. En aquest vídeo, Philip Heck parla de la seva investigació sobre els grans presolars, minerals que es van formar abans del naixement del nostre sistema solar. "Science at FMNH" és una sèrie de podcasts i vídeos que explora la ciència, les col·leccions i la investigació entre bastidors al Field Museum de Chicago. Crèdit: Field Museum

 

Ho he vist aquí.

01/07/2022

Una fotografia icònica en femení, ara sí!

Clic per engrandir.Conferencia Solvay (1927) sobre mecànica quàntica. Fotografia de Benjamin Couprie

Aquesta fotografia feta en la 5ª trobada Solvay de Mecànica Quàntica a Brusel·les l'any 1927, és probablement la fotografia científica més famosa de tots els temps.  

I és que 17 dels 29 assistents van ser guanyadors del Premi Nobel o el van guanyar en el futur. Marie Curie (asseguda dos seients a l'esquerra d'Einstein, que és al centre de la primera fila) va ser l'única dona que va assistir a la conferència. Va ser la primera dona a guanyar un premi Nobel, la primera persona a guanyar-lo dues vegades i l'única persona a guanyar en dues ciències diferents: la Física i la Química.

Aquí hi ha els noms de la resta dels assistents. Si mai has estudiat física, aquests noms et resultaran familiars, ja que moltes de les constants físiques porten el nom de les persones que apareixen en aquesta foto. 

D'esquerra a dreta:

Primera fila: Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles-Eugène Guye, C.T.R Wilson, Owen Richardson.

Fila central: Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr.

Fila posterior: Auguste Piccard, Emile Henriot, Paul Ehrenfest, Edouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, JE Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Fowler, Léon Brillouin.

El que ens interessa en aquest article és que noranta anys més tard, entre l'11 i el 15 de setembre de 2017, es va celebrar a Trento (Itàlia) el 103è Congrés de la Societat italiana de física, trobada en què se celebrava el 120è aniversari d'aquesta societat científica, a on es van organitzar dues taules rodones, dedicades al tema de les vocacions científiques i les dones.

Després d'aquestes dues taules rodones, l'Oficina de Comunicació de la Universitat de Trento va proposar immortalitzar vint-i-vuit dones conferenciants del Congrés –de diferents edats i disciplines– juntament amb un col·lega masculí, Guido Tonelli, un dels descobridors del bosó de Higgs al CERN, en una versió reivindicativa de la famosa foto de la conferència Solvay del 1927. Noranta anys més tard, la fotografia 'invertia' els papers d'homes i dones.

Clic per engrandir. Crèdit: Università di Trento

D'esquera a dreta, elles i ell són:

Primera fila: Cinzia Giannini, Anna Di Ciaccio, Guido Tonelli, Monica Colpi, Antigon Marí, Chiara La Tessa, Patrizia Cenci, Luisa Cifarelli i Beatrice Fraboni.

Fila central: Simonetta Croci, Daniela Calvo, Lidia Strigari, Silvia Picozzi, Alessandra Gugliemetti, Alessandra Rotundi, Angela Bracco, Olivia Levrini i Speranza Falciano.

Fila superior: Elisa Molinari, Marina Cobal, Roberta Ramponi, Francesca Vidotto, Silvana Di Sabatino, Silvia Tavazzi, Nadia Robotti, Clementina Agodi, Edwige Pezzulli, Sara Pirrone i Marta Greselin.

En aquest enllaç es pot llegir una breu semblança (en italià) de les vint-i-nou persones retratades en aquesta fotografia: a més de Guido Tonelli, vint-i-vuit física italianes investigant en projectes diversos.

Luisa Cifarelli, presidenta de la Societat Italiana de Física (SIF), apareix a la fotografia del 2017 (no hi podia faltar), i comentava: "La fotografia, feta gairebé per diversió, va tenir però una repercussió inesperada a tots els mitjans i fins i tot a les cadenes de televisió nacionals. Estic molt feliç per aquesta difusió, ja que constata la importància de les dones a la física ia la investigació científica. Pel que fa a mi, estic molt orgullosa d'estar en aquesta fotografia!"

 

Ho he vist aquí.

05/09/2020

Física quàntica: aquest experiment qüestiona la nostra realitat?

Clic per engrandir. Fotografia de família dels assistents a la Conferència de Solvay el 1927,
a on hi ha -entre d'altres- els pares de física quàntica. 17 dels personatges retratats eren o
van a arribar ser Premis Nobel. Crèdit: Domini public.

Un nou experiment de física quàntica estableix un nou pas de la realitat objectiva. Per no deixar de banda els nostres lectors que no estan familiaritzats amb la física quàntica, estem començant de zero, en termes senzills.

Al seu llibre "The Character of Physical Law", el físic Richard Feynman escriu: “Crec que és segur dir que ningú no entén la mecànica quàntica". Si les fonts d’aquesta disciplina encara jove (amb prou feines un segle) posen en dificultats a les poques ments que es dediquen al seu estudi, sabem tanmateix que la física quàntica descriu amb una sorprenent precisió els comportaments més contraintuïtius d'àtoms i partícules, sovint fent més preguntes de les que es responen. Tot i que ja no hi ha cap dubte que per al físic clàssic, la mecànica quàntica de vegades avança contra el sentit comú el que la fa encara més incerta.

No obstant això, ara un recent estudi ha aconseguit proporcionar noves respostes que intentarem explicar aquí en els termes més senzills i clars possibles.

"Ser i no ser", va dir el gat de Schrödinger

Per als investigadors que treballen fora del camp de la física quàntica, el món té dues qualitats importants:

- Realista,  és a dir, que la realitat és objectiva i no depèn d'una mesura ni d'un observador.

- Determinista, és a dir, que la realitat no és aleatòria sinó el resultat d’un conjunt de variables que produeixen resultats sistemàtics  i previsibles (sempre que tinguem tota la informació necessària per a la seva comprensió).

Tot i això, la física quàntica ens ensenya que tot és molt diferent per sota d’una certa escala, en el món exòtic dels àtoms i les partícules, fins i tot de les molècules. Imagineu que una partícula, una mica com un interruptor, admet dos possibles estats, que anomenarem 1 i 0 per simplificar. Si es vol creure la interpretació de Copenhaguen, mentre que un interruptor només pot estar en un estat alhora (activat o desactivat), la partícula es troba en el que s’anomena superposició d'estats, és a dir tant 1 com 0. Aquesta superposició només desapareix quan un observador decideix mesurar el seu estat, provocant així un col·lapse de la funció d’ona. Aquesta primera idea contradiu la possibilitat d'una realitat única i objectiva per a la nostra partícula, però les coses no acaben aquí.


De fet, encara segons la teoria quàntica, la partícula no segueix una lògica determinista sinó probabilística. Per tant, no podem predir l’estat en què es trobarà, sinó només calcular la probabilitat d’obtenir un estat o un altre. En el nostre cas, i encara per al bé de la simplicitat, direm que la nostra partícula té una possibilitat entre dues de estar en l'estat 1 o 0.

Una il·lustració d’un interruptor clàssic versus un interruptor quàntic imaginari. © Fermilab

El col·lapse és als ulls de l’espectador

Els científics encara no saben com passa la partícula d’una superposició d’estats a un estat fix. Alguns han suggerit que la funció d'ona s'enfonsa a mesura que es fa la mesura, i d'altres, que la intervenció d'un observador conscient és necessària; aquesta última noció ha portat alguns a retorçar la física quàntica dient que podríem canviar el teixit de la realitat per la pura força de la nostra ment, que pel que sabem és completament equivocada.

Avui en dia, els investigadors que treballen amb sistemes quàntics complexos saben que una sola ratxa de vent pot provocar el col·lapse de la fràgil casa de cartes de superposició quàntica, susceptible a la interacció amb les partícules de l’ aire. Per  tant, queda oberta la qüestió de què constitueix el valor d’una mesura o d’un observador.

Partícules entrellaçades i missatgeria instantània

Introduïm ara una nova dosi d’exotisme abordant la noció d’entrellaçament quàntic. Ja sabem que quan mesurem l’estat d’una partícula quàntica, tenim un 50% de probabilitats de trobar 1 o 0. En calcular les probabilitats per a la mesura de dues partícules, obtenim la taula següent:


Però les partícules entrellaçades comparteixen una relació especial. Vinculades entre elles (després d’una manipulació voluntària o, més rarament, accidentalment), formen un tot inseparable on l’estat d’una depèn de l’altra. Més senzillament, les dues partícules es troben cadascuna en una superposició d'estats (1 i 0) fins que es mesura una d'elles. Aquesta mesura provoca un col·lapse simultani de la funció d'ona per al parell, i cada una es fixa en un estat oposat, independentment de la distància. Així obtenim aquesta taula:


Això significa que, en teoria, si col·loqueu una partícula a la Lluna i el seu bessó a la Terra, la mesura de la partícula de la Terra (dona per exemple l’estat 1) provocaria que la funció d’ona del bessó lunar s’ensorrés. (que llavors adquiriria l’estat 0) al mateix temps. Aquells que encara recorden les seves lliçons de física protestaran dient que això és impossible perquè res, ni tan sols informació, viatja més ràpid que la llum (que triga 1,3 segons a arribar-nos des de la Lluna). I a això respondrem ... que teniu tota la raó. Einstein no va ser, a més, el màxim seguidor d'aquesta noció, que va anomenar l'acció inquietant (o esgarrifosa) a distància.

Quan (Bell) toca a mort 

Als anys seixanta, el físic John Bell va decidir aprendre més sobre aquesta comunicació evidentment instantània entre partícules entrellaçades. Per tant, parteix de dos principis inicials, extrets d’una visió clàssica del món:

- Principi de localitat: Les partícules no es poden influir mútuament més ràpidament que la llum.

- Realisme: Les partícules segueixen una operació determinista (i no probabilística) i que simplement ens esforcem per predir a causa de variables ocultes.

Basant-se en aquests dos postulats, Bell calcula el conjunt d’estats possibles per a la mesura d’un parell de partícules entrellaçades (en un context una mica més complex que el que hem presentat fins ara) i obté així un llindar de correlació teòrica. Des de llavors, s'han dut a terme nombroses "proves de Bell", a on els resultats han infringit infal·liblement el llindar teòric calculat per Bell. Segons ell, només es podia extreure una conclusió d’aquesta observació: un dels seus supòsits inicials era fals. Però quin?

La paradoxa de Wigner

Ara fem una pausa per abordar un nou experiment mental, proposat pel físic Eugene Wigner,  en el moment en què Bell treballava en el seu teorema. Una mica molest per les preguntes sense resposta de la física quàntica, Wigner decideix llançar una pedra addicional a la qüestió exposant la següent paradoxa.
Imagineu-vos que un amic de Wigner està assegut en un laboratori a on està a punt de mesurar l’estat d’una partícula. El físic, en canvi, es troba fora del laboratori i no té manera de saber què hi passa. En aplicar les equacions proporcionades per la mecànica quàntica, sabem que la partícula es troba en una superposició dels dos estats (1 i 0) fins que l’amic de Wigner la mesura, provocant en aquell moment el famós col·lapse de la funció d'ona. Però això no és tot.

En el nostre experiment mental, l’amic de Wigner no és l’únic que pren una mesura. Wigner pot, al seu torn, obrir la porta i preguntar al seu amic quin resultat va obtenir. Per tant, el laboratori (i el seu amic a dins) està una mica contaminat per la partícula i també es troba en una superposició d’estats fins que Wigner ha tingut la seva resposta.

Clic per engrandir. El físic Eugène Wigner, l’origen de la paradoxa de l’amic
de Wigner. © ORNL History

Wigner (el real, no el de la paradoxa) fa la següent pregunta: quan es produeix el col·lapse de la funció d'ona de la partícula? quan el seu amic es va assabentar del resultat o quan li va enviar? Per a Wigner,  la consciència del seu amic era suficient per provocar el col·lapse definitiu i categòric de la funció d'ona, però fins i tot tenia raó? I si el seu amic hagués estat un ordinador?.

Simfonia per a quatre observadors i dues partícules

Passem ara a l’experiència que ens interessa. "Per a la nostra investigació, hem construït una versió ampliada de la paradoxa de l'amic de Wigner, proposada per primera vegada per Časlav Brukner de la Universitat de Viena", escriu Eric Cavalcanti, coautor de l'estudi publicat a Nature Physics. En aquest nou escenari, coneixem a l'Alice i en Bob (en el paper de Wigner), Charlie i Debbie (en el paper del seu amic) i un parell de partícules entrellaçades (en el paper de... la partícula).
Charlie i Debbie es troben cadascun al seu propi laboratori: mentre que la feina de Charlie és mesurar la partícula a del parell entrellaçat, Debbie s’encarrega de la partícula b. (Recordem que, d’acord amb el principi d’intricació quàntica, si Charlie mesura un estat de 1, Debbie necessàriament trobarà el 0 al seu costat i viceversa.) A l'exterior, Alice i Bob (a qui anomenarem superobservadors) llencen cadascun un dau de tres cares (I, II, III):

- Si el resultat és igual a I: el superobservador obre la porta del laboratori i pregunta al seu acòlit quin resultat ha obtingut.

- Si el resultat és igual a II o III: el superobservador deixa la porta tancada i tria mesurar ell mateix la partícula, ignorant el resultat obtingut pel seu acòlit.

Les parelles segueixen aquest procediment sense preocupar-se l'una de l'altra, al final de l’experiment, Alice i Bob comparen els seus resultats per calcular la taxa de correlació de tots els parells de partícules. Tot està clar? Ara, anem breument i de la manera més senzilla possible, com els investigadors van comprovar experimentalment aquesta paradoxa.

El parèntesi pràctic

En aquest context més concret, es genera un parell de fotons polaritzats i entrenllaçats que travessa un complex sistema de filtres, prismes, miralls i sensors. El més important a entendre és que el fotó passa primer per un filtre que determina la seva trajectòria (per exemple, esquerra o dreta) segons la seva polarització (1 o 0). Després té dues opcions: 

- Continua el seu camí directament cap a un interferòmetre que mesurarà el seu estat. o bé

- passa per un segon filtre que anul·la l’efecte de l’anterior abans que el fotó arribi a l’interferòmetre.

Aquí, el primer filtre designa l’acòlit, mentre que l’interferòmetre pren el lloc del superobservador. En el primer cas, descrivint la situació en què el llançament de daus és igual a I, el resultat obtingut pel filtre/acòlit es transmet directament a l’interferòmetre/superobservador (la porta està oberta). A la segona, on el llançament de daus és igual a II o III, l’observació de l'acólit s’esborra d’alguna manera i el fotó es mesura directament pel superobservador (la porta roman tancada). A l'experiment, el llançament de daus es genera aleatòriament per a cada interferòmetre, per a cada parell de fotons nou.

A continuació es mostra una versió molt esquemàtica de la meitat del dispositiu, juntament amb la seva versió original i completa (ja ens direu uina preferiu).

Clic per engrandir. Una versió simplificada de l’experiment: a la part superior,
el fotó passa a través d’un primer filtre (l’acòlit), i després s’uneix directament a
l’interferòmetre (superobservador); a la part inferior, el fotó passa a través d'un
primer filtre (el company), i després continua el seu viatge a través d'un segon
filtre cancel·lant l'efecte del primer, per finalment unir-se a l'interferòmetre
(superobservador). © Emma Hollen. 

Clic per engrandir. La versió original de l’experiment mostra la configuració experimental
en conjunt: a la dreta, veiem els camins seguits pels fotons de Bob i Alice. El fotó passa
a través d’un primer conjunt de filtres a la part inferior (acòlit), i després, en funció del
resultat del "llançament dels daus", és desviat selectivament per un mirall en
moviment cap a l’interferòmetre (superobservador) o continua el seu recorregut per un
nou conjunt de filtres que cancel·len l’efecte dels anteriors, per unir-se finalment a
l’interferòmetre (superobservador). © Bong et al., Spie 

Tres postulats, amb un gir

Per tal de comparar els seus resultats experimentals amb les prediccions de la física clàssica, els investigadors estableixen els seus càlculs teòrics sobre tres postulats bàsics, formant junts un principi anomenat "amabilitat local" per Cavalcanti:

- Caràcter absolut dels esdeveniments observats  (AOE): un cop feta la primera observació, el col·lapse de la funció d'ona és absolut i definitiu, no hi ha versions alternatives ni possibles modificacions;

- Principi de localitat: (recordatori) les partícules no es poden influir mútuament més ràpid que la llum;

- Absència de superdeterminisme (NSD): es conserva el lliure albir i l’atzar; el resultat de les tirades de daus, per exemple, no pot ser influït per cap altre esdeveniment dins o fora de l'experiment: és completament aleatori.

Un cop calculat el llindar de correlació teòrica, l’equip va realitzar ni més ni menys que 90.000 proves. Com s'esperava, les correlacions obtingudes experimentalment violen sistemàticament els postulats de Bell. Però, encara més interessant, els resultats no violen el principi d’amabilitat local (qüestionant almenys un dels tres postulats inicials anteriors) només quan l’intricació és prou forta: pertorbant parcialment l’harmonia de parells de fotons, els investigadors van trobar que més enllà d’un llindar determinat, els resultats empírics coincideixen amb les prediccions.

Aquesta distinció permet demostrar que els postulats de Bell i els d'amabilitat no són equivalents. Per obtenir resultats teòrics d'acord amb les mesures realitzades a la realitat, haurem d'abandonar almenys un dels tres postulats que planteja el principi de simpatia local. I les implicacions d’aquest descobriment són profundes.

Haurem d’actualitzar la nostra realitat?

Com dèiem al principi del nostre article, la mecànica quàntica de vegades avança contra els postulats decretats pel sentit comú; "L'avenç en aquest cas és que discernim una mica millor quines suposicions hem d'abandonar" , comenta Ken Wharton, físic de la Universitat de San José, que no va participar en l'estudi. Fins que els nous resultats experimentals no ens proporcionin més amplis elements de resposta, les teories continuaran florint, i alguns científics afirmen que els esdeveniments futurs poden afectar les observacions passades (retrocausalitat), que cada observació provoca el naixement d’ universos.paral·lel (hipòtesi multivers), o que no hi hagi realitat objectiva. El següent pas per als investigadors és replicar l’experiment a escales més grans per veure fins a quin punt es manté la teoria quàntica i si les seves troballes s’apliquen al nostre nivell de percepció.


Ho he vist aquí.

22/12/2019

Geminga, el púlsar proper a la Terra, ens estaria bombardejant amb antimatèria

Un mapa de fonts d'emissió gamma elaborat amb observacions del satèl·lit Fermi. Crèdit NASA

Les observacions realitzades durant una dècada amb el telescopi gamma en òrbita de la NASA, Fermi, demostren que el púlsar Geminga està envoltat per un important halo de positrons. Com que es troba a uns 800 anys llum del sistema solar, una gran part del flux d’antimatèria que bombardeja la Terra podria provenir d’aquest púlsar gamma.

Quan Paul Dirac va descobrir el 1928 una generalització relativista de la equació de Schrödinger que descriu un electró, també va descobrir que no només preveia l’espiració i el moment magnètic d’aquesta partícula a partir de consideracions en gran mesura relacionades amb les matemàtiques pures, sinó que també l'existència de partícules noves d’energies negatives pels mateixos motius. Dos anys després, va trobar una solució a les dificultats que comporta aquestes noves partícules posant les bases de la teoria moderna de l'antimatèria. Després va pensar que els protons, d’energia i de càrrega positiva, són les noves partícules de la seva equació en determinades situacions. La seva equació va predir una massa idèntica a la de l’electró, però, reticent a postular realment l’existència d’una nova partícula elemental mai abans observada, va pensar que la massa gairebé 2.000 vegades més gran del nucli d’hidrogen es devia interaccions encara difícils de calcular en el camp de l’electrodinàmica quàntica relativista que estava explorant. 

El 1932, el físic Carl Anderson va descobrir finalment en els raigs còsmics un exemple de partícules de Dirac exòtiques que es comporten com un electró, una mateixa massa, un gir, etc., però amb una càrrega positiva. La taula de partícules elementals és complicada, però finalment és un nou triomf per a Dirac i també per a Plató i Pitàgores ja que l’existència del que ara s’anomena positró es basa en consideracions matemàtiques molt abstractes, la teoria de les matrius i espinors i l'existència d'arrels quadrades negatives per a l'energia quàntica d'una partícula segons la teoria de la relativitat especial.

Clic per engrandir. Un mapa de cel de raigs gamma obtingut a partir del satèl·lit Fermi.
S’indiquen diverses fonts, entre les quals els púlsars de Cranc, Vela i Geminga. El perfil
del disc de la Via Làctia és clarament visible. © NASA
 

Antimatèria produïda per la matèria fosca?

L’estudi de les partícules antimatèria en els raigs còsmics ha continuat, sobretot perquè entre les modernes teories quàntiques relativistes relacionades amb l’existència de les famoses partícules de matèria fosca, de vegades també sobre bases matemàtiques gairebé pures en relació amb la teoria de la relativitat (en aquest cas la supersimetria i fins i tot la supergravetat), alguns prediuen que aquestes partícules poden aniquilar-se amb les seves pròpies antipartícules donant electrons i positrons.

Ara, en el marc del Model Cosmològic Estàndard amb partícules de matèria fosca, es podria esperar observar en òrbita al voltant de la Terra en el flux de raigs còsmics primaris un excés de partícules antimatèria, en aquest cas els positrons, a certes energies, traeixen la presència de partícules de matèria fosca a la Via Làctia, principalment al seu cor. De fet, s’ha detectat un excés d’aquest tipus, en particular pel detector AMS 02 a bord de la EEI.

Malauradament, tal com han pensat diversos investigadors durant anys, un article publicat a Physical Review D i disponible gratuïtament a arXiv reforça la hipòtesi que les anomalies observades en el flux antimatèria que bombardeja la Terra es deuen, de fet, a processos d'astrofísica ordinària, principalment púlsars prop del Sistema Solar.

Geminga, el pulsar gamma i el seu halo antimatèria. Podeu accedir a la vostra subtitulació
preferida a la configuració del vídeo. © NASA Goddard

Un grup d’astrofísics italians ha analitzat efectivament les observacions realitzades durant una dècada en astronomia gamma pel satèl·lit Fermi sobre una font coneguda anomenada Geminga, descoberta el 1972 amb el satèl·lit Small Astronomy 2. S'havia observat en direcció a la constel·lació de Gemini, però no va ser fins a les mesures en el camp dels raigs X, realitzades el 1991 mitjançant el satèl·lit ROSAT, per entendre que estàvem en presència d'un polsar gamma situada a tan sols 815 anys llum del Sistema Solar.

La PSR J0633+1746, el seu nom tècnic, no és visible en el domini radiofònic, però la podem veure pulsant en els rajos X (per a la petita història Geminga és a la vegada un joc sobre l'expressió "font de rajos gamma Gemini i l'expressió "no hi ha res allà" en el dialecte de Milà, Itàlia, perquè es refereix a la incapacitat dels astrònoms de trobar l'objecte a la ràdio) i aquesta és un dels púlsars gamma més brillants del cel. 

Un halo de positrons traïts per fotons gamma

Mattia Di Mauro i els seus col·legues van descobrir que Geminga estava envoltada en realitat per un halo gamma oval més gran del que s’imaginaven en observacions anteriors en el camp dels rajos gamma a energies més elevades, en aquesta ocasió amb l' instrument de l'Observatori de rajos gamma gamma de Cherenkov (HAWC). Tal com va explicar Aurélien Barrau al blog que Futura va posar a la seva disposició, les observacions de HAWC no eren favorables perquè fos una font important de positrons. Però, destacant un halo la mida de la volta celeste és 40 vegades més gran que la de la lluna plena sota la mirada de Fermi, les conclusions que se’n poden treure canvien la situació perquè les seves característiques són les previstes amb ordinador amb un gran núvol de positrons xocant amb fotons a baixes energies, cosa que els proporciona per efecte Compton més energia fins al punt que es converteixen en fotons gamma.

Segons els investigadors, és possible explicar almenys el 20% dels positrons del flux anormal mesurat amb AMS 02 per les emissions d’aquestes partícules al medi interestel·lar de Geminga. Com no és possible rastrejar exactament l’origen d’aquests positrons perquè es desvien caòticament pels camps magnètics de la Via Làctia (tècnicament per tant s’han de moure d’acord amb les lleis d’un passeig aleatori, com diuen en física) i que hi ha d’haver altres púlsars propers al Sol, però encara sense ser detectats, és difícil doncs, no arribar a la conclusió que el bombardeig d'antimatèria que pateix la Terra amb els positrons observats probablement no assenyala l'existència indirecta de partícules de matèria fosca. 

Una presentació dels púlsars i les partícules que produeixen, electrons, positrons, fotons
gamma i ràdio. Trieu l'idioma preferit de subtitulació a configuració del vídeo. © NASA Goddard

No és difícil entendre l’origen dels positrons produïts pels púlsars. Per a això, cal recordar que es tracta de cadàvers estel·lars, el punt final de l'evolució de certes estrelles que van explotar a la supernova del SN II mentre es col·lapsaven gravitativament i donen el que s'anomenen estrelles de neutrons. Aquestes estrelles giren sobre si mateixes i tenen un camp magnètic dipolar intens com el de la Terra o el Sol. Aquest dipol pot estar inclinat o no en relació amb l’eix de rotació de l’estrella que gira en el seu camp magnètic. Un efecte relativista fa que aquest camp magnètic es comporti com un camp elèctric molt intens a la superfície de les estrelles de neutrons. Aquest camp es descompon i accelera electrons que es mouran en el camp magnètic i produeixen en cascada parells electró-positró mitjançant col·lisions amb els fotons de la radiació també produïts pels púlsars.