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

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

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

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

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

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

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

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

Simulacions més detallades a escala de galàxia

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Simulacions conformes amb les observacions del JWST

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

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

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

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

Ho he vist aquí.

Capritx o meravella? Deixarem que vostè decideixi

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

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

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

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

Ho he vist aquí.

En un esforç per descobrir el secret de l'energia fosca, un telescopi observa . . .

En un esforç per descobrir el secret de l'energia fosca, un telescopi observa els dracs lluitadors d'Ara OB1.

Clic a la imatge per engrandir. La nebulosa "Dracs lluitadors d'Ara" en un gran núvol molecular. Crèdit: Dark Energy Survey (Sondeig d'Energia Fosca), DOE, FNAL, DECam, CTIO, NOIRLab, NSF, AURA. Processament d'imatges: R. Colombari i M. Zamani (NOIRLab de NSF)

 

La nebulosa NGC 6188 s'ha observat durant gairebé dos segles amb telescopis cada cop més potents. Un d'aquests telescopis la va estudiar per primera vegada a la dècada del 2010 mentre buscava els secrets de l'energia i la matèria fosca davant l'Observatori Vera Rubin.
 

Primer pla del cúmul estel·lar NGC 6193 i la nebulosa NGC 6188  Aquest vídeo es va crear a partir d'una imatge capturada per la càmera OmegaCAM del telescopi VLT Sondeig de l'Observatori Paranal. Se centra en una secció de l'associació estel·lar Ara OB1. Al centre de la imatge hi ha el jove cúmul obert NGC 6193, i a la dreta hi ha la nebulosa d'emissió NGC 6188, il·luminada per la radiació ionitzant de les estrelles més brillants properes. Crèdit: ESO. Música: movetwo

Recentment s'ha parlat molt sobre la posada en marxa de l'Observatori Vera Rubin, explicant que el seu objectiu principal és intentar aclarir la naturalesa de l'energia fosca, que se suposa que explica l'acceleració de l'expansió del cosmos observable durant uns quants milers de milions d'anys, i la naturalesa de la matèria fosca, suposadament havia d'explicar l'existència de les galàxies. Però també havia d'explicar que la càmera que equipava aquest observatori permetia obtenir imatges precioses (essencialment en el visible) i descobrir petits cossos celestes del Sistema Solar.

Resulta que aquest va ser el cas en estudiar una part de la volta celeste a l'hemisferi sud com a part del Dark Energy Survey (DES), una campanya d'observació durant la dècada anterior, que també utilitzava imatges preses en l'ultraviolat proper, el visible i l'infraroig proper per mesurar l'expansió de l'Univers amb l'ajuda de supernoves tipus Ia, les oscil·lacions acústiques bariòniques han deixat les seves traces en la distribució de les galàxies.

El DES va ser possible gràcies a la Dark Energy Camera (DECam) muntada al telescopi Víctor M. Blanco, de quatre metres, situat a l'Observatori Interamericà de Cerro Tololo (CTIO) a Xile.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. El Dark Energy Survey va dur a terme un estudi en profunditat del nostre Univers utilitzant la Dark Energy Camera de 570 megapíxels del telescopi Victor M. Blanco de 4 metres de la National Science Foundation. Crèdit: Fermilab.

Una nova mirada a una estrella descoberta per l'astrònom britànic John Herschel el 1836

Més recentment, el NSF NOIRLab (anteriorment anomenat National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory),  que és el centre nacional dels Estats Units per a l'astronomia de llum visible nocturna de terra, va publicar imatges preses amb la DECam, inclosa una d'espectacular nebulosa.

Oficialment designada com a NGC6188, "Els Dracs Lluitadors d'Ara" és una nebulosa d'emissió situada a uns 4.000 anys llum del Sistema Solar, prop del límit d'un gran núvol molecular en la constel·lació d'Ara (l'Altar).

Clic a la imatge per engrandir. Imatge sublim de la nebulosa "Dracs lluitadors d'Ara" revelada per la Dark Energy Camera  (DECam). Crèdit: Dark Energy Survey, DOE, FNAL, DECam, CTIO, NOIRLab, NSF, AURA. Processament d'imatges: R. Colombari i M. Zamani (NOIRLab de NSF)

La nebulosa deu el seu nom a la seva semblança amb dos "dracs" que emergeixen dels núvols de pols foscos i amenaçadors per enfrontar-se. La seva estructura està produïda pels vents estel·lar i la resplendor de joves estrelles nascudes fa uns quants milions d'anys com a màxim i que esculpeixen el núvol molecular on es van encendre.

La radiació de les estrelles també causa les emissions de la nebulosa excitant inicialment els àtoms i molècules que la componen, que absorbeixen aquesta radiació abans de produir-la des-excitant-la, tot segons processos quàntics.

Ho he vist aquí.

A l'hemisferi nord, el canvi de la tardor a l'hivern ens fa reflexionar sobre el nostre lloc a l'univers.

L'univers està en canvi constant, i també ho estem tu, nosaltres, i les estrelles d'allà a dalt, junts. Pren-te un moment per reflexionar amb nosaltres. Tots hem arribat molt lluny i encara queda molt per recórrer.

Descripció del vídeo:

0:00-0:14: La imatge de la nebulosa de la Taràntula del telescopi espacial James Webb (JWST) apareix a la pantalla i es desplaça lentament cap a la dreta. Els núvols arremolinats de la nebulosa brillen amb tons ambre, gris i blau nit. Les paraules d'un poema s'esvaeixen al centre de l'enquadrament i diuen: “L'univers està en canvi constant i, nosaltres també”. La imatge s'endinsa suaument cap a un grup de punts de llum enlluernadors.

0:14-0:25: Una altra imatge del JWST d'una galàxia vermella i ardent se superposa a les imatges de la nebulosa de la Taràntula mitjançant un suau fos. El poema continua: "Tu, nosaltres i les estrelles allà dalt, Junts". Aquesta galàxia espiral té uns radiants braços ataronjats en forma de tentacles que contrasten vivament amb els tons blaus foscos. La imatge s'amplia suaument.

0:25-0:41: Una altra imatge del JWST se superposa a l'anterior. Aquesta imatge és el Núvol Molecular Camaleó I. El poema diu: "Pren-te un moment amb nosaltres per reflexionar. Tots hem arribat tan lluny". La imatge es desplaça en diagonal per l'enquadrament, que conté material blau difús i la resplendor taronja d'una protoestrella. La imatge s'atura al bell mig d'una estrella. Els seus sis braços brillants s'estenen pel quadre.

0:41-0:55: La imatge del Núvol Molecular Camaleó I s'esvaeix a mesura que apareix la imatge d'una altra estrella. Aquesta imatge es diu Rho Ophiuchi i correspon a la regió de formació estel·lar més propera a la Terra. La imatge té tons vermells, roses, morats, taronges i blancs. El poema continua: "I encara hi ha tant per endavant". La imatge s'esvaeix en negre, deixant la línia final del poema breument en pantalla sobre un fons negre abans d'esvair-se.

0:55-1:00: Apareix el logotip del JWST, que diu "Webb Space Telescope", situat a la dreta d'una animació del JWST amb partícules daurades reflectants flotant per l'enquadrament. El logotip del cercle de la NASA apareix com un cercle blau amb "NASA" escrit a través seu, estrelles que esquitxen el perímetre, i una animació de barres vermelles i blanques en picat a través del logotip.

Crèdit vídeo i text: NASA/Karly Noetzel

Ho he vist aquí.

El James Webb troba etanol i altres ingredients gelats per nous mons

Què tenen en comú les margarides, el vinagre i les picades de formiga? Contenen ingredients químics que el telescopi espacial James Webb de la NASA ha identificat al voltant de dues joves protoestrelles conegudes com a IRAS 2A i IRAS 23385. Encara que encara no s'estan formant planetes al voltant d'aquestes estrelles, aquestes i altres molècules detectades allà pel Webb representen ingredients clau per crear mons potencialment habitables.

Un equip internacional d'astrònoms va fer servir l'instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) del Webb per identificar diversos compostos gelats formats per molècules orgàniques complexes com l'etanol (alcohol) i probablement l'àcid acètic (ingredient del vinagre). Aquest treball es basa en deteccions anteriors del Webb de diversos gels en un núvol molecular fred i fosc.

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta imatge a una longitud d'ona de 15 micres va ser presa per MIRI (Mid-Infrared Instrument) al telescopi espacial James Webb de la NASA, d'una regió propera a la protoestrella coneguda com a IRAS 23385. IRAS 23385 i IRAS 2A (no visibles en aquesta imatge) van ser objecte d'una investigació recent per part d'un equip internacional d'astrònoms que va utilitzar el Webb per descobrir que els ingredients clau per crear mons potencialment habitables estan presents en protoestrelles en fase inicial, on encara no s'han format planetes. Crèdit: NASA, ESA, CSA, W. Rocha (Leiden University)

Quin és l'origen de les molècules orgàniques complexes (COM)?

"Aquesta troballa contribueix a resoldre una de les qüestions més antigues de l'astroquímica", afirma el cap de l'equip, Will Rocha de la Universitat de Leiden (Països Baixos). "Quin és l'origen de les molècules orgàniques complexes, o COM, a l'espai? Es formen a la fase gasosa o als gels?"

 

Atès que diverses COM, incloses les detectades en fase sòlida en aquesta investigació, s'havien detectat anteriorment a la fase gasosa calenta, ara es creu que procedeixen de la sublimació de gels. La sublimació consisteix a passar directament de sòlid a gas sense convertir-se en líquid. Per tant, la detecció de COM's als gels fa albergar esperances als astrònoms sobre una millor comprensió dels orígens d'altres molècules encara més grans a l'espai.

Els científics també estan interessats a saber fins a quin punt aquestes COM es transporten als planetes en etapes molt més tardanes de la evolució protoestel·lar. Es creu que les COM dels gels freds són més fàcils de transportar des dels núvols moleculars fins als discos de formació planetària que les molècules gasoses calentes. Per tant, aquestes COM gelades poden incorporar-se a estels i asteroides que, alhora, poden col·lisionar amb planetes en formació, aportant els ingredients necessaris perquè, possiblement, floreixi la vida.

L'equip científic també va detectar molècules més simples, com ara àcid fòrmic (que provoca la sensació de cremor d'una picada de formiga), metà, formaldehid i diòxid de sofre. La investigació suggereix que els compostos que contenen sofre, com el diòxid de sofre, van tenir un paper important en l'impuls de les reaccions metabòliques a la Terra primitiva.

 

Clic a la imatge per engrandir. L'instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) del telescopi espacial James Webb de la NASA ha identificat diverses molècules orgàniques complexes presents als gels interestel·lars que envolten dues protoestrelles. Aquestes molècules, que són ingredients clau per a la creació de mons potencialment habitables, inclouen etanol, àcid fòrmic, metà i, probablement, àcid acètic, en fase sòlida. La troballa procedeix de l'estudi de dues protoestrelles, IRAS 2A i IRAS 23385, totes dues joves que encara no estan formant planetes. Il·lustració: NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI). Ciència: W. Rocha (Universitat de Leiden). Text en català: Sci-Bit.

Similar a les primeres etapes del nostre propi sistema solar?

És especialment interessant el fet que una de les fonts investigades, IRAS 2A, es caracteritza per ser una protoestrella de baixa massa. Per tant, IRAS 2A pot ser semblant a les primeres etapes del nostre propi sistema solar. Com a tals, les substàncies químiques identificades al voltant d'aquesta protoestrella poden haver estat a les primeres etapes de desenvolupament del nostre sistema solar i haver arribat posteriorment a la Terra primitiva.

"Totes aquestes molècules poden arribar a formar part d'estels i asteroides i, amb el temps, de nous sistemes planetaris quan el material gelat sigui transportat cap a l'interior del disc de formació de planetes a mesura que evoluciona el sistema protoestel·lar", afirma Ewine van Dishoeck, de la Universitat de Leiden, una de les coordinadores del programa científic. "Esperem seguir pas a pas aquest rastre astroquímic amb més dades del Webb en els propers anys".

Aquestes observacions es van fer per al programa JOYS+ (James Webb Observations of Young ProtoStars). L'equip va dedicar aquests resultats al membre de l'equip Harold Linnartz, que va morir inesperadament el desembre del 2023, poc després de l'acceptació d'aquest article.

Aquesta investigació ha estat acceptada per a la seva publicació a la revista Astronomy & Astrophysics.

El telescopi espacial James Webb és el principal observatori científic espacial del món. Webb està resolent misteris en el nostre sistema solar, mirant més enllà, mons llunyans al voltant d'altres estrelles, i sondejant les misterioses estructures i orígens del nostre univers i el nostre lloc en ell. Webb és un programa internacional dirigit per la NASA amb els socis, l'ESA (Agència Espacial Europea) i l'Agència Espacial Canadenca.

Ho he vist aquí.

Orió: James Webb revela imatges tan detallades d'aquesta nebulosa mítica que es trigarà anys a analitzar-les

Clic per engrandir. A prop del cor de la nebulosa d'Orió, el telescopi espacial James Webb revela detalls d'una estructura coneguda pels astrònoms com la barra d'Orió. Crèdit: NASA, ESA, CSA, E. Dartois, E. Habart, equip PDRs4All ERS.

La nebulosa d'Orió s'ha observat moltes vegades abans. Però avui, el telescopi espacial James Webb ens envia imatges que són simplement impressionants. Que els astrònoms no han acabat d'analitzar.

Sobrevola la nebulosa d'Orió amb Hubble i Spitzer. La NASA ens convida a un viatge impressionant per la nebulosa d'Orió. En aquesta reconstrucció tridimensional creada a partir d'observacions del Hubble i Spitzer, volem per les valls i planes de l'interior de la famosa nebulosa. Un espectacle que us farà descobrir, com mai, la intimitat d'aquest núvol de gas on neixen milers d'estrelles.

La nebulosa d'Orió és un dels objectes més coneguts del món de la astronomia. Un bressol d'estrelles situat "només" a 1.500 anys llum de la Terra. Tan proper i actiu que és visible a simple vista quan el nostre cel és prou fosc. La nebulosa d'Orió (o M42, Messier 42) és sens dubte la més fotografiada del món. Però avui, el telescopi espacial James Webb (JWST) ens ofereix poder descobrir imatges de la regió d'una claredat increïble. Un zoom, en particular, a la famosa "Barra d'Orió". Imatges impressionants, però també riques en lliçons per als científics.

"Aquestes imatges són tan detallades que probablement trigarem anys a analitzar-les completament", diu Els Peeters astrofísica, en un comunicat de la Western University (Canadà). "Serviran com a referència per a la investigació astrofísica durant dècades". Gràcies al busseig permeten entrar en els ambients sovint caòtics que acompanyen la formació estel·lar.

Clic a la imatge per engrandir. Investigadors de la Western University, dirigits pels Peeters i Jan Cami, utilitzen el telescopi James Webb per revelar nous coneixements sobre la formació estel·lar a la nebulosa d'Orió. Crèdit: Western University, X.

Protagonisme sobre una regió on es formen les estrelles

En una sèrie d'estudis publicats a la revista Astronomy & Astrophysic, els investigadors presenten avui les primeres anàlisis dels processos físics i productes químics que juguen al cor de la Barra d'Orió. Diversos descobriments "sorprenents i importants".

Abans d'entrar en detall, recordem que les estrelles es formen quan regions massa denses són gegantins núvols de gas i la pols s'esfondra sota la seva pròpia gravetat. Aleshores apareix la protoestrella envoltada de gas i pols. Aquestes estrelles en creixement continuen reunint matèria fins que esdevenen prou massius per desencadenar la fusió nuclear. Sembla senzill. Però, en realitat, aquestes regions massa denses no tenen totes la mateixa mida ni la mateixa massa. Tampoc s'enfonsen tots alhora. Com a resultat, els bressols d'estrelles acaben amb estrelles de diferents masses en diferents etapes del seu desenvolupament en un núvol caòtic de gas i pols.

Per entendre com es formen les estrelles, els astrònoms han d'entendre millor la física i química de les anomenades regions de fotodissociació. En diuen regions PDR. I el que està en joc està essencialment determinat per la manera en què la radiació ultraviolada de les estrelles joves interactuen amb el gas i la pols circumdants. Interaccions que donen lloc a estructures com la barra d'Orió.

Clic a la imatge per engrandir. Webb: el llistó d'Orió cada cop més alt per a tots. Mentre observava la barra de Orió, Webb va detectar per primera vegada a l'espai una molécula de carboni crucial. Aquesta molècula es va trobar en l'interior d'un disc de formació planetària que envolta un jove sistema estel·lar. Crèdit: NASA Webb Telescope. X.

La nebulosa d'Orió en el seu millor moment

Per tant, la barra d'Orió és una característica en forma de cresta que recorre diagonalment la nebulosa. Està composta per les restes de gas i pols a partir dels quals es van formar les estrelles. Correspon a la vora d'una gran bombolla buidada per algunes de les estrelles massives que alimenten la nebulosa d'Orió. La transició entre el gas ionitzat calent prop de les estrelles del Trapezi i el núvol molecular fred de l'altre costat.

A les imatges del telescopi espacial James Webb, apareixen detalls impressionants a la barra d'Orió vistes en el seu millor perfil. Detalls que revelen a ulls dels astrònoms una estructura més complexa del que havien imaginat. Gasos i pols tant en primer pla com en segon pla i que la qualitat de les imatges, expliquen els investigadors, permet separar per revelar una mena d'immens mur.

Les dades retornades pel JWST al domini de l'infraroig proper revelen, al seu torn, la manera en què la composició química -però també la temperatura, la densitat i la intensitat de la radiació- de la barra d'Orió pot variar. Les anàlisis espectroscòpiques de fet, mostren nombrosos pics força clars com tantes empremtes dactilars de diversos compostos químics presents a la regió. Ni més ni menys que 600!

Els astrònoms els han utilitzat per millorar significativament els models existents de PDR. I especificar com els canvis en el medi físic afecten la química local i viceversa.

Clic a la imatge per engrandir. Noves imatges espacials! El telescopi espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA ha afegit imatges detallades de la nebulosa d'Orió a la nostra aplicació ESASky. Zoom en aquesta regió amb una rica diversitat de fenòmens, incloent protoestrelles, nanes marrons i fins i tot planetes que suren lliurement! Crèdit: ESA, X.

JWST i intel·ligència artificial per desentranyar els misteris de la nebulosa d'Orió

Els investigadors també van utilitzar les dades retornades pel telescopi espacial James Webb per intentar entendre les fortes variacions fins ara inexplicables en les emissions de pols a la barra d'Orió. I les dades van donar la seva resposta. Apunten clarament a l'atenuació de la radiació per la pols i la destrucció efectiva de partícules de pols més petites com la causa subjacent d'aquestes variacions.

Ho he vist aquí.

Estem fets de pols d'estrelles?

Segurament heu sentit l'expressió "estem fets de pols d'estrelles". És un mite o una realitat? Un equip d'astrònoms, que es va emprendre a seguir el rastre d'aquesta pols, va tornar a les seves fonts. Sens dubte, el 97% dels nostres milers de milions d'àtoms provenen del cosmos.

Clic a la imatge per engrandir. Estem fets de pols d'estrelles? Aquí, la regió de formació estel·lar NGC 3603. Aquests centenars d'estrelles acabades de néixer han agregat el gas i la pols al seu voltant com ho va fer el nostre Sol fa 4.600 milions d'anys. Crèdit: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA)

L'expressió “pols d'estrelles", presa per Hubert Reeves pel títol d'un dels seus llibres més famosos, és originaria de Carl Sagan. A la seva sèrie Cosmos, va declarar l'astrobiòleg  “el nitrogen al nostre ADN, el calci de les nostres dents, el ferro de la nostra sang, el carboni dels nostres pastissos de poma es van fer dins d'estrelles col·lapsades. Estem fets de pols d'estrelles".

De fet, com mostren les investigacions recents sobre la genealogia de la matèria que ens forma a tots nosaltres, i que òbviament inclou tots els éssers vius (i també tot el que ens envolta, el mateix planeta així com tots els altres cossos del Sistema Solar), estem formats per àtoms forjats a través de diferents esdeveniments còsmics que han marcat els 13.800 milions d'anys d'història de l'univers.

Per veure amb més claredat els diferents processos que han configurat els àtoms que ens envolten (i fins a quin punt), Jennifer A. Johnson, de la Universitat d'Ohio, va tenir la idea de tornar a visitar la famosa taula periòdica dels elements químics. Molts d'ells tenen, és cert, una gènesi estel·lar, però, en la seva adaptació, l'astrònoma crida l'atenció sobre les diferents condicions necessàries per produir-les.

Clic a la imatge per engrandir. De quines estrelles prové el nostre carboni, ferro, nitrogen, etc..? Jennifer Johnson proposa una nova lectura de la taula periòdica per veure-la més clarament. L'astrònoma va localitzar la font de la majoria dels elements químics perquè sí, aquests es van produir en diferents condicions. Llavors, d'on provenen? En blau fosc: del Big Bang; en taronja: de la fusió d'estrelles de neutrons; en groc: la mort d'estrelles de poca massa; en rosa: raigs còsmics; en verd: estrelles massives que exploten en supernoves; en blau clar: explosions de nanes blanques. Crèdit: Jennifer Johnson.

Supernoves, explosions de nanes blanques: d'on provenen els nostres àtoms?

De fet, l'alquímia no és la mateixa segons les condicions de producció. Així, els elements poden provenir de:

• Del Big Bang  (en blau fosc a la taula anterior) pel que fa a l'hidrogen (H) i a una gran part de l'heli (He). Molt abundants al cosmos, són la matèria primera dels altres elements de la taula periòdica, que només posteriorment es van poder crear en les calderes de les estrelles més o menys massives.
  
  
• D'estrelles massives que exploten en supernoves, un procés violent (en verd a la taula anterior) que marca, per exemple, l'oxigen (O), el sodi (Na), el fluor (F), el magnesi (Mg), el neó (Ne).
  
  
• De la mort d'estrelles molt menys massives (groc a la taula anterior), com ara el Sol. Aquests, que exhalen lentament després d'una existència de diversos milers de milions d'anys, són la font d'una gran part del carboni (C), nitrogen (N), liti (Li), etc. que conté el nostre cos.
  
  
• D'explosions de nanes blanques (en blau clar a la taula anterior), que són els principals responsables del ferro (Fe), crom (Cr), del vanadi (V), coure (Cu) o fins i tot el zinc (Zn).
   
• De la fusió d'estrelles de neutrons (en taronja a la taula), molt compactes, que generaven principalment elements com el bismut (Bi), el poloni (Po), el radó (Rn), el franci (Fr) i aproximadament la meitat del ruteni (Ru), del cadmi (Cd), de l'antimoni (Sb), tel·luri (Te), tàntal (Ta), el tungstè (W), etc...
   
• De la radiació còsmica (en rosa a la taula), que és menys freqüent. Això afecta a tot el bor (B), beril·li (Be) que trobem al sistema solar i també una petita part del liti (Li).

Tots els nostres àtoms són el 97% d'origen estel·lar.

Aleshores, d'on provenen els aproximadament 7.000 milions de milions d'àtoms (7 × 10²⁷ àtoms) que ens formen? Quantes supernoves diferents, fusions d'estrelles de neutrons, de raigs còsmics vinguts de l'altre extrem de la Via Làctia i més enllà ? Elaborats a la nostra galàxia, al llarg de les seves rotacions i també de les seves (i nombroses) fusions amb altres, que van començar fa més de 13.000 milions d'anys, aquests àtoms tenen, doncs, múltiples orígens.

Es van formar fa més o menys temps en llocs més o menys allunyats del núvol molecular on es van trobar atrapats i que va donar a llum al nostre Sol, fa 4.600 milions d'anys (aquest núvol es va formar per col·lapse de matèria després de l'explosió d'una supernova... Un esdeveniment pare del nostre Sistema Solar anomenat Coatlicue).

Els elements essencials per a la química de la vida es troben al centre de la galàxia

Amb diversos col·legues de l'estudi SDSS, Jennifer Johnson va ser coautora d'un estudi que confirma que tots els nostres àtoms són el 97% d'origen estel·lar. "Gràcies a aquestes dades, podem determinar quan i on la vida tenia els elements necessaris per sorgir a la nostra galàxia", també va declarar.

És, doncs, al centre de la Via Làctia on es troben els elements essencials de la química de la vida generada per estrelles com el nostre Sol són les més concentrades. "Ara tenim una cronologia de les zones habitables de la Via Làctia".

Ho he vist aquí.

El James Webb capta el flux supersònic d'una jove estrella

Els objectes Herbig-Haro (HH) són regions lluminoses que envolten les estrelles nounades, formades quan els vents estel·lars o els raigs de gas que brollen d'aquestes estrelles nounades formen ones de xoc que col·lisionen amb el gas i la pols propers a gran velocitat. Aquesta imatge de HH 211, presa pel telescopi espacial James Webb de la NASA, mostra el flux de sortida d'una protoestrella de classe 0, un anàleg infantil del nostre sol quan no tenia més de desenes de milers d'anys i una massa de només el 8% de la del Sol actual (amb el temps es convertirà en una estrella com el Sol).

Clic a la imatge per engrandir. El telescopi espacial James Webb de la NASA observa a l'infraroig proper i amb alta resolució Herbig-Haro 211 i revela detalls exquisits del flux de sortida d'una estrella jove, un anàleg infantil del nostre Sol. Els objectes Herbig-Haro es formen quan els vents estel·lars o raigs de gas que brollen de les estrelles nounades formen ones de xoc que xoquen a gran velocitat amb el gas i la pols properes. La imatge mostra amb un detall sense precedents una sèrie d'ones de xoc arquejades cap al sud-est (a baix a l'esquerra) i al nord-oest (a dalt a la dreta), així com l'estret raig bipolar que les impulsa. Les molècules excitades per les condicions turbulentes, entre les quals hi ha l'hidrogen molecular, el monòxid de carboni i el monòxid de silici, emeten llum infraroja, recollida per Webb, que traça l'estructura dels dolls. Crèdit: ESA/Webb, NASA, CSA, T. Ray (Institut d'Estudis Avançats de Dublín)

Les imatges infraroges són molt útils per estudiar les estrelles recent nascudes i els seus fluxos de sortida, ja que aquestes estrelles sempre estan immerses en el gas del núvol molecular on es van formar. L'emissió infraroja dels fluxos estel·lars penetra en el gas i la pols, cosa que fa que un objecte Herbig-Haro com a HH 211 sigui ideal per ser observat amb els sensibles instruments infrarojos de Webb. Les molècules excitades per les turbulències, com ara l'hidrogen molecular, el monòxid de carboni i el monòxid de silici, emeten llum infraroja que Webb pot recollir per cartografiar l'estructura dels fluxos de sortida.

La imatge mostra una sèrie de xocs de proa cap al sud-est (a baix a l'esquerra) i al nord-oest (a dalt a la dreta), així com l'estret raig bipolar que els impulsa. Webb revela aquesta escena amb un nivell de detall sense precedents, amb una resolució espacial entre 5 i 10 vegades superior a la de qualsevol imatge anterior de HH 211. El raig interior es mou amb simetria especular a banda i banda de la protoestrella central. Això concorda amb observacions a escales més petites i suggereix que la protoestrella pot ser, de fet, una estrella binària sense resoldre.

Observacions anteriors de HH 211 amb telescopis terrestres van revelar l'existència de gegantins xocs d'arc que s'allunyaven de nosaltres (nord-oest) i s'acostaven (sud-est) i d'estructures similars a cavitats a l'hidrogen i el monòxid de carboni xocats, respectivament, així com d'un raig bipolar nuós i ondulant al monòxid de silici. Els investigadors han utilitzat les noves observacions de Webb per determinar que el flux de sortida de l'objecte és relativament lent en comparació amb protoestrelles més evolucionades amb tipus de flux de sortida similars.

L'equip va mesurar les velocitats de les estructures més internes del flux de sortida a aproximadament 80-100 quilòmetres per segon. Tot i això, la diferència de velocitat entre aquestes seccions del flux i el material amb què xoquen, l'ona de xoc, és molt menor. Els investigadors van concloure que els fluxos de sortida de les estrelles més joves, com el del centre de HH 211, estan formats principalment per molècules, ja que les velocitats comparativament baixes de les ones de xoc no són prou energètiques per trencar les molècules a àtoms i ions més simples.

El telescopi espacial James Webb és el principal observatori científic espacial del món. Webb està resolent misteris en el nostre sistema solar, mirant més enllà, mons llunyans al voltant d'altres estrelles, i sondejant les misterioses estructures i orígens del nostre univers i el nostre lloc en ell. Webb és un programa internacional dirigit per la NASA amb els socis, l'ESA (Agència Espacial Europea) i l'Agència Espacial Canadenca (CSA-ASC).

Descarregueu la versió completa, sense comprimir, i les imatges de suport de l'Space Telescope Science Institute fent un clic aquí.

Ho he vist aquí.

Descobreixen ingredients per a la vida al núvol molecular de Perseu

Descobreixen ingredients per a la vida al núvol molecular de Perseu, a 1.000 anys llum de la Terra.

Les molècules prebiòtiques es van trobar al Núvol Molecular de Perseu, un jove cúmul d'estrelles i gas a l'espai profund.

Clic per engrandir. La pols i el gas del núvol estel·lar de Perseu contenen molècules precursores de la vida. Crèdit: Gabriel Pérez Díaz (IAC)

Una "sopa" de molècules en un llunyà núvol de formació estel·lar conté compostos que es consideren els blocs de construcció essencials per a la vida, segons han descobert els astrònoms.

Aquestes molècules poden contribuir a la construcció d'aminoàcids, que alhora constitueixen la base del material genètic i es creu que van ser essencials en el desenvolupament dels primers microorganismes de la Terra.

Les molècules prebiòtiques es van trobar en un cúmul estel·lar dins del Núvol Molecular de Perseu anomenat IC348. Es calcula que les estrelles del cúmul són molt joves, entre 2 i 3 milions d'anys. En comparació, el nostre Sol “de mitjana edat” té uns 4.600 milions d'anys.

"El núvol és un laboratori extraordinari de química orgànica", va dir en un comunicat Susan Iglesias-Groth, científica de l'Institut d'Astrofísica de Canàries (IAC) i coautora de la investigació. "Es tracta de molècules complexes de carboni pur que solen aparèixer com a blocs de construcció de les molècules clau de la vida".

El Núvol de Perseu, de 500 anys llum d'amplada, en què es van descobrir aquestes molècules, és una de les regions actives de formació estel·lar més properes al sistema solar, a 1.000 anys llum de distància.

Moltes de les estrelles incipients que es troben en cúmuls estel·lars dins del núvol estan envoltades de discos de gas i pols. És a l'interior d'aquests "discos protoplanetaris" on densos cúmuls de matèria es col·lapsen sota l'atracció de la gravetat per formar planetes, llunes, asteroides i estels, els components habituals dels sistemes planetaris que sorgeixen en un procés similar al que en el seu dia va donar origen al nostre sistema solar.

La detecció de molècules prebiòtiques en un lloc com aquest i tan a prop del cúmul estel·lar IC348 podria indicar que, a mesura que es formen els planetes joves, acumulen material que conté molècules que acaben contribuint a la formació de molècules orgàniques complexes.

"Aquestes molècules clau podrien haver estat subministrades als planetes naixents als discos protoplanetaris i podrien d'aquesta manera ajudar a produir allà una ruta cap a les molècules de la vida", va dir al comunicat Martina Marin-Dobrincic, científica de la Universitat Politècnica de Cartagena i coautora de la investigació.

Iglesias-Groth, que també va trobar molècules gegants de carboni anomenades ful·lerens al mateix núvol el 2019, i l'equip van descobrir la presència d'hidrogen molecular (H2), hidroxil (OH), aigua (H2O), diòxid de carboni (CO2) i amoníac (NH3), així com diverses molècules basades en carboni. Aquestes darreres molècules podrien tenir un paper en la formació d'hidrocarburs més complexos i molècules prebiòtiques com el cianur d'hidrogen (HCN), l'età (C2H6), l'hexatrina (C6H2) i el benzè (C6H6).

Clic per engrandir. IC 348 és una nebulosa de reflexió i un cúmul obert, i la nebulosa en si també conserva el número de catàleg Van den Bergh 19. La llum blavosa procedeix de la llum estel·lar que es reflecteix cap a la nostra línia de visió. Crèdit: Don Goldman

L'equip també va trobar molècules més complexes com hidrocarburs aromàtics policíclics (HAP) i més ful·lerens en forma de carboni-60 (C60) i carboni-70 (C70).

"IC 348 sembla ser molt ric i divers en el contingut molecular", va dir Iglesias-Gorth. "La novetat és que veiem les molècules al gas difús a partir del qual s'estan formant les estrelles i els discos protoplanetaris".

Iglesias-Groth i Marin-Dobrincic van realitzar el seu descobriment utilitzant dades recollides pel telescopi espacial Spitzer de la NASA, ja retirat, i pretenen fer un seguiment de les observacions amb el més potent telescopi espacial James Webb (JWST).

"La capacitat espectroscòpica del JWST podria proporcionar detalls sobre la distribució espacial de totes aquestes molècules, i estendre la cerca actual a altres de més complexes, aportant una major sensibilitat i resolució, essencials per confirmar la molt probable presència d'aminoàcids al gas d'aquesta i d'altres regions de formació estel·lar", conclou Iglesias-Groth.

El descobriment d'aquests compostos es detalla en un article publicat a la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

Ho he vist aquí.

Dossier. La matèria fosca; 7 Els candidats

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.

Es consideren diferents possibilitats per resoldre el problema de la matèria fosca. Aquests no són exclusius: la solució pot ser una barreja de diversos ingredients (o de cap!). En l'estat actual de comprensió de les coses, sembla que ens trobem davant de dos problemes diferenciats: el de la matèria fosca bariònica (aquesta fracció de barions que sabem que està present pels arguments exposats anteriorment, però que no podem veure) i el de la matèria fosca no bariònica (que representa el component principal).

Clic per engrandir. Entre els candidats bariònics: els forats negres. Crèdit: alex_aldo, Adobe Stock

Primer revisarem alguns candidats bariònics, després mirarem els candidats no bariònics, la naturalesa dels quals encara és molt hipotètica. Finalment presentarem un enfocament radicalment diferent, que consisteix a suposar que no hi ha matèria fosca, que és un fals problema, a causa de la nostra incomprensió de les lleis de la gravitació (com va ser el cas del moviment de Mercuri).

Matèria fosca bariònica

Objectes astrofísics

No és insensat imaginar que existeix a l'Univers matèria que no emet prou llum per ser vista directament. Al cap i a la fi, la majoria dels objectes que ens envolten a la vida quotidiana no emeten llum, només els veiem perquè estan il·luminats per fonts externes. Per tant, la idea de la matèria fosca bariònica és bastant natural, en última instància. Aquests són els principals candidats que es poden haver considerat en un moment o altre:

• núvols d'hidrogen H2 molecular
• nanes marrons
• nanes blanques
• estrelles de neutrons
• forats negres

Cadascuna d'aquestes hipòtesis pot donar lloc a proves experimentals, ja que cap d'aquests objectes és perfectament invisible, hauria de ser possible veure'ls directament. Posem-los per ordre:

Els núvols moleculars poden conduir a l'emissió de radiació gamma quan són travessades per raigs còsmics (partícules carregades d'alta energia, res a veure amb la radiació cosmològica de la qual hem parlat anteriorment) que conté la galàxia, també poden absorbir part de la radiació que els travessa quan es mira un objecte col·locat darrere.

Les nanes marrons, les nanes blanques (veure les imatges a continuació) i estrelles de neutrons són objectes de tipus estel·lars que emeten radiació en certes longituds d'ona. Les nanes blanques tenen la propietat de poder refredar-se i, per tant, morir (mentre que la majoria d'altres tipus d'estrelles s'escalfen durant la seva evolució), tant que es pot imaginar que l'Univers en conté moltes en forma extingida i, per tant, poc visibles. De fet, donada l'edat de la nostra galàxia, podem determinar la brillantor de les nanes blanques més febles que conté (són les més antigues), i el Telescopi Espacial Hubble passa a ser capaç de detectar-les. Difícil d'amagar, així que...

Clic per engrandir. Nana marró de 0,06 masses solars (60 vegades la massa de Júpiter), vista per Chandra a través d'una erupció de raigs X.

 

Clic per engrandir. Espectacular naixement en una nebulosa. Al mig, Sirius B, una nana blanca força difícil de veure (la taca superior) a causa de l'encegament provocat per Sirius A (l'objecte principal).

Els forats negres, com de fet les nanes marrons, les nanes blanques, les estrelles de neutrons i fins a cert punt els núvols moleculars compactes, es poden detectar pel fenomen de lent gravitacional, que descriurem més endavant.

Sembla que cap d'aquests candidats pot tenir realment totes les propietats necessàries per resoldre el problema de la matèria fosca, encara que només es busqui destacar la petita fracció de la naturalesa bariònica. Els intents de detectar un excedent d'aquests objectes han fracassat parcialment (vegeu més avall, microlents gravitacionals). A més, diverses d'aquestes solucions no són satisfactòries des del principi, perquè no s'entén realment com una quantitat significativa de nanes blanques o forats negres, per exemple, es podria formar durant la història de l'Univers.

El gas primordial

És possible detectar els grans núvols primordials d'hidrogen, gràcies a les seves propietats d'absorció: observant una font molt llunyana (desplaçament cap al vermell de l'ordre de 2 o més) d'on en coneixem l'espectre, podem veure les línies d'absorció provocades per aquests núvols. La línia d'absorció de cada núvol es veu desplaçada al vermell per un factor que depèn de la distància a la qual es trobi. Aleshores observem en l'espectre dels quàsars tot un munt de línies corresponents a tots els núvols que es troben a la línia de visió. Parlem d'un bosc alfa de Lyman (Lyman alfa és el nom de la transició atòmica que dóna lloc a cadascuna de les línies individuals). El seu estudi és de gran importància en Cosmologia, d'una banda perquè permet estudiar la manera com es distribueixen els núvols a l'espai (i així provar els models de formació de les grans estructures) i d'altra banda perquè es pot mesurar la quantitat de gas present a les regions investigades. El resultat net és que la densitat de gas observada és molt coherent amb les prediccions de la nucleosíntesi primordial. En altres paraules, "aconseguim detectar tots els barions de l'Univers primordial, i realment no hi ha cap problema de matèria fosca bariònica a gran escala".

Clic per engrandir. Bosc alfa de Lyman obtingut en una simulació numèrica, dins d'una caixa de 30 milions d'anys llum per costat.

Matèria fosca no bariònica

Neutrins

També es pot considerar la possibilitat que el neutrins formin part de la matèria fosca. Els neutrins són partícules que interactuen molt poc amb la matèria, i que segons el model del Big Bang hauria d'estar present en una quantitat comparable a la dels fotons de la radiació còsmica de fons. Per tant, la seva densitat és molt coneguda, i si aconseguim determinar-ne la seva massa, llavors podem deduir immediatament la seva contribució a la matèria fosca. La qüestió de la massa dels neutrins té una història turbulenta, però en els darrers anys, una sèrie d'experiments específics han comportat limitacions molt fortes sobre aquestes masses. Aquests, per començar, no són zero: els neutrins són efectivament partícules massives. Tanmateix, no són suficients perquè els neutrins constitueixin una part important de la matèria fosca.

A més, són massa lleugers per explicar que les grans estructures es podrien haver format. Els neutrins, amb massa feble, viatgen a la velocitat propera a la de la llum a mesura que les grans estructures s'esfondren. Més endavant veurem per què això fa que els neutrins siguin candidats pobres a la matèria fosca.

Clic per engrandir. El detector de neutrins Kamiokande, vist durant el seu ompliment. Les parets estan revestides amb fotodetectors, que aquí veiem netejant-los per l'equip de la barca (dreta).

Les pistes de la física de partícules

La física de partícules descriu els fenòmens elementals de la natura. Tots els fenòmens que observem semblen implicar camps quàntics que tenen propietats poc intuïtives, amb característiques que atribuiríem a les ones i d'altres que atribuiríem a les partícules. La teoria que descriu aquests fenòmens s'anomena teoria quàntica de camps.

De fet, no n'hi ha prou amb tenir una teoria. Per estar convençuts d'això, tornem a la mecànica clàssica. Aquesta teoria indica la manera com es posa en moviment un cos, en funció de les forces a les quals està sotmès. No diu res sobre quines són aquestes forces, i per entendre el moviment dels planetes, a més, cal suposar que la llei de l'atracció gravitatòria té una forma particular. És el mateix en la física de partícules, i has de fer suposicions sobre les interaccions entre les partícules. Als físics els hi agrada basar aquestes hipòtesis en arguments de simetria, i resulta que les simetries simples condueixen a un model que té en compte els fenòmens observats, especialment en el domini d'altes energies, s'anomena, Model estàndard de la física de partícules. Aquest enfocament va conduir a la unificació de la interacció feble i la interacció electromagnètica.

Tot i el seu èxit, el model estàndard no ho explica tot. Per exemple, no permet entendre per què l'Univers que observem està fet de matèria sense una contrapartida notable en antimatèria, o per què totes les partícules conegudes tenen càrregues elèctriques que són múltiples enters d'una càrrega elemental, per citar alguns exemples. Això fa creure als investigadors que hi ha un model més complet, potser basat en una teoria més completa, que proporciona aquestes explicacions. S'han proposat aquestes extensions del model estàndard, que inclouen:

- Les teories de la gran unificació, que suposen que les diferents interaccions (interacció electromagnètica, interacció feble, interacció forta) són diferents facetes de la mateixa interacció fonamental.

- Teories supersimètriques, que parteixen de simetries més extenses que en el model estàndard.

- Teories de cordes, en què els objectes fonamentals ja no són punts (com les partícules), sinó que es poden veure com a cordes. Aquestes cordes tenen diversos modes d'excitació (com la vibració d'una corda de guitarra), que es pot identificar amb diferents partícules. Així, les diferents partícules només serien les diferents excitacions d'un mateix objecte fonamental, i les reaccions entre partícules serien les transicions d'un mode de vibració a un altre, possiblement acompanyades d'una separació de la corda en diverses peces. Tingueu en compte que aquestes teories de cordes es basen generalment en la supersimetria i sobre la unificació.

Aquestes pistes encara són només teòriques, en el sentit que cap d'elles està recolzada per confirmació experimental. També cal destacar que, fins i tot a nivell purament teòric, encara hi ha problemes de coherència i obstacles conceptuals. Aquestes teories prediuen l'existència de noves partícules:

-  partícules supersimètriques (per exemple: neutralins),
-  axió,
-  neutrins pesats,
-  Q-balls,
-  Wimpzillas, criptons... (s'esmenten aquests noms per excitar la curiositat del lector. Els físics són molt juganers, i dediquen una part important de la seva imaginació a inventar noms per a nous objectes que inventen o descobreixen).

La majoria d'aquestes partícules són inestables i es desintegren espontàniament en altres partícules. Tanmateix, alguns poden ser estables (o almenys tenir una vida útil molt llarga). Si una partícula estable tan nova pot existir, i si s'hagués pogut crear en qualsevol moment del passat de l'Univers, es pot imaginar que l'Univers actual està ple d'elles i que aquesta partícula constitueix matèria fosca.

Per resumir aquesta complicada imatge, diguem que s'adaptaria bé als físics de partícules si una teoria substituís o completés el model estàndard, i s'adaptaria bé als astrofísics també perquè les noves partícules podrien constituir matèria fosca. Fem una ullada més de prop a un exemple particular d'aquesta llista: el neutralí.

Els neutralins: matèria fosca “freda”

Entre els candidats que ofereix la física de partícules, el neutralí juga un paper força important. És una partícula nova introduïda per supersimetria. És neutre, és estable en algunes versions de supersimetria i podria ser matèria fosca. Aclarim aquest darrer punt: les propietats que importen per determinar si una partícula pot constituir matèria fosca són la seva massa i la seva secció transversal (la seva capacitat de reaccionar amb una altra partícula quan s'uneixen).

Comencem detallant la importància de la massa: com més massiva sigui una partícula, menor serà la seva velocitat per a una energia determinada. Això implica que en qualsevol moment de l'evolució cosmològica, les partícules molt lleugeres són relativistes mentre que les més pesades no ho són. Tanmateix, quan les fluctuacions de densitat comencen a col·lapsar-se sobre si mateixes per formar el que més tard es convertiran en les primeres grans estructures còsmiques (galàxies, cúmul de galàxies i supercúmuls), la situació és completament diferent tant si les partícules de matèria fosca són relativistes com si no.

En el primer cas (parlem de matèria fosca calenta), poden escapar ràpidament tan bon punt han format una sobre-densitat, que tendeix a frenar el seu col·lapse posterior, sobretot a petites escales espacials. La formació de les estructures comença llavors amb les grans escales espacials, els supercúmuls de galàxies, que amb el temps es fragmenten per donar cúmuls de galàxies, després galàxies. Estem parlant d'un escenari de dalt a baix (top-down en anglès).

En el segon cas (aleshores parlem de matèria fosca freda), el fenomen anterior no es produeix i primer es formen les estructures petites (galàxies, petits cúmuls de galàxies). Les grans estructures es formen posteriorment, per aplec i fusió de les estructures més petites. Estem parlant d'un escenari de baix a dalt.

Pel que fa a la secció transversal, també és una magnitud crucial, perquè determina la quantitat de partícules que poden sobreviure a les nombroses reaccions que tendeixen a disminuir la seva densitat durant l'expansió cosmològica. El neutralí és bastant notable en aquest sentit, perquè la física de partícules proporciona una sèrie de seccions transversals (i no una sola secció transversal, malauradament) que condueix a densitats relíquies (aquest és el terme habitual per a la densitat de partícules supervivents) que corresponen aproximadament a la densitat de matèria fosca. Això és molt encoratjador i la hipòtesi neutralí és una de les preferides dels astrofísics. Un punt menys encoratjador és que aquí ens trobem davant d'una certa paradoxa: que una partícula sigui abundant a l'Univers avui, la seva secció transversal no ha de ser massa gran, per tant ha de ser relativament poc reactiva. Com que és per les seves reaccions que detectem les partícules, això implica que serà més difícil de detectar!

Observem per acabar que els càlculs de la densitat de les relíquies ja permeten excloure determinades propostes de solució al problema de la matèria fosca. De fet, algunes partícules tindrien seccions transversals massa petites, i la seva densitat de relíquia avui dia seria molt més gran que la densitat total de l'Univers, cosa que no és acceptable. Per tant, podem eliminar aquestes partícules de la llista de candidats. Això permet, per exemple, excloure determinats valors dels paràmetres de supersimetria, per als quals el neutralí seria massa abundant avui dia.

Les modificacions en les lleis de la gravetat

Dimensions addicionals

Per altres motius, alguns teòrics investiguen la possibilitat que el nostre Univers tingui més de 4 dimensions. Això pot semblar una idea molt descabellada, ja que no veieu aquestes dimensions addicionals. De fet, hi ha dues raons per les quals potser no veiem aquestes dimensions addicionals, encara que existissin:

- Són “compactes”, és a dir enrotllats sobre ells mateixos a escales submicroscòpiques.
- Forces diferents de la gravetat no hi tenen cap efecte.

Aquesta hipòtesi també pot conduir a l'existència de diverses partícules noves, que podrien constituir matèria fosca. També comporta una modificació de la llei de la gravitació a curta distància. Això podria proporcionar una manera de validar-lo o invalidar-lo.

En aquest mateix ordre d'idees, es preveu que patim la influència gravitatòria del que conté un altre espai, connectat al nostre per aquestes dimensions addicionals. Les manifestacions de la matèria fosca serien llavors l'efecte d'un món paral·lel sobre el nostre. Fixeu-vos que podríem enfonsar-nos molt ràpidament en el deliri més total, si ens conforméssim amb aquesta manera de presentar les coses, que s'assembla més a un episodi de Star Trek que de la ciència. De fet, els científics, quan expressen aquestes hipòtesis tan especulatives, ho fan (en general) en el marc de desenvolupaments teòrics precisos i controlats. En aquest cas, les teories que impliquen dimensions addicionals sovint se situen en el marc de la teoria de cordes.

Una altra modificació de la gravitació: Mond

També s'ha proposat empíricament que les lleis de la gravitació no són lleis newtonianes, ni les proporcionades per la relativitat general. Un grup d'investigadors es va preguntar quina forma hauria de tenir una força d'atracció gravitatòria per explicar els moviments interns de les galàxies, sense dependre de la matèria fosca. Van plantejar una "teoria" que anomenen Mond, un acrònim de MOdified Newtonian Dynamics (Dinàmica Newtoniana Modificada). Aquest enfocament comença amb una idea interessant, però es troba amb diversos problemes greus. Pateix una certa manca de coherència teòrica. Es construeix des del principi amb un enfocament no relativista, i no resol el problema de la matèria fosca a nivell cosmològic. Finalment, assenyalarem que és possible posar en competició els diferents models de matèria fosca en la interpretació de certs sistemes molt ben observats, com els cúmuls de galàxies. Resulta que MOND sempre arriba als darrers llocs, la qual cosa posa aquesta hipòtesi en una mala posició.

Més enllà de la Relativitat General

Finalment, es pot considerar que la nostra possible incomprensió de la gravitació es remunta a la font, que la relativitat general mateixa ha de ser qüestionada.

Veure:

Capítol anterior: 6 Les propietats
Capítol següent: 8 La recerca de la prova experimental 1

Ho he vist aquí.