Dossier Cosmologia 7: Univers: Què és la matèria fosca?

No, la Terra no és el centre de l’Univers. El Sol tampoc. El nostre planeta, la nostra galàxia són uns anònims perduts en la immensitat del cosmos. Descobriu aquí algunes nocions de cosmologia que us permetran comprendre millor quin és el nostre lloc a l’Univers.

El nostre Univers seria un "univers fosc", principalment dominat (al voltant del 70% del contingut global) per "energia fosca" i "matèria fosca" (aproximadament un 25%). La recerca de la matèria fosca o de la matèria fosca ja ha començat. Però, què és exactament?

Hem vist, als capítols anteriors d’aquest dossier, que el contingut de l’Univers no es limitava al que només s'ha revelat a l’ull nu o amb el telescopi (planetes, estrelles , galàxies ...). Tots aquests objectes astronòmics estan formats per "matèria visible". Però ara sabem que aquesta matèria visible és només una petita part de la matèria necessària per explicar tant la formació de grans estructures a l’Univers (galàxies, cúmuls ...) com la seva dinàmica.

Clic per engrandir. El telescopi Antares pretén detectar neutrins, possibles candidats

a matèria fosca. Està immers al Mediterrani, a prop de Toulon.
© François Montanet, CC by-sa 2.0

A més, el descobriment de l’acceleració de l’expansió de l’Univers requeriria l’existència d’una “energia fosca”, possible residu fòssil de les fases quàntiques de l’Univers.

Un univers fosc dominat en un 25% per la matèria fosca

L’objectiu permanent dels astrònoms és identificar amb la major precisió possible aquestes diverses aportacions. La imatge revelada per aquesta valoració exhaustiva del contingut còsmic "Matèria-Energia" és la d'un "univers fosc", principalment dominat (al voltant del 70% del contingut global) per "energia fosca" i "matèria fosca" (al voltant del 25%) (vegeu el diagrama següent)

Clic per engrandir. Avaluació del contingut "matèria energètica" de l'Univers. Aquest
contingut està dominat en un 70% per "energia fosca". El component "matèria"
està dominat per "matèria fosca". La matèria visible (gas, estrelles, galàxies, etc.)
només aporta al voltant d’un 5% amb la radiació. © Sci-Bit

Arribem doncs a la sorprenent conclusió que l’univers sensible als nostres sentits directes és només una part minúscula (5%) de l’univers real i que la matèria de la qual estem constituïts només és “l'escuma” d’un “oceà negre” les propietats precises de les quals encara s’han de descobert.

Quina és llavors, la naturalesa d’aquesta matèria fosca o matèria negra? La primera idea era, per descomptat, imaginar que es podia tractar d'una matèria "ordinària" (aquella que constitueix estrelles, galàxies, vida ...) però sota una forma on emetria poca o cap radiació, en cas contrari s'hauria detectat pels instruments existents. Per tant, aquesta matèria "ordinària fosca" ha de ser molt freda (per exemple, l'hidrogen molecular) o bé en forma d'objectes estel·lars gairebé o completament invisibles (com ara forats negres o "estrelles fallides").

Nanes marrons: matèria fosca sota la disfressa de MACHO?

A la dècada de 1990 es van fer importants esforços observacionals per determinar quina quantitat de "matèria fosca" s'amagaria en la forma més probable, la dels nanes marrons, també anomenades Macho (acrònim en anglès de objecte astrofísic compactes massiu de l'halo). Aquestes nanes marrons són estrelles molt fredes, fins i tot estrelles "fallides", és a dir massa poc massives per desencadenar reaccions nuclears dins d'elles.

Aquestes últimes, per exemple, podrien poblar en gran quantitat l’halo galàctic. En aquest cas, haurien d'estar en l'origen dels efectes (micro)-lents gravitacionals, amplificant la brillantor de les estrelles corrents de l'halo en el decurs de la seva incessant mútua ronda a la galàxia.

Com que l’efecte d’amplificació creat per un MACHO és molt feble i fugaç, és necessari per tenir una possibilitat de detectar-lo, observar milions d’estrelles normals durant molt de temps. Això és el que s’ha fet apuntant els telescopis durant anys, ja sigui cap al centre de la Via Làctia, cap als Gran Núvol de Magalhães, o cap a Andròmeda.

Aquestes campanyes d’observació, malgrat la seva dificultat, es van dur a terme i van confirmar que la contribució de les nanes marrons a la massa de l’halo es mantenia baixa (un pocs per cent) i insuficient per tenir en compte la corba de rotació de les espirals.

Wimp i neutrins

Ens veiem obligats, a recórrer a un altre tipus de matèria fosca, les WIMP (acrònim en anglès de partícules massives d'interacció feble). És a dir, considerar partícules no ordinàries i neutres com les partícules predites per les extensions del model estàndard de la física de partícules.

El neutrí, si fos massiu, constituiria un excel·lent candidat, tenint la particularitat de ser una partícula l'existència de la qual es demostra, ja que es detecta en acceleradors. Però ara està desqualificat, tant en l’aspecte físic de les partícules (amb una massa mesurada de zero o molt baixa) com en l’aspecte cosmològic, ja que queda exclòs per la seva incapacitat per assegurar la correcta cronologia en el mecanisme de formació de galàxies.

Les limitacions que proporciona la teoria sobre les característiques (massa, capacitat d’interacció) d’aquests Wimp encara no són prou importants. Intentar detectar aquestes partícules no deixa de ser un repte experimental extraordinari. Tanmateix, només una detecció efectiva serà una prova indiscutible de l'existència d'aquesta matèria i, a la vegada, permetrà conèixer la seva naturalesa.

Un mètode directe consisteix a intentar capturar aquestes partícules al laboratori, amb un detector adequat. La dificultat prové del fet que, per definició, són neutres i són molt poc interactives. Una altra dificultat una vegada més és que els camps d’exploració de les seves característiques, previstes per models teòrics, són immensos.

En conseqüència, tot i que a priori molt nombroses a l'halo fosc de la nostra galàxia, la Via Làctia (d’uns quants centenars a diverses desenes de milers per cm³ , segons la seva massa), dins de la que aquests Wimp transitarien al voltant de 300 km/s, el nombre d'interaccions que tindrien amb un detector adequat col·locat a la Terra, està limitat a unes quantes unitats al dia per 1 kg d'aquest detector.

A més, aquests possibles esdeveniments s’amaguen entre els “paràsits” creats per les interaccions d’altres partícules existents (com els rajos còsmics constituïts de protons o nuclis atòmics presents al medi intergalàctic) amb instruments. Per tant, és necessari construir grans instruments per augmentar la possibilitat de detectar i situar aquests detectors de matèries fosques dins de mines, túnels profunds o fins i tot al fons del mar.

Neutralí, el candidat favorit per a la matèria fosca

El candidat actualment "favorit" per a la matèria fosca és el neutralí, la partícula més lleugera que prediuen els models de física de partícules coneguts com a "models super-simètrics". Aquests models van més enllà del model estàndard simplificant la visió del nostre món físic a costa de la presència de moltes partícules noves associades a les ja conegudes.

Aquestes noves partícules, si existeixen realment, podrien quedar atrapades al centre d’objectes celestes massius com la Terra o el Sol. Si, dins d’aquestes astres la seva densitat és suficient, aquestes partícules es podrien aniquilar entre elles (la anti-partícula del neutralí és el neutralí en si), donant lloc a altres partícules energètiques incloses els neutrins.

Aquests neutrins, procedents del centre de la Terra o del Sol, podrien ser detectats per un telescopi especialitzat anomenat Antares que, situat al fons del mar, "mira" cap al centre de la Terra.

Clic per engrandir. Antares és un telescopi de neutrins situat a 2.400 metres de profunditat.
Ocupa una superfície d’uns 0'1 km². En el futur se substituirà per un detector de mida
quilomètrica al Mediterrani. El diagrama mostra les 12 línies de fotomultiplicadores (PMT)
desplegades a 40 quilòmetres de la costa. © CPPM

Antares, un telescopi de neutrins submarí

Antares és, de fet, un telescopi de neutrins subaquàtic que funciona al Mediterrani davant de la costa de Toulon (França), a 2.400 metres de profunditat. Detectarà neutrins produïts o bé per estrelles molt energètiques com els microquasars, les restes de les supernoves o els nuclis actius de galàxies o esdeveniments resultants de la interacció de neutrins molt energètics procedents de l’aniquilació de la matèria fosca formada per neutralins.

La unitat bàsica del detector és un mòdul òptic format per un fotomultiplicador, diversos
dispositius i la electrònica associada. El conjunt s’instal·la en esferes de vidre resistents
a la pressió (250 bars). © DR 

Per detectar la matèria fosca, no es detecta directament el neutrí resultant de l’aniquilació. Aquest neutrí que ha travessat la terra interactua amb la matèria produint una altra partícula (el muó). Aquest últim produeix, quan es propaga en aigua, una radiació lumínica de Txerenkov mesurada pels fotomultiplicadors.


- Capítol anterior: L’Univers, un sistema quàntic?
- Capítol següent: Univers: la cerca de l’energia fosca 

Autor de l'original: Alain Mazure, astrofísic
Ho he vist aquí

Hubble: La imatge estel·lar del dia del teu aniversari

Enguany celebrem el 30é aniversari de la posada en funcionament del telescopi espacial Hubble. Per aquest motiu la NASA ha preparat una relació de 366 imatges (inclòs el 29 de febrer), a on els visitants poden accedir a la imatge que s'ha assignat aleatòriament per a cada dia de l'any.

Per estalviar-vos navegar, us facilitem l'enllaç directe a la pàgina, només cal que ompliu els camps del mes (select month) i del dia (select date) i feu clic a "submit". 

Feu clic aquí per anar a la pàgina. Per tancar el post us deixem la del "nostre" aniversari.

Clic a la imatge per engrandir.

Imatge capturada el 17 de desembre del 2010. Galàxies Interactives Arp 273. Arp 273 son un parell de galàxies que interactuen i formen una forma semblant a una rosa. La més gran de les galàxies espirals, coneguda com UGC 1810, té un disc que està distorsionat per l'atracció gravitatòria de la galàxia que està sota d'ella, coneguda com UGC 1813.

Els efectes quàntics són clau per a una electrònica basada en l'ADN

Article publicat per Cathal O'Connell el 21 de juny de 2016 a Cosmos Magazine i en castellà a Ciencia Kanija per Manuel Herman el 22 de juny de 2016.

Podria la molècula de la vida convertir-se en la molècula de la electrònica? Els científics han donat un altre pas endavant cap a fer-ho realitat. Els patrons dels parells de bases de l'ADN que codifiquen els nostres gens, poden també usar-se per ajustar el flux de l'electricitat, segons han descobert investigadors nord-americans.

El treball podria algun dia portar-nos fins a una electrònica basada en l'ADN, feta de components molt més petits que els que es comprimeixen en els actuals circuits d'ordinador basats en el silici.

A Nature Chemistry un equip dirigit per Nongjian Tao de la Universitat Estatal d'Arizona descriu com el patró de bases (A, C, G o T) pot fer que l'electricitat flueixi tan fàcilment per l'ADN com per un cable metàl·lic, o en petits salts com en els semiconductors.

Electrònica basada en l'ADN Crèdit: Alex Belomlinsky

Aquest enfocament es basa en l'aprofitament de la natura quàntica de l'electró, a determinar si els electrons actuen com ones o partícules quan es mouen a través d'una cadena d'ADN. 

Durant dècades, els enginyers han estat apinyant cada vegada més elements de circuits en els xips de computadors, fent que els components individuals, com els transistors, siguin més petits. El problema és que aquesta disminució no pot seguir per sempre. Finalment aconsegueixes un límit on els transistors veïns interfereixen entre si. Per anar més enllà del silici, els científics estan buscant fer una electrònica basada en molècules individuals. I l'ADN és una de les molècules més prometedores per construir components electrònics, havent estat descoberta per la natura fa 3.800 milions d'anys.

Els avantatges clau de l'ADN són la seva estabilitat i la forma en què pot programar-se per acoblar estructures predissenyades. El 2009, per exemple, els científics van usar ADN com a una placa de circuits per acoblar components electrònics separats per 6 nanòmetres, molt menys del que permet l'actual processament amb silici.

L'ADN també té una conductivitat elèctrica interessant, tot i que les seves propietats mesurades han variat d'una forma una mica difícil d'explicar. Al 2014, per exemple, els científics van desenvolupar cables basats en ADN que demostraven que poden conduir l'electricitat tant gairebé com els metalls. I a l'abril d'aquest any (NdT 2016), investigadors de la Universitat de Geòrgia van crear el díode més petit de món (un dels blocs bàsics fonamentals de la computació) a partir d'una cadena d'ADN de tot just 11 parells de longitud. En aquest cas, l'ADN actuava més com un semiconductor.

El nou treball proporciona una comprensió sobre per què una molècula d'ADN pot tenir unes propietats tan diferents (metàl·liques o semiconductores). El truc, com en el nostre genoma, és el patró de bases ACGT al llarg de la nostra cadena d'ADN. Cada parell de bases té una conductivitat elèctrica diferent, però crear un ADN conductor no és simplement inserir una llarga seqüència de la base més conductora. En lloc d'això, Tao i el seu equip van observar que necessitaven crear patrons de bases que compartien electrons entre si, de manera similar a la forma en què es comparteixen electrons en els àtoms d'un metall. Per exemple, alternar sèries de cinc bases de guanina (G) creava la millor conductivitat elèctrica.

Encara que estan compartits entre bases, els electrons es poden moure fàcilment per l'ADN gràcies a la propietat de túnel quàntic (l'estrany efecte quàntic que permet a les partícules "travessar les parets").

Però quan l'ADN està codificat en altres configuracions, els electrons es mouen més com partícules, saltant pels brins. "Pensa en això com en intentar creuar un riu", diu Limin Xiang, coautor de la feina. "Pots creuar ràpidament usant un pont, o pots saltar d'una roca a una altra". L'equip va validar la teoria unint brins d'ADN entre un parell d'elèctrodes d'or, i mesurant la seva resistència a un petit corrent.

Usant aquest enfocament, els científics van poder dissenyar circuits basats en l'ADN amb diferents molècules actuant com diferents elements de circuit (cables, díodes, resistències, etc...). De moment, l'equip només ha posat a prova brins de fins a 16 parells de bases de llarg. Encara no sabem si podrem construir dispositius robustos i duradors. 

L'electrònica molecular és improbable que reemplaci als dispositius semiconductors en un futur proper, però el que és interessant de les molècules és que poden realitzar una varietat de tasques que van més enllà del que poden fer els semiconductors, com ara fer de sensors en un entorn químic.

Un disseny d'ADN podria formar l'esquelet d'un nou tipus de dispositius especialitzats, com ara olfactes electrònics. I això no és una cosa que es pugui menysprear alegrement.

Autor de l'original: Cathal O’Connell
Traducció: Manuel Hermán
Traducció al català: Sci-bit

Ho he vist aquí.

Dossier Cosmologia 6: L’Univers, un sistema quàntic?

No, la Terra no és el centre de l’Univers. El Sol tampoc. El nostre planeta, la nostra galàxia són uns anònims perduts en la immensitat del cosmos. Descobriu aquí algunes nocions de cosmologia que us permetran comprendre millor quin és el nostre lloc a l’Univers.

Quina pot ser la causa de la inesperada acceleració de l’expansió de l’Univers ? Com que la matèria, fins i tot fosca, té una acció atractiva que condueix a una desacceleració permanent, cal invocar un contingut “Energia-Matèria” a on l’acció seria repulsiva? Això no entra en contradicció amb les lleis de la física?. Vegem aquí com la física quàntica ha canviat la nostra concepció de l’Univers.

Hem esmentat abans en aquest dossier l’enllaç entre “geometria” i “contingut d’energia-matèria” descrit per la relativitat general. Resulta que aquesta relació pot conduir a situacions físiques a priori inesperades.

Clic per engrandir. El nostre univers és un sistema quàntic? Imatge artística d'una
estrella bebè. © L. Calçada, ESO, CC per 4,0

De l’atracció a la repulsió: termodinàmica de fluids

Per avaluar la quantitat "Energia-Matèria" que s'ha d'introduir al terme "contingut" (el terme "contingut" és en realitat una expressió matemàtica complicada: un tensor. Que conté les característiques físiques del medi considerat), és habitual, en la seva aplicació a la cosmologia, utilitzar la noció de fluid per representar els components que juguen un paper físic en un moment donat de la història còsmica. Els gasos i els líquids són exemples coneguts de fluids i la termodinàmica ens ensenya que és suficient conèixer la pressió P i la densitat ρ d’aquests fluids per conèixer el seu estat físic.

Aquestes dues quantitats estan vinculades per una relació anomenada equació d'estat (és per exemple la coneguda llei coneguda com a llei dels gasos ideals que, per a un mol, s'escriu: PV = RT o P ^~ ρ T) definint així completament l’estat del medi (la forma més general d’aquesta relació és: P = ωρc²). En aquesta relació, la pressió P i la densitat ρ evolucionen de manera similar si el factor de proporcionalitat ω entre aquestes dues quantitats és positiu.

Aquest és el cas de la majoria de situacions de la física clàssica i de la vida quotidiana. Així, en inflar un globus, augmentar la pressió mitjançant una bomba augmenta la densitat de l’aire i viceversa.

Però el "sentit comú" pot resultar enganyós, perquè les lleis fonamentals de la física permeten tenir la situació, a priori paradoxal, en què el paràmetre ω és negatiu.

Per tant, no hi ha res per evitar que determinats ambients físics exerceixin “pressió negativa”. La conseqüència és que un fluid amb un comportament així serà l’origen d’una “gravitació” ja no atractiva, sinó repulsiva!

Max Planck (esquerra) conversant amb Albert Einstein (dreta) © DR

 Quan Planck es troba amb Einstein: mecànica quàntica i relativitat

Tornem un moment al que s’ha anomenat “fuga de galàxia”. Es pot veure, d’una manera una mica ingènua, en aquesta recessió i en el concepte d’un univers en expansió que se’n deriva, un film que té lloc. La idea de “rebobinar” aquesta pel·lícula segons el pensament es produeix de manera natural, cosa que ens permet retrocedir en el temps. "Veurem", durant aquesta seqüència, que totes les distàncies i tots els volums disminueixen inexorablement.

Una conseqüència immediata d’aquest efecte de “condensació” és predir densitats i temperatures elevades i més elevades, fins i tot infinites, quan el temps es redueix. En realitat aquesta és la idea bàsica del model anomenat estàndard Big Bang. La idea d’un univers original extremadament calent i dens, aparentment resultat d’una “explosió primordial” o d’una “singularitat inicial” en el moment en què les dimensions es redueixen a zero!

Però, realment tenim dret a realitzar aquesta operació? Si seguim a Max Planck, el pare de la física quàntica, i a Albert Einstein, el pare de la relativitat, no ho és. El nostre compte enrere hauria d'haver-se aturat en un moment anomenat "temps de Planck".

El temps de Planck: la gravitació quàntica i l'era de Planck

La física quàntica governa el món atòmic i subatòmic. Estipula que l’energia d’un sistema i els intercanvis d’energia es “quantifiquen”.

La quantitat mínima es calibra mitjançant la constant de Planck:

h = 1.054 × 10^-34 Js
que té la dimensió E. t. 

La gravitació s'expressa en el cas clàssic per les lleis de Newton on apareix la constant de Newton:

G = 6.673 × 10^-11m³/kg/s²
que té com a dimensió t²L³ M^-1

La seva generalització es fa en el marc de la relativitat general on intervé la velocitat de la llum c definida també com a constant universal:

c = 299.792.458 m / s
que té com a dimensió L t^-1

És possible, amb aquestes tres constants fonamentals, construir diverses quantitats com la massa , la longitud o el temps de Planck.

Si notem que la constant de Planck (h) té les dimensions d’una energia que es multiplica un temps, podem reescriure aquesta constant, definint la massa de M_Planck, l’energia de Planck M_Planck c² i la longitud de Planck L_Planck (d'on prové el temps de Planck; t_Planck^~ L_Planck/ c):

h^~ M_Planck c² L_Planck/c 

Per a un sistema gravitatori totalment relativista, esperem que la velocitat d’alliberament (v^2~GM/R) associada a aquest sistema sigui igual a la velocitat màxima possible, la de la llum c, es a dir c^2~G M_Planck/L_Planck d'on derivem fàcilment de les dues relacions anteriors:

L_Planck=(hG/c³) × 1/2^~ 10^-35m

A continuació, deduïm el temps de Planck t_Planck i la massa de Planck M_Planck:

t_Planck= (hG/c5)×1/2^~10^-43 s
M_Planck= (hc/G)×1/2^~10^-8 kg

Aquest temps de Planck (t_Planck^~10^-43segons!) És el límit actual de la nostra comprensió de l’Univers. En aquest moment de la cronologia còsmica, l’Univers ha de ser considerat com un sistema quàntic, governat tant per la mecànica quàntica com per la relativitat general. Però aquesta teoria de la "gravitació quàntica" casant les disciplines que regeixen el món subatòmic i el món macroscòpic encara està en construcció.

Si, quan el rellotge còsmic s’acosta al temps de Planck, la física coneguda mostra els seus límits, però encara no sap com tractar amb el sistema quàntic de l’univers. Tanmateix, es pot partir dels principis principals d’aquestes dues disciplines, esbossar els esquemes generals del seu estat al voltant de l’era Planck.

El buit quàntic, un nivell d’energia fonamental

Per a la física quàntica, l’energia d’un sistema no pot prendre cap valor. Aquesta energia només pot tenir valors discontinus anomenats "nivells d'energia" i l'energia del sistema també varia en funció de quantitats discontinues (anomenades quanta).

El nivell més baix possible s'anomena "nivell fonamental" i es desprèn dels principis de la física quàntica que mai no té un valor zero. Mentre que en la física clàssica, una bola col·locada en repòs en una caixa i sotmesa a cap força romandrà allà en repòs, el seu equivalent quàntic es veurà afectat per un moviment perpetu corresponent a l’energia no nul·la del seu nivell fonamental.

Tot i que paradoxal pel sentit comú, aquest comportament està perfectament establert a nivell teòric i confirmat per l’experiència.

Això té repercussions essencials en la cosmologia:

• El primer és que, com passa amb la bola quàntica, l’Univers es veu afectat per un nivell d’energia fonamental (que els físics anomenen buit) i que té un valor diferent de zero.
  
• El segon és que aquest buit quàntic es comporta diferent als ambients físics habituals. Té la propietat esmentada anteriorment de ser una possible font de gravitació repulsiva (la seva equació d'estat s'escriu P = ω ρc² amb ω negativa).

Per tant, veiem que és possible una font de gravitació repulsiva. Per raons encara poc enteses, aquesta energia fosca, generada a l’univers més primordial, reapareixerà 14.000 milions d’anys després per governar una vegada més la dinàmica de l’Univers i accelerar-ne la seva expansió.




- Capítol anterior: L’expansió de l’Univers s’està accelerant
- Capítol següent: Què és la matèria fosca?

Autor de l'original: Alain Mazure, astrofísic

Ho he vist aquí

Per què veiem els Arcs de Sant Martí?

En aquesta entrada, us farem un petit resum del perquè podem veure els arcs de Sant Martí, i us explicarem breument en un senzill diagrama com es formen.

(A): L'Arc de Sant Martí apareix quan els raigs de el Sol es refracten en les gotes d'aigua suspeses en l'atmosfera o envoltant un salt d'aigua, i que actuen a manera de prisma.

(B): Cada color es refracta amb un angle diferent, pel fet de la seva longitud d'ona particular, de manera que, en conjunt, formen l'espectre de la llum blanca.

(C): L'Arc de Sant Martí està format pel conjunt d'espectres de totes les gotes de la zona.

(D): Un observador situat en terra, només contempla una part del cercle; la seva posició varia segons la posició de l'observador, però la seva mida angular és sempre la mateixa. Recordem que l'observador sempre estarà d'esquena al Sol per poder veure l'Arc de Sant Martí.

(I): En totes les gotes, cada un dels colors de l'espectre es refracta en la mateixa direcció respecte a la direcció dels raigs solars.

Malgrat que aquest fenomen té una explicació molt senzilla, a molts encara ens sorprèn gratament el fet de poder contemplar-ne un després d'una estona de pluja, i amb una mica de sort.... potser serà doble!. 

El telescopi espacial James Webb desplega el seu mirall per primera vegada en condicions gairebé reals

A mesura que la NASA i l’Agència Espacial Europea es preparen per celebrar el 30è aniversari del Telescopi Espacial Hubble, el 24 d’abril, el seu successor, l’Observatori Espacial James Webb, que l’hauria d’haver substituït fa una dècada, encara és a terra! La preparació per al seu llançament, prevista per al març del 2021 a bord d'un llançador Ariane 5 del Centre Espacial Guyana, continua.

Fa uns dies, els equips de NASA i Northrop Grumman Space Systems van provar per primera vegada el desplegament complet del mirall principal del telescopi en una configuració idèntica a la que tindrà quan sigui a l’espai. Aquest test requeria l’ús d’equips especials de compensació de gravetat. Es va connectar al telescopi per simular l’entorn lliure de gravetat en què els mecanismes de desplegament de les tres parts del mirall hauran de funcionar per formar un mirall d’una sola peça de 6,5 metres de diàmetre.

Pots triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit:
Centre de vol espacial Goddard de la NASA

Aquest mirall serà el més gran mai enviat a l’espai. Està compost per 18 segments hexagonals. Aquesta elecció s’explica pel fet que és impossible llançar en una sola peça un mirall de mida tan gran. El mirall més gran llançat d'aquesta manera va ser el Herschel el 2009 (3,5 metres) i cap llançador en servei té una beina capaç de portar una càrrega útil de més de 6,5 metres de diàmetre. Pel que es necessita plegar el telescopi per allotjar-lo al llançador.

Aquesta prova es va realitzar a la sala neta de Northrop Grumman Space Systems a Redondo Beach, Califòrnia. Va ser l'última prova important abans que la NASA va embalar l'observatori i el va enviar a Guyana, al seu lloc de llançament.

El mirall primari de l'observatori espacial James Webb, durant una prova simulada de
desplegament en gravetat zero. © NASA, Sophia Roberts

Fase de muntatge de les dues parts del telescopi espacial James Webb. A l’aire, els miralls
primaris i secundari, així com els quatre instruments i a sota, el satèl·lit, que
allotja els servidors i l’escut tèrmic. © NASA, Chris Gunn

El mirall del telescopi espacial James Webb es veu aquí completament muntat per
primera vegada. L'instrument, que serà llançat per un Ariane 5 a la primavera del
2021, es troba a la sala neta de Northrop Grumman. © NASA, Chris Gunn

James Webb és un programa desenvolupat en cooperació entre la NASA i les agències espacials canadenques i europees. En aquest context, l’Agència Espacial Europea (ESA) subministra dos dels quatre instruments del telescopi i el llançador Ariane 5.

Vista de perfil del telescopi espacial James Webb. L’escut tèrmic és clarament visible
(l’estructura horitzontal sota el mirall). Pel que fa als miralls, el primari es veu
aquí en posició plegada i el mirall secundari, també plegat, es troba a la part
superior de la imatge. © NASA, Chris Gunn 

Ho he vist aquí.

 

 

30 anys de Hubble: la nebulosa del Cap de Cavall, com mai l'heu vist

Entre les incomptables imatges produïdes pel telescopi espacial, hi ha una sèrie de nebuloses, i sobretot entre elles, l’anomenada nebulosa del cap de cavall.

Fent zoom a la nebulosa del cap de cavall. © Hubble, ESA, YouTube

La nebulosa del cap de cavall és un núvol fosc que s’amaga a la constel·lació d'Orió, a uns 1.600 anys llum de la Terra. Generalment es mostra com un núvol fosc perfilat sobre un fons de gas brillant.

Però el 2013, el telescopi espacial Hubble ens va donar una nova imatge impressionant. Gràcies a una càmera sensible al infraroig, va poder perforar la pols per revelar els plomalls de gas i una delicada estructura.

Recordem que la nebulosa és el resultat del col·lapse d’un núvol interestel·lar, il·luminat per una estrella situada a prop. Els núvols de gas que envolten el cap del cavall ja s’han dissipat. El que queda de la nebulosa sembla més compacte i els astrònoms calculen que es necessitarà uns cinc milions d’anys en desaparèixer del nostre cel.

El 24 d’abril de 2020, la NASA i l’ESA celebraran el 30è aniversari del llançament del Hubble. Mentre esperem a descobrir la trentena "imatge icònica" que es presentarà per a l'esdeveniment, us convidem a capbussar-vos a la immensa fototeca del famós telescopi espacial. Descobreix o redescobreix algunes de les més boniques i impressionants del catàleg de Hubble.

Clic per engrandir. En el 23è aniversari de la seva posada en servei, el telescopi espacial
Hubble va lliurar una nova imatge de la nebulosa Cap de Cavall. © NASA, ESA i elHubble Heritage Team (AURA/STScI)

 Aquest muntatge de més de 600 imatges del Telescopi Espacial Hubble celebra
els 30 anys de descobriments del telescopi espacial.
Crèdits: NASA, ESA, D. Player, J. DePasquale, i M. Carruthers (STScI) Música: J. DePasquale

Ho he vist aquí.

 

Dossier Cosmologia 5: L’expansió de l’Univers s’està accelerant

No, la Terra no és el centre de l’Univers. El Sol tampoc. El nostre planeta, la nostra galàxia són uns anònims perduts en la immensitat del cosmos. Descobriu aquí algunes nocions de cosmologia que us permetran comprendre millor quin és el nostre lloc a l’Univers.

L’expansió de l’Univers s’està accelerant. Els investigadors van arribar a aquesta conclusió a la segona meitat de la dècada de 1990 mitjançant l'observació de la brillantor de les estrelles considerades candeles estàndard. Aquesta acceleració de l’expansió de l’Univers seria recent.

 La observació de certes estrelles va permetre descobrir l’acceleració de l’expansió
de l’Univers. Aquí, una imatge artística d'una supernova. © ESO, CC per 4,0

Un material molt atractiu

El model cosmològic que dóna una formulació teòrica al fenomen d’expansió és el model del Big Bang. Al model estàndard del Big Bang, el "contingut d'energia-matèria" consisteix en matèria o radiació. Les prediccions teòriques d’aquest “model estàndard” i l’observació del cosmos (galàxies, cúmuls, supercúmuls) condueixen a la idea que l’Univers actual ha entrat definitivament a la “era de la matèria” i que la seva l'expansió està governada per ella, ja sigui "ordinària" o "negra".

A aquest contingut de matèria correspon, en el diagrama de la relativitat general, un terme sempre equivalent a una gravitació atractiva. A continuació predim, sigui quina sigui la causa inicial de l’expansió, que s’ha d’alentir amb el pas del temps si la matèria domina el contingut energètic del cosmos (la situació física és de fet similar a la d’un projectil que llancem i que acaba caient sota l'acció de la gravetat.

Candeles estàndard al cel

No obstant això, els anys 1995, dos grups de científics van anunciar que, segons les seves mesures, l’expansió de l’Univers, en lloc d’alentir-se com tothom esperaria, està en acceleració. D'on va sorgir aquesta certesa? Es va obtenir analitzant la variació, en funció de la distància, de la brillantor de les estrelles considerades candeles estàndard, és a dir de les estrelles que tenen la mateixa lluminositat absoluta.

Supernova a la galàxia NGC 4526. © NASA

Les supernoves són estrelles que, al final de la seva vida, exploten, alliberant una energia considerable (equivalent a l’energia emesa per una galàxia poblada per milers de milions d’estrelles ordinàries). Això les fa visibles fins i tot a llargues distàncies i per tant fa possible la exploració del cosmos llunyà.

L’energia total alliberada en forma de radiació durant aquesta explosió (si encara es poden dilucidar els detalls del fenomen, les raons relacionades amb la física fonamental permeten entendre el seu aspecte universal) apareix gairebé constant d’una estrella a una altra, d’aquí el seu nom de “candeles estàndard” astronòmiques (vegeu imatges a continuació).

L’energia total alliberada en forma de radiació durant aquesta explosió (si encara es poden dilucidar els detalls del fenomen, les raons relacionades amb la física fonamental permeten entendre el seu aspecte universal) apareix gairebé constant d’una estrella a una altra, d’aquí el seu nom de “candeles estàndard” astronòmics (vegeu imatges a continuació).

Imatges obtingudes amb el telescopi CFH, a partir del projecte d'estudis de supernoves SNLS.
Veiem una galàxia observada en dos moments diferents. A la imatge a la part inferior dreta
es mostra la supernova que havia explotat a la galàxia. La gran lluminositat intrínseca d’aquestes
estrelles (unes 100 mil milions de vegades el Sol) associades a la seva quasi constància
les converteixen en “candeles estàndard” que permeten sondejar l’univers llunyà. La distància
de la galàxia amfitriona de la supernova es mesura mitjançant instruments des del VLT del ESO. © DR

A continuació, podem seguir la variació amb la distància de la seva brillantor aparent, aquesta última disminuint com els fars d'un cotxe a mesura que s’allunya. Els models cosmològics prediuen lleis de variació d’aquesta brillantor, lleis diferents segons l’Univers s’està expandint o no i segons si s’alenteix o s’accelera (vegeu gràfics a continuació).

L’expansió de l’Univers s’està accelerant (vegeu les explicacions a continuació). © DR

Una recent acceleració en l’expansió de l’Univers

En un univers corbat en expansió, la brillantor de les estrelles en funció de la seva distància respecte de l'observador, varia diferent segons si aquesta expansió s'accelera o es desaccelera. Observar la brillantor de les candeles estàndard, com les supernoves, en funció de la seva distància (o del seu desplaçament espectral) permet distingir diversos comportaments. A la part superior, el gràfic superior mostra l'evolució de la brillantor (eix vertical) en funció del desplaçament espectral (eix horitzontal) per a una expansió en desacceleració constant (línia puntejada) i per a una fase d'acceleració (línia sòlida).

Les observacions actuals (aquí les mesures del SNLS* amb les seves barres d’error) afavoreixen el cas d’una recent acceleració (a causa d’una energia fosca repulsiva) després d’una fase de desacceleració (per l’acció de la matèria atractiva). El gràfic inferior mostra els mateixos resultats en una altra representació, però amb les mateixes convencions (línia puntejada: desacceleració, línia sòlida: acceleració).

L’enfrontament d’observacions i prediccions va resoldre, per a sorpresa dels cosmòlegs, a favor de l’acceleració de l’expansió de l’Univers!.

Nota:
* SNLS: Supernova Legacy Survey (Estudi del llegat de les Supernoves)

- Capítol anterior: Cosmos: un univers en expansió

- Capítol següent: L'Univers, un sistema quàntic? 

Autor de l'original: Alain Mazure, astrofísic
Ho he vist aquí

Catàleg Charles Messier. Objecte M79

Clic per engrandir. Imatge del Hubble de M79. Crèdit NASA-ESA. HST.

Descobert el 1780 per Pierre Méchain.

El Cluster Globular M79 va ser descobert per Pierre Méchain el 26 d'octubre de 1780, informant del seu descobriment al seu amic i colega, Charles Messier, que va determinar la seva posició i el va incloure al seu catàleg el 17 de desembre de 1780. Desglosat primer en estrelles i reconegut com a cúmul globular per William Herschel al voltant del 1784.

M79 en un preciós clúster globular en una ubicació poc usual al cel: Molts dels globulars estan agrupats al voltant del centre galàctic, però és un dels pocs que hi ha situats en un altre hemisferi. Ex. està molt més lluny de nosaltres, des del punt de vista d’observadors hipotètics, a la protuberància estel·lar central de la nostra galàxia, la Via Làctica. Es troba al voltant de 40.000 anys llum de distància de nosaltres, però al voltant de 60.000 anys llum del centre galàctic. 

A aquesta distància, el diàmetre aparent de M79 de 9,6 minuts correspon a una extensió lineal d’uns 118 anys de llum. Aquest cluster és una mica elíptic, estès en un angle amb una posició de 45 graus, i té només 7 variables conegudes. S’allunya de nosaltres a una velocitat de gairebé 200 km/seg.

L'any 2003, es va descobrir que M79 era potser un nou immigrant dins del sistema de cúmuls globulars a la nostra Via Làctica: Pot venir, o ser un membre del sistema de cúmuls globulars vestigials de la galàxia Enana Canis Major, que actualment està experimentant una trobada molt propera amb la nostra Galàxia, i un estat progressiu de dissolució. Junt amb M79, es sospita que tres cúmuls globulars havien migrat des de la Enana Canis Major: NGC 1851, NGC 2298, i NGC 2808.

Al voltant de 0,5 graus al sud-est de M79, hi ha l'estrella de magnitud 5,5 ADS 3954 amb la seva companya de magnitud 7, separats per 3 polzades.

M79 al web del SEDS
Índex del Catàleg Messier del blog

Dossier Cosmologia 4: Cosmos: un univers en expansió

No, la Terra no és el centre de l’Univers. El Sol tampoc. El nostre planeta, la nostra galàxia són uns anònims perduts en la immensitat del cosmos. Descobriu aquí algunes nocions de cosmologia que us permetran comprendre millor quin és el nostre lloc a l’Univers.

Des de la primera mesura de la velocitat d’allunyament de les galàxies per l’astrònom Hubble, sabem que l’Univers s’està expandint. La teoria de la relativitat general d'Einstein ha ajudat a entendre millor aquest fenomen.

El nostre univers està en expansió. Foto del cúmul de galàxies MACS J0717 realitzada
pel telescopi Hubble. © Nasa, ESA, Harald Ebeling (Universitat de Hawaii, Manoa)
i Jean-Paul Kneib (LAM), CC per 3.0

L'allunyament de les galàxies i la llei de Hubble

El "model cosmològic estàndard", més conegut amb el nom de Big Bang, es va arrelar a nivell observacional els anys 1920-1930 amb el treball dels astrònoms Slipher, Humason i Hubble. El primer va mesurar la velocitat d'algunes galàxies properes, mentre que els segons van obtenir una mesura de la distància d'aquestes galàxies. 

Llevat de galàxies molt properes, com la nostra veïna Andromeda, les velocitats mesurades eren totes positives, cosa que significava que aquestes galàxies s’allunyaven de la Via Làctia. Confrontant aquestes velocitats de distància (o recessió) amb les distàncies de les galàxies, Hubble va passar a la posteritat en establir que aquesta velocitat de recessió v és més gran, quan més gran és la galàxia en qüestió. Aquesta és la famosa llei de Hubble: 

ν = H₀d

On H₀ és la constant de Hubble i d la distància, que expressa la fugida de les galàxies. (La constant de Hubble varia de fet al llarg del temps còsmic. És per això que, com en el cas d'altres paràmetres cosmològics dependents del temps, se li assigna l'índex "0", indicant el moment present).

Un univers en expansió

Una interpretació senzilla i immediata podria ser considerar que la Via Làctia es troba al centre d’un fenomen que afecta a totes les altres galàxies. Però seria una visió “antropocèntrica”, donant a l’home una posició especial a l’Univers.

Abandonant aquesta idea, el principi cosmològic (i copernicà), afirmant que l’Univers és homogeni i isotròpic, per tant que no hi ha cap “lloc privilegiat”, condueix naturalment a considerar que aquest fenomen afecta totes les galàxies. És a dir, vista des d’una altra galàxia, la Via Làctia s’allunya de totes les altres i aquest punt de vista roman vigent posicionant-se d’una nebulosa a una altra. Cap d’ells no és, doncs, el “centre” d’aquest vol generalitzat.

Per interpretar aquest fenomen, hem d’imaginar que no es tracta de les galàxies en moviment, sinó de l’Univers que s’està expandint.

 La relativitat general, una teoria revolucionària

Hi ha un marc teòric que ens permet comprendre aquest fenomen, el de la teoria de la relativitat general desenvolupada per Einstein. La teoria de la relativitat general va ser revolucionària en dos aspectes:

- La primera revolució va ser considerar que el temps i l’espai ja no són entitats separades. Ja no parlem de distància entre dos objectes, sinó de distància entre dos esdeveniments, el temps entrant com a quarta coordenada -tres per a l'espai (per exemple: x, y, z) i t per temps-: això és el concepte de l'espai-temps. Però parlar de distància és entrar en el domini de la geometria, l'espai-temps en endavant quedarà definit per la seva geometria.

- La segona revolució consistia a afirmar que la geometria de l’espai-temps es caracteritza totalment pel seu contingut en matèria energètica (amb Einstein, l’ energia i la massa equivalen a través de la famosa relació E = mc²), tal com il·lustra el diagrama següent:

La geometria de l'espai-temps es caracteritza totalment pel seu contingut en Energia-Matèria. © DR

En la relativitat general, ja no hi ha cap força gravitatòria que governi les trajectòries de partícules o planetes. Les trajectòries estan dictades per la curvatura de l’espai, curvatura imposada per la energia-matèria present aquí o allà.

La Terra no gira al voltant del Sol per l’atracció gravitatòria que pateix, sinó perquè la massa del Sol va modificar la geometria de l’espai, impedint que el nostre planeta continuï la seva trajectòria, en principi rectilínia, si res no l'hagués perturbat. Tanmateix, mantindrem el terme "gravitació" en les següents capítols per facilitar la comprensió de les idees presentades.


- Capítol anterior: Origen de la matèria fosca o la manca de massa

- Capítol següent: La expansió de l'Univers s'accelera

Autor de l'original: Alain Mazure, astrofísic
Ho he vist aquí