Clic per engrandir. Més lleugers que l'aigua líquida, els glaçons suren a la superfície. Crèdit: Paviofax, Fotolia.
L’aigua, tan habitual i abundant a la Terra, és tanmateix una substància gairebé única: té propietats físiques i químiques molt sorprenents i es comporta de maneres estrambòtiques. Gel, líquid o vapor d’aigua: descobreix els misteris de l’aigua.
Creus que ho saps tot sobre la molècula d’H2O? Tot i això, estudis recents acaben de demostrar que l’aigua líquida pot coexistir en dos estats diferents. No heu vist mai una barra de ferro surar sobre ferro fos? Els glaçons suren sobre l’aigua líquida. En resum, l’aigua està lluny de ser un material qualsevol.
Tot i que gairebé tots els materials són més densos en estat sòlid que en estat líquid, els icebergs suren a l’oceà i els glaçons suren en un got. Normalment, quan una substància es congela, les seves molècules s’uneixen. Però l’aigua presenta una anomalia: la seva densitat màxima s’assoleix a 4°C i comença a disminuir per sota. Això vol dir que, per al mateix volum, hi ha menys molècules en un cub de gel que en aigua líquida: per tant, és més lleugera.
L’aigua és present a la natura en els seus tres estats: líquid, sòlid, gasós
És fàcil observar gel, aigua líquida i vapor d’aigua a la natura. D’altra banda, és poc probable que trobeu vapor d’or o gel sec (la forma sòlida de diòxid de carboni: CO2) mentre passegeu per l'exterior.
Aquesta estranya propietat prové en particular de la temperatura de fusió de l’aigua particularment elevada: l’oxigen només s’evapora per exemple a -183°C, però els enllaços d’hidrogen entre les molècules d’aigua obliguen a proporcionar molta més energia per canviar a l’estat de vapor.
L’aigua calenta es congela més ràpidament que l’aigua freda
Col·loqueu una safata de glaçons plena d’aigua calenta al congelador i els cubs de gel estaran llestos més ràpidament que amb aigua freda. Aquest curiós fenomen, anomenat "efecte Mpemba", podria tenir diverses explicacions. Podria ser degut a l’evaporació que disminueix la massa d’aigua i consumeix calor, cosa que afavoreix el seu refredament. L’aigua calenta també seria menys sensible a l’efecte de refredament que permet que un líquid es mantingui sòlid fins i tot quan la seva temperatura hagi caigut per sota del seu llindar de solidificació. Altres hipòtesis es basen en les transferències de calor (els corrents de convecció serien majors en aigua calenta) o la modificació d'enllaços químics entre les molècules d’aigua (estrenyiment dels enllaços covalents entre els àtoms d’oxigen i hidrogen).
Hi ha dues formes d’aigua líquida
Darrerament, diversos estudis han suggerit que l’aigua líquida conviu en realitat en dues formes: una de baixa densitat, en què les molècules formen nombrosos enllaços d’hidrogen amb els seus veïns, cosa que les manté allunyades les unes de les altres, i una altra d’alta densitat, on les molècules “s’amunteguen” les unes amb les altres i per tant, es poden unir. Tot i que és relativament comú trobar diverses formes de sòlids per al mateix material, és molt més rar per a un líquid. L'únic cas conegut fins ara és l'heli, la forma líquida de l'heli II pot arrossegar-se per les superfícies.
Només heu de veure com es desfà un tros de sucre al cafè o la sal en pols a la cassola per adonar-se’n: l’aigua és un excel·lent dissolvent. Per contra, és impossible dissoldre sal en oli o petroli: es mantindrà sòlida al fons del recipient. Aquesta capacitat de dissolució s’explica per la naturalesa polar de l’aigua que tendeix a atraure molècules iòniques (amb ions carregats positivament o negativament). Quan, per exemple, es posa sal (NaCl) a l’aigua, les molècules d’aigua dissociaran els ions clorur i els ions sodi; es forma una solució aquosa Na + + Cl-. De la mateixa manera, l'aigua dissol fàcilment altres molècules polars com els sucres o l'etanol.
Clic per engrandir. Les molècules d'aigua (H2O) "ataquen" les molècules de clorur de sodi (NaCl) i les seves molècules s'uneixen amb ions Na + i Cl-. Crèdit: OpenStax Anatomia i Fisiologia
L’aigua pot ser líquida i sòlida
Recentment, els investigadors van demostrar l'existència d'"aigua superiónica", una aigua sòlida i semi-líquida que es converteix en conductora com un metall. En condicions de pressió i temperatura molt altes, els enllaços d’hidrogen són destruïts, deixant que els ions d’hidrogen circulin lliurement a la xarxa cristal·lina dels àtoms d’oxigen, que romanen organitzats com si estiguessin “congelats”. L’aigua també es pot trobar en forma super refredada, on roman líquida fins a temperatures de -48°C abans de congelar-se sobtadament en contacte amb una altra superfície.
L’aigua es redueix a mesura que es fon
La gran majoria de substàncies ocupen més espai en estat líquid, quan les molècules estan desordenades, que en estat sòlid, on les molècules tenen una estructura organitzada. L’aigua és un cas especial: ocupa un 10% més de volum quan es congela. Aquesta curiositat anomenada "anomalia dilatomètrica" s'explica per l'estructura particular de la molècula d'aigua, on els enllaços d'hidrogen es munten en una xarxa hexagonal, deixant molt espai entre les molècules.
Clic per engrandir. Aquesta recreació artística ens mostra al que es deu assemblar el llunyà quàsar P172+18 i els seus dolls de ràdio. Fins ara (principis del 2021), és el quàsar més llunyà mai trobat amb dolls de ràdio. Es va estudiar amb el VLT del ESO. És tant llunyà que la llum que en surt ha viatjat durant uns 13.000 milions d’anys per arribar, el veiem tal com era quan l’univers només tenia uns 780 milions d’anys. Crèdit: ESO, M. Kornmesser.
Els forats negres supermassius que acumulen matèria i amb raigs de partícules es troben entre els objectes observables més energètics de l’Univers, especialment quan es produeixen en forma de quàsars. El 1977 es va proposar un mecanisme per explicar l’enigmàtica producció d’energia a la font d’aquests fenòmens i per primera vegada, avui en dia, rep confirmació gràcies a les primeres imatges d’un forat negre revelades per la col·laboració del Event Horizon Telescope (EHT-Telescopi de l'Horitzó de Successos).
S'ha filmat l'activitat del forat negre supermassiu M87. Els èxits assolits durant més de 50 anys per la teoria de la relativitat general són un homenatge al geni creatiu i rebel d'Albert Einstein. Però aquests èxits també es basen en proves cada vegada més rigoroses i una de les darreres es refereix a les imatges que el telescopi Event Horizon comença a oferir sobre el forat negre supermassiu M87. Fins i tot comencem a poder fer-ne pel·lícules mostrant la seva activitat.
Va ser a finals de novembre de 1915 que Albert Einstein va exposar la forma final de la seva teoria de la relativitat general, marcada en anys anteriors per diverses publicacions que volien fer compatible la teoria de la gravitació de Newton amb la teoria de la relativitat especial.
Un mes després, sens dubte seguint el treball d'Einstein des de feia un temps i tot i que estava al front oriental lluitant contra Rússia, l'astrònom alemany Karl Schwarzschild va trobar dues solucions a les equacions d'Einstein que descrivien el camp gravitatori exterior i després dins d'una estrella idealitzada, suposadament perfectament esfèrica i amb contingut de matèria uniformement densa. La solució no descriu una estrella en rotació i, en aquell moment, la solució relativa a l’espai buit al voltant de l’estrella encara no s’entén correctament, però ens adonem força ràpidament que pot plantejar problemes de les patologies lligades a la noció de singularitat en matemàtiques, però també en física. Com sabem avui dia, aquesta solució descriu tots els forats negres sense rotació i amb massa.
Clic per engrandir. La galàxia el·líptica M87 alberga diversos bilions d’estrelles, un forat negre supermassiu i una família d’aproximadament 15.000 cúmuls globulars. A tall de comparació, la nostra galàxia de la Via Làctia només conté uns quants centenars de milions d’estrelles i uns 150 cúmuls globulars. Aquesta imatge en fals color de M87 és composta i es va formar a partir d’observacions del Hubble en llum visible i infraroja. Podem veure clarament un raig de matèria associat al forat negre M87 que es va fer el 2019 il·lustrat pels membres del Telescopi de l'Horitzó de Successos. Crèdit: NASA, ESA i l’equip del Patrimoni Hubble (STScI / AURA); P. Cote (Institut d'Astrofísica Herzberg) E. Baltz (Universitat de Stanford)
L’enigma dels quàsars
Pocs anys després del descobriment de Karl Schwarzschild, l'astrònom nord-americà Heber Curtis va notar el 1918 una curiosa estructura situada sobre una fotografia de la galàxia Messier 87, presa amb el telescopi de l'Observatori Lick. No podria saber en aquell moment que es trobava en presència d’un raig de matèria que s’estenia durant almenys 5.000 anys llum des d’un forat negre, M87, que contenia 6.500 milions de masses solars. Al cor de M87, una galàxia el·líptica situada A 55 milions d’anys llum de la Via Làctia.
Tampoc no es podia saber que amb l’auge de la radioastronomia, descobriríem que no només la M87 és la galàxia el·líptica més gran més propera a la Terra, sinó sobretot una de les fonts de radio més brillants del cel, cosa que la converteix en un objectiu pels membres del Telescopi de l'Horitzó de Successos (EHT).
Fem un salt enrere de dècades. A principis dels anys seixanta, Maarten Schmidt, un astrònom holandès, va fer l'anàlisi espectral d'una estrella, la contrapartida de la llum visible d'una potent font de ràdio, anomenada 3C 273. Semblava una estrella, però es trobava a més de 2.400 milions d'anys llum de la Via Làctia, que significa que per ser observable a una distància tan veritablement cosmològica, havia de tenir una lluminositat absolutament prodigiosa, superior a cinc milions de milions de vegades la del Sol, o presentada de qualsevol altra manera equivalia a la de 1.000 vegades els centenars de milers de milions d’estrelles de la nostra Via Làctia!
Es tracta del descobriment de les fonts de ràdio quasi estel·lars, dels quàsars segons el nom proposat el 1964 per l’ astrofísic d’origen xinès Hong-Yee Chiu. Tanmateix, el mateix any, el matemàtic neozelandès Roy Kerr va descobrir una altra solució de la relativitat general. Com explica en un article d'accés obert a arXiv, el context era intentar donar compte de l'existència de quàsars mitjançant la teoria de la relativitat general. Ho sabem des de l'obra d'Oppenheimer i els seus estudiants a finals dels anys trenta que la teoria va predir que una estrella sense rotació que havia esgotat el seu combustible termonuclear havia de col·lapsar gravitatòriament, cosa que va conduir a enfrontar-se a les rareses i les patologies de la solució de Schwarzschild.
El matemàtic Roy Kerr explica la saga de la teoria del forat negre, amb problemes de singularitat associats i el seu descobriment. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Vetenskapsakademien
Una solució que descriu una estrella giratòria, un forat negre de Kerr
Malgrat diversos intents, ningú no havia trobat l’equivalent a les dues solucions de Schwarzschild que poguessin descriure el que seria una estrella giratòria, cosa que és problemàtica perquè totes giren. Ara es podria pensar que una rotació, que necessàriament ha d’augmentar a causa de la conservació del moment angular (amb una força centrífuga que també ho faria durant un col·lapse gravitatori i, per tant, s’hi oposaria), havia de conduir a un moment al final de aquest col·lapse i, per tant, elimina la rellevància de la solució patològica de Schwarzschild quan la massa de l'estrella es va concentrar sota una superfície d'un radi determinat.
Inspirat i interessat en les noves tècniques de geometria diferencial, Kerr es va proposar trobar aquesta solució. Encara no ho sabem avui, llevat d’aproximacions, però és cert que Kerr havia descrit una solució rigorosament exacta que descrivia el camp gravitacional extern d’una estrella giratòria. Però quina?
Durant la propera dècada, gràcies sobretot al treball de Roger Penrose i Brandon Carter, entendrem que la solució de Kerr descriu tots els forats negres en rotació.
Com que l’acreció de matèria en una estrella molt compacta ha d’alliberar una major quantitat d’energia per a una quantitat determinada de matèria, en particular d’hidrogen, que per les reaccions de fusió termonuclear, es podria pensar que un forat negre de Kerr supermassiu acumula matèria i podria produir una extraordinària quantitat d’energia que explica la lluminositat dels quàsars. Per tant, es construiràn models dels discs d'acreció que envolten als forats negres, especialment per Kip Thorne i Igor Novikov el 1973 i també per Nikolai Shakura i Rashid Sunyaev.
D'esquerra a dreta, el 2016, Roger Blandford i Roy Kerr, el matemàtic que va descobrir la solució de les equacions d'Einstein que descrivien un forat negre giratori. Crèdit: Bengt Nyman, CC by-sa 4.0
Un forat negre transformat en una dinamo magnètica
Tot i això, el que realment ho canviarà tot és el descobriment realitzat el 1977 per dos joves astrofísics relativistes de la Universitat de Cambridge, Roger Blandford i Roman Znajek. Roger Penrose ja havia demostrat a finals dels anys seixanta que era possible extreure energia alentint la rotació d’un forat negre i, per tant, aprofitant la seva energia cinètica de rotació. Els dos investigadors construiran un escenari més elaborat que el de Penrose, però basat en la mateixa idea.
És l’anomenat procés de Blandford-Znajek el que prevaldrà per explicar no només la lluminositat dels quàsars, sinó l’existència de raigs de matèria sovint associats i que es pot detectar per exemple, quan produeixen dues fonts de ràdio als extrems d’aquests raigs quan xoquen amb el medi intergalàctic.
Fins ara, només s’ha recolzat en simulacions numèriques i en càlculs analítics. Però, tal com s’explica avui en un llarg article publicat per la revista Quanta, el famós i reconegut periòdic digital de la Fundació Simons que recull els darrers desenvolupaments en física, matemàtiques, biologia i informàtica, aquesta situació està a punt de ser revolucionada per les observacions de l’Event Horizon Telescope de M87.
L’instrument va proporcionar imatges i mesures, especialment a nivell de polarització de la llum emesa pel disc d’acreció al voltant del forat negre supermassiu, que estan en línia amb les prediccions del Procés de Blandford-Znajek, més precisament d’un dels dos escenaris principals d’acreció estudiats des de fa temps amb ordinadors. Sorprenentment, no és el que semblava ser el més creïble avui provat i afavorit per les dades de l’EHT.
Roger Blandford ens explica els forats negres supermassius i els seus dolls en aquest vídeo. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Revista Quanta
Veiem de què es tracta. Quan la matèria forma un disc d’acreció, cau en espiral cap al cos atractor, girant més ràpidament quan més s’acosta. Inicialment té la forma d’un gas, però aquest gas és viscós, cosa que significa que a causa de les diferències de velocitat entre dos anells concèntrics de material al disc, hi haurà forces de fricció que escalfaran el gas.
Per tant, el disc de matèria al voltant d’un forat negre s’ionitzarà, els corrents elèctrics i els camps magnètics naixeran en el plasma format. Hi ha tota una teoria d’aquests fenòmens en l’espai-temps corbat. Blandford i Znajek el van utilitzar per descriure el que passava a causa de les propietats de la mètrica espai-temps de Kerr, com diuen els especialistes en el seu argot.
Al voltant de l'horitzó esfèric del forat negre existeix llavors una àrea en forma d'el·lipsoide giratori anomenada ergosfera. Un cos de caiguda radialment lliure es veurà obligat a tenir un component de rotació addicional en entrar a aquesta regió. Això també passa amb les línies de camp magnètic generades pel disc, de manera que al final tot passa com si tinguéssim un imant giratori i l’equivalent a una dinamo que produís diferències de potencial.
D’això se’n deriven dues conseqüències essencials. En primer lloc, aquestes diferències acceleraran les partícules carregades gairebé a la velocitat de la llum i, finalment, la rotació del forat negre torçarà les línies de camps magnètics i algunes formaran una mena de tub retorçat al llarg de l’eix de rotació del forat negre al llarg del qual les partícules carregades pujaran. Clarament, es tracta dels dolls de forats negres supermassius, que llavors comencen a radiar intensament aquestes partícules, que produiran parells de partícules-antipartícules accelerades, etc.
Clic per engrandir. Recreació artística d'un forat negre supermassiu giratori envoltat d'un disc de matèria. També veiem un raig de partícules pujant del forat negre. Crèdit: NASA
Una acumulació "boja" o "sana"?
Com connectar aquestes explicacions amb les imatges de M87 proporcionades pel EHT? Resulta que els camps magnètics poden influir en la polarització de la llum emesa, de manera que mesurant la polarització de les ones de ràdio generades pel forat negre supermassiu i la seva acreció disc -que és precisament el que pot fer l'EHT- podem formar una imatge que mostri l’estructura magnètica del disc.
La imatge obtinguda mostra bandes regulars resultants d’un fort enrotllament de polarització en una espiral que inclou línies de camps magnètics i un flux de plasma ordenat, exactament segons un dels esquemes autoritzats pel procés de Blandford-Znajek i que genera els dolls de partícules.
Un altre d’aquests escenaris, l’esperat, hauria tingut la signatura d’un flux molt més turbulent i caòtic. Els camps magnètics allí són febles i és l’acreció de matèria la que controla la producció dels dolls, l’acreció que s’acompanya d’una forta turbulència del plasma. Per als "astrofísics numèrics" que estudien aquest model, que es diu Sane, acrònim de stable and normal evolution (estable i evolució normal).
Altres investigadors van afavorir el model de disc magnètic aturat, MAD, on els camps magnètics són forts i controlen el procés de Blandford-Znajek i redueixen en gran mesura les manifestacions de turbulència i caos. Sane s’utilitza per descriure una persona sana en anglès, al contrari de la bogeria (MAD).
Les modelitzacions amb ordinadors que havien començat durant la dècada de 1980 i que des de la dècada de 2000 van veure l'enfrontament dels escenaris Sane i MAD, finalment van entrar en contacte amb l’experiència que sembla haver decidit a favor de MAD.
Vídeo (Podeu triar l'idioma de la subtitulació a la configuració del vídeo):
Els forats negres estan embolicats en plasma. Aquest plasma conté camps magnètics que afecten la manera com es mou la matèria. A mesura que el camp magnètic es fa més fort, canvia de forma i amb ell la llum polaritzada que mesurem, tal com explica aquesta animació. Avui revelem un descobriment innovador: les ones de llum polaritzades que observem indiquen que el forat negre M87 té forts camps magnètics. Aquests camps magnètics exerceixen una poderosa influència en la forma en què els objectes orbiten al voltant del forat negre i la formació dels seus dolls, que és un dels majors misteris de l'astrofísica moderna. Crèdit: ehtelescope.
Clic per engrandir. Imatge de C24. Crèdit: NASA, ESA, i el Hubble Heritage (STScI/AURA)- ESA/Hubble Collaboration; Agraïments: A. Fabian (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK)
Amb aquesta imatge, el Hubble es va convertir en el primer a resoldre els gegantins però delicats filaments de gas formats per forts camps magnètics al voltant de Caldwell 24, una galàxia el·líptica també coneguda com Perseu A i catalogada com NGC 1275. Els científics creuen que el cor de la majoria de les grans galàxies pot albergar un forat negre supermassiu, amb milions o fins i tot milers de milions de vegades la massa del Sol, a mesura que el gas cau cap al forat negre, s'agrupa en l'anomenat disc d'acreció i es comprimeix i s'escalfa, emetent finalment raigs X. Caldwell 24 és coneguda pels científics com una "galàxia activa", ja que el seu forat negre central genera una emissió de raigs X i ràdio inusualment potent.
Els circells que s'estenen més enllà de la galàxia són l'única manifestació en llum visible de l'efecte del forat negre sobre el gas circumdant dins el cúmul de galàxies al què pertany Caldwell 24. Les observacions del Hubble de Caldwell 24, preses en llum visible amb l'ACS, sigles d'Advanced Camera for Surveys (Càmera avançada per sondejos) el 2006, van marcar la primera vegada que es van resoldre els fils individuals de gas que componen els filaments. Aquestes estructures difuses s'estenen fins a 20.000 anys llum en el cosmos, unes 5.000 vegades més lluny que la distància entre el Sol i la seva estrella veïna més propera, Propera Centauri. Un filament mig conté aproximadament un milió de vegades més massa que el nostre Sol.
Clic per engrandir. Aquest primer pla del centre de Caldwell 24, que combina observacions visibles i infraroges preses per la Càmera Planetària i de Gran Angular 2 del Hubble el 1995 i 2001, mostra una col·lisió de proporcions galàctiques. Una polsegosa galàxia espiral sembla estar girant de costat, com un molinet, mentre llisca a través de la galàxia més gran i brillant, Caldwell 24. Es creu que aquestes galàxies estan col·lisionant a més de 10 milions de quilòmetres per hora. Crèdit: NASA i el Hubble Heritage Team (STScI/AURA); Agraïments: M. Donahue (STScI) i J. Trauger (JPL).
Els filaments es formen quan el gas fred del nucli de la galàxia és arrossegat per l'estela de les bombolles ascendents bufades pel forat negre. Aquests filaments de gas han resistit d'alguna manera l'entorn hostil i d'alta energia del cúmul de galàxies durant més de 100 milions d'anys. Els astrònoms creuen que els camps magnètics poden mantenir el gas carregat al seu lloc, actuant contra la tendència a dispersar-se i evaporar o a col·lapsar per formar noves estrelles.
A una distància d'uns 230 milions d'anys llum, Caldwell 24 és en realitat una de les galàxies el·líptiques gegants més properes a la Terra. Va ser descoberta per William Herschel el 1786 en la constel·lació de Perseu, i es veu millor a finals de tardor i principis d'hivern des de l'hemisferi nord. (A l'hemisferi sud, busqueu-baix en el cel del nord a finals de la primavera i principis de l'estiu). És petita i tènue, de magnitud 11,9, de manera que es necessitarà un telescopi (com més gran, millor) per veure-la bé.
Aquest vídeo s'endinsa en el supercúmul de galàxies de Perseu, apropant-se finalment a Caldwell 24, que es troba prop del centre del supercúmul. Crèdit: NASA, ESA, M. Kornmesser i L. Christensen (ESA/Hubble), i G. Bacon (STScI); Ciència: NASA, ESA i la col·laboració del Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble
Per a més informació sobre les observacions de Caldwell 24 realitzades pel Hubble, vegeu:
El que es pot conèixer directament està acabat. La idea de l'infinit sorgeix tanmateix tan aviat com pensem. Però es pot trobar l’infinit a la natura i a la física que vol representar-la? Està present a l’Univers?
La revolució cosmològica de principis del segle XX és fruit de la conjunció entre l'avanç teòric proporcionat per la relativitat general d'Einstein i el progrés observacional. Descobriu les nocions d’univers relativista i espai-temps.
Clic per engrandir. L'univers relativista i l'espai-temps. Crèdit: Rani Ramli, Pixabay, DP
La relativitat general fa tombar els mateixos conceptes de temps i espai. L'univers ja no és una estructura espacial immutable (euclidiana), en la qual es produeixen fenòmens moguts per forces; es converteix en un espai-temps "deformable", el que els matemàtics anomenen "una varietat de quatre dimensions" (tres per a l'espai, una pel temps), deformat per la presència de la matèria.
La gravitació, manifestació de la curvatura de l’espai-temps
Aquesta deformació correspon a la gravitació, que esdevé una manifestació de la curvatura de l'espai-temps. Com a tal, dicta les possibles trajectòries de les partícules materials i els raigs de llum, obligats a seguir els contorns de la geometria corba.
Clic per engrandir. Clic per engrandir. La relativitat general ofereix una nova visió de l’univers en termes d’espai-temps flexible, teixit per la llum i corbat per la matèria. Foto extreta d’Infiniment Curve, una pel·lícula de Laure Delesalle, Marc Lachièze-Rey i Jean-Pierre Luminet. Crèdit imatge: CNRS, DR.
(Podeu accedir a la pel·lícula Infiniment Curve fent un clic aquí per la primera part i aquí per la segona, podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo)
Les equacions fonamentals de la relativitat (equacions d’Einstein) descriuen com el contingut material de l’univers determina la geometria de l’espai-temps. La teoria permet, doncs, una descripció de l'univers en el seu conjunt, d'acord amb models cosmològics plausibles.
Per descomptat, entre el conjunt de solucions que permet la teoria, només alguns descriuen correctament el nostre univers d’acord amb les observacions astronòmiques. En qualsevol cas, el caràcter no euclidià de l'univers, per tant, ja no apareix com una estranyesa, sinó al contrari com una necessitat física de donar compte dels fenòmens gravitacionals: la curvatura està lligada a la densitat de la matèria.
Einstein calcula el primer model d’univers relativista
El 1917, Einstein va calcular el primer model d’univers relativista. La seva gran novetat és oferir un enfocament completament nou a la qüestió de l’espai finit o infinit. Com Riemann, vol un univers tancat (és a dir, de volum i circumferència perfectament finits i mesurables) i sense vores, de manera que tria la hiperesfera per modelar la part espacial de l’univers.
Amb aquest article inaugural de la cosmologia moderna, Einstein s’adona que s’està aventurant en un nou terreny. Pren de fet el contrari a la filosofia positivista que il·lustra l’afirmació de Kant: "Cap observació pot confirmar la tesi de la cosmologia racional, l'objecte de la qual excedeix tota experiència possible". Això és precisament el que incompleix el model d'Einstein: “La qüestió de saber si el món és finit espacialment o no, em sembla una qüestió que té un significat en la geometria pràctica. Ni tan sols em sembla exclòs que l’astronomia trobi una resposta a aquesta pregunta en un futur relativament proper”. I Einstein adopta clarament el costat d’un univers espacialment finit, per no estar en contradicció amb la hipòtesi de Mach sobre la inèrcia dels cossos: “No voldria deixar d’assenyalar que podem avançar una raó teòrica a favor de la hipòtesi, de la finitud de l'univers. La teoria de la relativitat general ens ensenya que la inèrcia d’un cos determinat és tant més gran com més masses ponderables hi ha al seu entorn; per tant, sembla perfectament natural atribuir l’efecte d’inèrcia total d’un cos a la interacció entre aquest i els altres cossos de l’univers; igual que ho és la gravetat des de Newton, totalment atribuït a una interacció de cossos entre si. Podem deduir de les equacions de la teoria de la relativitat general que aquesta explicació de la inèrcia per l'única interacció entre les masses -com demanava, per exemple, Ernst Mach- suposa necessàriament un univers espacialment finit.
El model d'Einstein també suposa un univers estàtic, el radi de la hipersfera es manté invariable al llarg del temps. En realitat, les solucions cosmològiques de la relativitat permeten preveure un espai que s’expandeixi o es contregui amb el pas del temps: això és el que demostra el teòric rus Alexander Friedmann entre 1922 i 1924. El model d’Einstein s’abandonarà a favor de solucions dinàmiques. Però la novetat continua sent: és possible imaginar un espai finit sense límit. A més, també és possible preveure un espai infinit. Per tant, la relativitat ha actualitzat totalment el dilema finit o infinit, posant a disposició dels cosmòlegs espais explícits finits o explícitament infinits.
A les 14:30 UTC del 3 de juliol de 2021, la primera flamarada de classe X (en realitat una flamarada x1.5) del Cicle Solar 25 va ser vista al Sol.
També hi va haver diverses flamarades B i C, i fins i tot una M al dia anterior a la flamarada x1,5. Es pot veure aquesta sèrie aprop de la vora a la part superior dreta (una posició del rellotge d'aproximadament 02:00) en aquesta pel·lícula diària en la banda de pas AIA 94 Å de SDO. Aquestes flamarades també es van veure en l'EVE de SDO i en el XRS de GOES-16.
Tot i que el sol semblava bastant tranquil, una erupció solar important va tenir lloc aquest dissabte, 3 de juliol de 2021. La primera X classificada del 25e cicle solar, va interrompre les emissions de ràdio a la Terra.
Això va succeir aquest dissabte, 3 de juliol de 2021. Una important flamarada solar va assolir el seu punt àlgid abans de les 4:30 p.m. Classificada X1.59, va ser observat pel satèl·lit Solar Dynamics Observatory al costat nord-oest a l’extrem de la nostra estrella. I aquesta és la primera flamarada solar de classe X, la classe de flamarades més intenses, del nostre cicle 25 del Sol. La primera també des del 2017, que havia estat de classe X9, nou vegades més potent.
Es va enregistrar una emissió de ràdio tipus II a una velocitat aproximada de 375 km/s. El senyal d'una expulsió de material coronal que acompanyava a l’erupció. L’atmosfera superior de la Terra es va ionitzar breument. El resultat: una apagada d’aproximadament una hora d’emissió de ràdio d’ona curta sobre l’oceà Atlàntic. Una apagada que mariners, aviadors i operadors de ràdio han notat.
Clic per engrandir. En vermell, la regió pertorbada per l’erupció solar del 3 de juliol. Crèdit: NOAA
Un rar "ganxo magnètic"
A les illes Lofoten (Noruega), un observatori meteorològic espacial va experimentar pertorbacions que no coneixia des de feia diversos anys: Una ràfega de ràdio, una pertorbació ionosfèrica i un augment de corrents elèctriques al terra. Però també una pertorbació encara més rara: una desviació del camp magnètic local.
Clic per engrandir. Aquest dissabte, 3 de juliol de 2021, els instruments d’un observatori meteorològic espacial basat a les illes Lofoten (Noruega) van registrar diversos tipus de pertorbacions relacionades amb una flamarada solar en curs. Crèdit: Polarlightcenter.
Per descriure-ho, els investigadors parlen de "ganxo magnètic". Al
ionitzar l’atmosfera superior de la Terra, la flamarada solar va fer que
els corrents flueixin entre 60 i 100 quilòmetres per sobre de la
superfície del nostre planeta. Aquests corrents, al seu torn, van
canviar el camp magnètic polar de la Terra. A diferència de les
pertorbacions geomagnètiques que es produeixen amb els CME pocs dies
després d’una erupció, es produeix un ganxo magnètic durant una
erupció. Acostumen a produir-se durant erupcions ràpides i impulsives
com aquesta.
L’erupció probablement va néixer d’una taca solar anomenada AR2838 (regió activa 2838) i que no existia poques hores abans. Una nova prova de la dificultat que representa poder predir l’activitat solar.
Els moviments d’una notable estructura còsmica s’han mesurat per primera vegada mitjançant l’observatori de raigs X Chandra de la NASA. L’ona explosiva i els residus d’una estrella que ha esclatat es veuen allunyant-se del lloc de l’explosió i xocant amb la paret de gas circumdant.
Els astrònoms estimen que la llum de l'explosió de la supernova va arribar a la Terra fa uns 1.700 anys o quan l'imperi maia estava florint i la dinastia Jin governava la Xina. Malgrat això, segons els estàndards còsmics, el romanent de supernova format per l'explosió, anomenat MSH 15-52, és una de les més joves de la Via Làctia. La explosió va formar estrella superdensa i magnetitzada anomenada púlsar, que després va fer esclatar una bombolla de partícules energètiques, una nebulosa emissora de raigs X.
Clic per engrandir. Imatges de MSH 15-52. Crèdit Imatges: NASA/SAO/NCSU/Borkowski et al.
Des de l'explosió, el romanent de supernova -format per les restes de l'estrella destrossada, més l'ona expansiva de l'explosió- i la nebulosa de raigs X han anat canviant a mesura que s'expandeixen cap a l'espai. En particular, el romanent de supernova i la nebulosa de raigs X tenen ara la forma semblant a uns dits i al palmell d'una mà.
Anteriorment, els astrònoms havien publicat una vista completa amb el Chandra de la "mà", com es mostra en el gràfic principal. Un nou estudi informa ara de la rapidesa amb la qual es mou el romanent de supernova associat a la mà, al xocar amb un núvol de gas anomenat RCW 89. La vora interior d'aquest núvol forma una paret de gas situada a uns 35 anys llum del centre de l'explosió.
El rectangle (fixat en l'espai) destaca el moviment de l'ona expansiva de l'explosió, que es troba a prop d'una de les puntes dels dits. Aquesta característica es mou a gairebé 9 milions de milles per hora (14'5 milions de Km/h). Els quadrats fixos (que es veuen en les imatges de sota) tanquen cúmuls de magnesi i neó que probablement es van formar en l'estrella abans que explotés i van sortir disparats a l'espai una vegada que l'estrella va esclatar. Algunes d'aquestes restes de l'explosió es mouen a velocitats encara més ràpides, de més de 11 milions de milles per hora (17'7 milions de Km/h). Una versió en color de la imatge de 2018 mostra els dits en blau i verd i els cúmuls de magnesi i neó en vermell i groc.
Tot i que es tracta de velocitats sorprenentment altes, en realitat representen una desacceleració del romanent. Els investigadors estimen que per arribar a la vora més llunyana de RCW 89, el material hauria de viatjar de mitjana a gairebé 48'2 milions de Km per hora. Aquesta estimació es basa en l'edat del romanent de supernova i en la distància entre el centre de l'explosió i RCW 89. Aquesta diferència de velocitat implica que el material ha travessat una cavitat de gas de baixa densitat i després s'ha desaccelerat significativament al xocar amb RCW 89.
És probable que l'estrella explotada hagi perdut part o tota la seva capa exterior de gas d'hidrogen amb el vent, formant una cavitat, abans d'explotar, com ho va fer l'estrella que va explotar per formar el conegut romanent de supernova Cassiopeia A (Cas A), que és molt més jove, amb una edat d'uns 350 anys. Al voltant del 30% de les estrelles massives que col·lapsen per formar supernoves són d'aquest tipus. Els cúmuls de runa observats en el romanent de supernova de 1.700 anys d'antiguitat podrien ser versions més antigues dels observats a Cas A en longituds d'ona òptiques pel que fa a les seves velocitats i densitats inicials. Això vol dir que aquests dos objectes podrien tenir la mateixa font subjacent per les seves explosions, que probablement estigui relacionada amb la forma en què exploten les estrelles desposseïdes de capes d'hidrogen. Malgrat això, els astrònoms encara no comprenen els detalls d'això i seguiran estudiant aquesta possibilitat.
Un article que descriu aquests resultats apareix en el nombre del 1 de juny de 2020 de la revista The Astrophysical Journal Letters, i una pre-impressió està disponible en línia. Els autors de l'estudi són Kazimierz Borkowski, Stephen Reynolds i William Miltich, tots de la Universitat Estatal de Carolina de Nord a Raleigh.
El Centre de Vol Espacial Marshall de la NASA gestiona el programa Chandra. El Centre de Raigs X Chandra del Smithsonian Astrophysical Observatory controla la ciència des de Cambridge Massachusetts i les operacions de vol des de Burlington, Massachusetts.
Pots llegir més sobre l'Observatori de Raigs X Chandra fent un clic aquí.
Clic per engrandir. Crèdit: ESA/NASA/JPL-Caltech/N. Billot (IRAM).
Reconeixeu aquest objecte? Reconec que així de sobte, la cosa és bastant difícil. Us presento a la Gran Nebulosa d'Orió brillant amb una llum diferent -infrarroja- en aquesta foto que combina dades dels telescopis espacials Spitzer i Hershel.
Aquí la pols més càlida es mostra en blau, mentre que la més freda és verda i vermella. Els punts vermells són estrelles joves dins d'embolcalls de pols. Els potents instruments infrarojos del nou telescopi espacial James Webb de la NASA revelaran nous detalls d'aquesta complexa regió.
Clic per engrandir. Imatge de C23. Crèdit: ESA/Hubble i NASA; Agraïments: Nick Rose
Si poguéssim viatjar a través de l'espai i el temps per veure la nostra pròpia galàxia des de fora mirant cap a dins, probablement s'assemblaria molt a Caldwell 23. Aquesta galàxia espiral, també catalogada com NGC 891, es troba a uns 35 milions d'anys llum de la terra, a la constel·lació d'Andròmeda. Sir Patrick Moore, creador del catàleg Caldwell, va dir en una ocasió que la galàxia completa sembla "dos ous ferrats recolzats esquena amb esquena". En aquesta imatge del Hubble, presa en llum visible i infraroja amb l'ACS, sigles de Advanced Camera for Surveys (Càmera avançada per sondejos), la part del "rovell" de la galàxia queda fora de la imatge més enllà de la cantonada inferior esquerra. Unes poques estrelles en primer pla de la Via Làctia brillen amb força, mentre que altres galàxies més llunyanes es poden veure a la part inferior dreta de la imatge.
Els astrònoms van utilitzar les observacions de Caldwell 23 amb el Hubble per aprendre més sobre l'estructura i l'evolució de les galàxies espirals. Una de les seves troballes va ajudar a identificar l'origen del halo galàctic de Caldwell 23. L'halo envolta la galàxia i conté principalment estrelles velles, algunes de les quals s'agrupen en grans conjunts amb forma d'esfera anomenats cúmuls globulars. L'origen d'aquest halo no és clar, ja que teòricament podria originar-se en la galàxia o ser atret per la gravetat des de la zona que l'envolta. Els científics que van utilitzar el Hubble van descobrir que l'halo de Caldwell 23 té una composició similar a la d'altres materials de la galàxia, el que suggereix que el material del halo va ser expulsat des de l'interior de la galàxia.
Clic per engrandir. Aquesta imatge, presa amb la NICMOS sigles de Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (Càmera d'Infrarojos Propers i Espectròmetre multiobjecte) del Hubble el 1998, mostra el centre de Caldwell 23 (NGC 891). Crèdit: Torsten Boeker, Space Telescope Science Institute (STScI), i NASA.
Aquesta imatge del Hubble mostra uns tènues serrells de pols i gas que es ramifiquen des del pla de la galàxia cap a l'halo. Els astrònoms creuen que aquestes estructures es van formar quan el material va ser expulsat cap a l'exterior per supernoves o per una intensa activitat de formació estel·lar. Quan les estrelles massives s'encenen al néixer o exploten el morir, produeixen poderosos vents que poden expulsar pols i gas al llarg de centenars d'anys llum en l'espai.
Caldwell 23 va ser descoberta per l'astrònom William Herschel a l'octubre del 1784. La galàxia té una magnitud de 10, per la qual cosa cal utilitzar un telescopi per veure-la lluny de qualsevol font de contaminació lumínica. En condicions ideals, es pot distingir el carril fosc central de la galàxia. El cel nocturns de tardor a l'hemisferi nord proporcionaran la millor visió. A l'hemisferi sud, s'ha de buscar Caldwell 23 a la primavera.
Clic per engrandir. Crèdit: Imatge en raigs X: NASA/CXO/University College London/ W. Dunn et al; Imatge òptica: W.M. Keck Observatory
Els astrònoms han detectat per primera vegada raigs X procedents d'Urà, utilitzant l'observatori de raigs X Chandra de la NASA, com es mostra en aquesta imatge de març de 2021. Aquest resultat pot ajudar als científics a conèixer millor aquest enigmàtic planeta gegant de gel del nostre sistema solar.
Urà és el setè planeta des del Sol i té dos conjunts d'anells al voltant del seu equador. El planeta, que té un diàmetre quatre vegades superior al de la Terra, gira sobre el seu costat, el que el fa diferent de tots els altres planetes del sistema solar. Atès que la Voyager 2 va ser l'única nau espacial que ha passat per Urà, els astrònoms depenen actualment de telescopis molt més propers a la Terra, com el Chandra i el telescopi espacial Hubble, per conèixer aquest planeta distant i fred que està compost gairebé del tot d'hidrogen i heli.
En el nou estudi, els investigadors van utilitzar les observacions de Chandra preses d'Urà el 2002 i de nou el 2017. Van veure una clara detecció de raigs X a la primera observació, un cop analitzada, i un possible emissió de raigs X en les obtingudes quinze anys després.
Aquesta imatge ha estat considerada per la NASA el 4 de juny del 2021, com la seva imatge del dia.
Clic per engrandir. Existeix el xacalop?. Crèdit: Thomas Grunfeld, Google Arts & Culture
En aquest nou capítol del gabinet de curiositats, coneixerem una criatura mítica: el xacalop. Deixeu-vos endur per la seva història.
Criptozoologia: (del grec "Κρυπτός", ocult, "ζῷον", animal i "λόγος", estudi). Estudi d'animals l'existència dels quals no s'ha demostrat científicament, només es testimonia mitjançant testimonis o la interpretació de pistes discretes.
Aquí portem un cas molt curiós de criptozoologia. Entre la infinitat de disciplines pseudocientífiques que de vegades afecten la raó i el sentit comú, sembla que és la que més s’assumeix pel que és: Una pseudociència. Per descomptat, sempre hi haurà persones que intentin demostrar l’existència del ieti o del monstre del llac Ness, però per a molts, la criptozoologia és una oportunitat per lliurar-se a un exercici de biologia especulativa, per combinar coneixement i imaginació per donar a llum tot tipus de monstres i quimeres per diversió.
Els orígens del xacalop
Entre aquests críptids hi ha el xacalop: una "fearsome critter" (terrible criatura) que ha perseguit el folklore nord-americà durant dècades. Si no n’heu sentit a parlar mai, és probable que ja n'hàgiu vist una representació. El seu nom és un mot combinat que combina els termes anglesos jackrabbit (llebre) i antelope (antílop), però no el confongueu amb la Lepus alleni o llebre d’antílops, una autèntica espècie de leporidae amb grans orelles que habiten les zones desèrtiques d’Arizona i Mèxic. No, el xacalop és una bèstia totalment diferent. Als taxidermistes els agrada donar-li forma de llebre amb cornamuses de cérvol.
Clic per engrandir. Exemple de xacalop dissecat. Crèdit: Nedra, Flickr
Les representacions de llebres cornudes apareixen a l’edat mitjana, entre d’altres el naixement del wolpertinger a Baviera. Recordeu que el seu origen pot ser degut menys a la confabulació que a veritables observacions dels segles XVI al XVIII, el terme Lepus Cornutus (Llebre banyuda) fa la seva entrada als tractats científics, però nosaltres hi tornem un moment. Per la seva banda, el xacalop esperarà molts segles abans de veure la llum del dia, el 1934 (o 1932, segons fonts) a la ciutat de Douglas, Wyoming.
Clic per engrandir. "La llebre". Modificació a l'aquarel·la d'Albrecht Dürer, que representa una de les aparences que pot prendre el wolpertinger. Crèdit: Thomas Grunfeld
Els joves germans Herrick, Ralph i Douglas, d’uns deu anys, tornen triomfants de la caça. Portant amb ells una magnífica llebre que van deixar al taller familiar abans de dur-la a la cuina per sopar amb els seus pares. Al seu retorn, les restes han caigut del banc i ara es troben al costat d'un parell de corns de cérvol. La mirada de Douglas s’il·lumina i el noi exclama: "Muntem-lo així!". El seu treball de taxidèrmia és tan reeixit que Roy Ball compra el trofeu de la paròdia per només 10 dòlars i el mostra al vestíbul del seu hotel LaBonte. És un èxit rotund. Douglas es converteix en el "lloc de naixement del xacalop", els germans Herrick fan fortuna venent les seves quimeres als turistes,i la resta, com es diu, ja és història.
No és tanta fantasia...
Què pensar d’aquest divertit animal que ha poblat la imaginació durant segles? Si el kraken té el seu calamar gegant i el monstre del llac Ness la seva anguila, podria ser que el xacalop tingui la seva pròpia explicació científica? Mitjançant una divertida combinació de circumstàncies, la resposta ens la donen el 1933, al mateix temps que els germans Herrick creen el nostre criptidi. Aleshores, diversos caçadors d'Iowa van informar d'observar durant les seves expedicions conills amb cornamenta o, almenys, amb estranys creixements marrons al cap.
L’investigador Richard Edwin Shope (a qui li devem el descobriment de l’origen viral de la grip) ho va investigar i fa un descobriment sorprenent. En analitzar les protuberàncies que surten de la boca i el coll d’aquests exemplars fascinants, conclou que estan afectats per carcinomes queratinitzants a causa d’un virus del papil·loma que ara porta el seu nom (SPV per al virus del papil·loma de Shope). Aquest estudi és una de les primeres descripcions de tumors causats per un virus en un mamífer, però també inesperadament, la clau d’un misteri a punt de néixer.
Clic per engrandir. Exemple de conill americà amb virus del papil·loma de Shope. Crèdit: Heather A. York
Avui en dia, molt poques persones creuen encara en l’existència del xacalop. La petita ciutat de Douglas continua venent llicències i trofeus de caça a turistes que volen fer veure que han perseguit els llegendaris Leporidae. Però si voleu veure-ho almenys una vegada amb els vostres propis ulls, us convido a buscar-lo entre els ammonits i els pots de formalina que seuen als prestatges de més d’un gabinet de curiositats.
I onze! Tornem d'aquí pocs dies amb un nou capítol del Gabinet de curiositats. Crèdit: nosorogua, Adobe Stock, Futura
