Quines són les principals forces que regeixen el nostre univers?

Dossier: 10 preguntes essencials sobre l’Univers

La física sempre ha tingut l’ambició d’explicar la diversitat de la realitat per part d’una unitat subjacent. Una llei explica la caiguda de les pomes i el moviment de la lluna , una altra explica l’electricitat i el magnetisme. Agrupant diversos fenòmens en descripcions úniques, els físics han aconseguit reduir-ho tot a quatre grans classes de fenòmens, governats per quatre forces anomenades "interaccions fonamentals".

Simulació de la desintegració d’un bosó de Higgs. © Lucas Taylor, Cern,
Wikimedia Commons, CC 3.0. Clic a la imatge per engrandir.

La gravitació explica la gravetat, la caiguda dels cossos, però també les marees, les trajectòries de la Lluna, els planetes, les estrelles i les galàxies, fins i tot l’expansió de l’ Univers. Està molt ben descrita per la teoria de la relativitat general d'Einstein.

Clic a la imatge per engrandir. Les quatre interaccions fonamentals (gravetat, electromagnetisme,
interaccions fortes i febles), conegudes avui al nostre univers a baixa temperatura (part inferior
del diagrama) es podrien unir progressivament a una energia i una temperatura molt elevades,
pujant així cap al Big Bang (part superior del diagrama). La primera unificació (fusió de la força dèbil i l'electromagnetisme en la força electrofeble) es va dur a terme experimentalment al CERN. © Domini públic.

• L’electromagnetisme reuneix tots els fenòmens elèctrics, magnètics i lluminosos, les reaccions químiques o la biologia, de fet, gairebé tots els fenòmens de la vida quotidiana, a part de la gravetat. Es descriu perfectament per la teoria electromagnètica de Maxwell.

• La interacció forta explica la cohesió dels nuclis atòmics, per tant la mateixa existència del material que coneixem. Es descriu per la teoria de la cromodinàmica quàntica.
  
  
• La interacció feble provoca la desintegració radioactiva de les partícules subatòmiques i permet la fusió termonuclear dins de les estrelles. 

 Aquestes dues últimes interaccions no van ser evidents fins a mitjan segle XX, quan es va començar a comprendre l’estructura dels nuclis atòmics. S’anomenen “nuclears” perquè només s’exerceixen al nivell de nuclis atòmics; per tant, són de molt curt abast. D'altra banda, la interacció gravitatòria (la influència de la qual és minúscula a escala microscòpica) i la interacció electromagnètica són de rang infinit, la seva intensitat disminueix amb la distància.

Cap a una teoria anomenada Gran Unificació

Quatre interaccions per explicar tots els fenòmens físics, és poc. Però encara és massa per als teòrics a la recerca d’unitat. Voldrien reduir aquest nombre. Per exemple, les quatre interaccions fonamentals serien aspectes o nivells diferents d’una mateixa realitat que es podrien caracteritzar a un nivell més profund, és a dir, expressat per una sola teoria “unitària”.

Els treballs dels anys 80 han descrit amb èxit la interacció electromagnètica i la interacció feble pel mateix formalisme; la força única resultant s’anomena “electrofeble”. El famós bosó de Higgs-Englert, descobert el 2012 al Cern, era una de les prediccions últimes d'aquesta teoria unificada. S'espera poder unir un dia aquesta última amb la interacció forta dins d’una teoria anomenada Gran Unificació. L’objectiu final seria també incorporar la gravetat en un patró coherent i s’estan fent molts intents, de moment encara no assolits, com les diverses teories de cordes.

Accedir a l'índex del blog sobre el dossier "10 preguntes essencials sobre l'Univers" fent un clic aquí.

Autor de l'original: Jean-Pierre Luminet

Ho he vist aquí.

Catàleg Charles Messier. Objecte M48

Clic a la imatge per engrandir

Descobert el 1771 per Charles Messier.

El cúmul obert Messier 48 (M48, NGC 2548) és un cúmul obert visible al cap de la estesa constel·lació de la Hidra, gairebé a la seva frontera amb l'Unicorn.

Aquest cúmul obert va ser descobert per Charles Messier i catalogat per ell mateix el 19 de febrer de 1771. No obstant això, ja que va cometre un error en la compilació de dades, li va atorgar una posició errònia en el seu catàleg de manera que l'objecte va romandre perdut fins que Oswald Thomas el va identificar el 1934, i independentment TF Morris ho va fer el 1959. La identificació de M48 per Oswald Thomas va ser confosa per alguns historiadors, que han denunciat equivocadament que l'objecte que ell havia identificat era M47. Mentre M48 estava perdut, dos redescubrimients independents van tenir lloc: Primer, Johann Elert Bode aparentment el va trobar en o abans de 1782, i segon, Caroline Herschel independentment el va redescobrir el 8 de març de 1783; aquest descobriment posterior va ser publicat pel famós germà de Carolina, William Herschel, qui el va incloure al seu catàleg de H VI.22, l'1 de febrer de 1786.

M48 és un objecte bastant notable i ha de poder ser vist per l'ull nu sota bones condicions. Els binoculars més petits, o telescopis, mostren un grup d'unes 50 estrelles més brillants que la magnitud 13, sent el nombre total d'almenys 80. El nucli més concentrat s'estén sobre els 30 minuts d'arc, mentre els seus voltants arriben als 54', corresponents a un diàmetre lineal de 23 anys llum a una distància de 1.500 anys llum (calculada per Malles/Kreimer i Kenneth Glyn Jones, mentre que l'Sky Catalog 2000 calcula 2.000 anys llum). M48 va ser classificat com a tipus Trumpler I,2,m (Sky Catalog 2000), I,2,r (Glyn Jones) o I,3,r (Götz).

L'edat de M48 va ser estimada en una quantitat al voltant de 300 milions d'anys, l'estrella més calenta és de tipus espectral A2 i magnitud 8,8; la seva lluminositat és d'unes 70 vegades la del Sol. M48 a més conté 3 gegants grogues de tipus espectrals G-K.

M48 al web del SEDS

Índex del catàleg Messier del blog

 

Observeu com un forat negre distorsiona l’espai-temps

Clic per engrandir. Crèdit: NASA

Si es troba en el món d’objectes fascinants, es tracta de forats negres i els investigadors de la NASA ens conviden avui, 40 anys després del treball pioner de Jean-Pierre Luminet, a descobrir una simulació d'un d’ells. Imatges sorprenents que mostren com la gravetat pot afectar el camí de la llum i influir en la manera de veure el món.

La gravetat distorsiona el temps. Ho va dir Einstein i sobre aquest increïble modelat d’un forat negre proposat per investigadors de la NASA, el fenomen finalment apareix clarament. Aquí, la llum no es mou en línia recta, com és habitual. La seva trajectòria està totalment distorsionada sota l’efecte de la gravetat extrema que regna al voltant d’aquest forat negre.

Aquesta modelització dels investigadors de la NASA també revela com regions diferents del disc d’acreció es poden veure afectades de forma diferent. Almenys segons l’angle en què observem el forat negre en qüestió. 

Així, vist des del costat, l’objecte pren una forma especialment deformada, doblement corbada al seu centre. Sota l'efecte de la gravetat, les regions més allunyades del disc d'acreció (aquest disc de matèria, calent i prim, que gira entorn del forat negre) apareixen per sobre del forat negre. Les regions del disc d'acreció es fan visibles sota el forat negre.

A l’esquerra, el disc d’acreció del forat negre apareix més brillant. Perquè per aquest costat, els gasos se'ns apropen tan ràpidament pels efectes relativistes –ja previstos per Einstein– que augmenten la seva lluminositat. A l’altra banda, està passant el contrari. Però aquesta asimetria desapareix quan mirem el disc des del davant. Des d’aquest punt de vista, de fet, cap matèria es desplaça dins del nostre camp de visió.

Aquesta animació proposa una revolució completa al voltant d’un forat negre simulat i
el seu disc d’acreció seguint un camí perpendicular al disc. El camp gravitatori extrem
del forat negre redirigeix ​​i distorsiona la llum que prové de diferents parts del disc,
però el que veiem depèn del nostre angle de visió. La distorsió més significativa es produeix
quan veiem el sistema seccionat. © Centre de Vol Espacial Goddard de la NASA, Jeremy Schnittman.

Tot és qüestió del punt de vista 

Certes zones del disc d’acreció formen una mena de nusos que s’il·luminen i apaguen a mesura que els camps magnètics enrotllen i deformen la matèria. Més a prop del forat negre, els gasos orbiten a velocitats properes a la de la llum mentre giren una mica més tranquil·lament en zones més llunyanes. Estirant i tallant els nusos de llum per convertir-los en línies clares i fosques.

Quan ens acostem al forat negre, la distorsió de la llum sota l'efecte de la gravetat esdevé tan important que la part inferior del disc d'acreció, igual que les seves regions més llunyanes, ens apareix sota la forma d'un anell de llum que sembla delimitar el forat negre. El que els astrònoms anomenen anell de fotons. Que envolta la zona fosca de l'objecte, anomenada ombra del forat negre. 

Aquest anell en veritat, està compost de diversos anells, cada cop més prims i discrets, formats per la llum després que hagi girat dues, tres o més vegades al voltant del forat negre. I és la forma esfèrica escollida per al forat negre modelat aquí que li dona un aspecte gairebé circular, sigui quin sigui el nostre angle de visió.

Simulacions visionàries

Com ha explicat Jean-Pierre Luminet diverses vegades i amb molts detalls sobre les versions francesa i anglesa del bloc que Futura ha posat a la seva disposició, va ser el primer a finals dels anys setanta a computar per ordinador l'aspecte visual d’un forat negre envoltat d’un disc d’acreció.

 

Una il·lustració de Jean-Pierre Luminet a partir dels resultats d’una simulació informàtica

que mostra l’aparició d’un forat negre envoltat d’un disc d’acreció.
L’efecte Doppler produït pel material calent girant la fa més brillant quan ens apropa a
una fracció notòria de la velocitat de la llum i, al contrari, la fa gairebé fosca a mesura que
s’allunya (dreta). El camp gravitatori del forat negre és tan fort que els raigs de llum del
disc que hi ha darrere del forat negre es dobleguen cap a l'observador i que podem veure
aquest disc per sobre del forat negre. © Jean-Pierre Luminet, Galeria fotogràfica del CNRS

Una simulació numèrica més avançada basada en càlculs en relativitat general
de l’aspecte d’un forat negre envoltat d’un disc d’acreció calent. Va ser creat
per l'astrofísic Jean-Alain Marck el 1991. Extret del documental "Infiniment courbe".
© Autors: Laure Delesalle, Marc Lachieze-Rey, Jean Pierre Luminet.
Directora: Laure Delesalle. Producció: CNRS/Arte, França (1994)

Ho he vist aquí.

L’univers, una màquina que viatja en el temps?

El radiotelescopi ALMA (acrònim de les sigles en anglès de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), localitzat a una alçada de 5.000 m al desert d'Atacama, a Xile, capta els senyals de ràdio des de molt lluny, emesos fa milers de milions d'anys per les primeres galàxies de l'univers jove. Perquè mirar lluny al cel, és mirar al passat...

La llum té una velocitat finita (uns 300.000 km/s), i triga un temps a arribar-nos. Així, els nostres ulls mai veuen el món tal i com és, sinó com era en el passat. Per al nostre entorn immediat, aquest retard no té conseqüències, excepte filosòficament. La diferència horària a una escala tan petita només es pot mesurar amb instruments de gran precisió.

És molt diferent en astronomia. Així, doncs, la Lluna és a una mitjana de 380.000 km de nosaltres i, per tant, la llum que ens envia triga una mica més d’un segon en arribar-nos. Direm que la lluna està a aproximadament a 1 segon llum. El Sol, a 8 minuts de llum: així que el veiem tal com era fa 8 minuts.

ALMA observa les primeres galàxies de l’univers

Les estrelles estan molt més lluny, a anys llum de distància i les altres galàxies estan més lluny. La més propera a la nostra Via Làctia, anomenada Andròmeda, es troba a 2,55 milions d’anys llum. Per més lluny, les distàncies es mesuren en milers de milions d’anys llum. Observar-les és, doncs, mirar molt al passat. Com que l’univers té 13.7 mil milions d’anys, veiem les galàxies més llunyanes com eren al principi de la història del nostre món: van ser les primeres que es van formar, cosa que ens informa sobre l'edat jove de l’univers.

Tot i això, el senyal que ens arriba és molt feble. Per altra banda, per l'efecte Doppler-Fizeau, aquesta radiació es desplaça cap a les longituds d'ona llargues i és en el camp de les emissions de radio que obté els majors resultats. És per això que els astrònoms han construït radio telescopis i els han volgut cada vegada més i més grans, com l' ALMA de l'Agència Espacial Europea, ESA. Aquest vast conjunt de 66 plats parabòlics de 12 m de diàmetre, situat a uns 5.000 m d’altitud a l’alt altiplà del desert d’Atacama a Xile, és tan sensible que pot recollir senyals des de les primerenques edats de l’univers.

Ho he vist aquí

 

Catàleg Charles Messier. Objecte M47

Descobert abans de 1654 per Giovanni Batista Hodierna.

El cúmul obert Messier 47 (M47, NGC 2422) és un cúmul gruixut i brillant que es pot veure com una nebulosa tènue a simple vista en bones condicions d'observació.

M47 va ser descobert abans de 1654 per Hodierna qui el va descriure com "una nebulosa entre els dos cans"; aquest fet, però, va romandre en secret fins a 1984 quan el seu llibre va sortir a la llum. Així que Charles Messier va descobrir aquest cúmul independentment el 19 de Febrer de 1771, i el va descriure com un cúmul d'estrelles més brillants que aquelles de l'objecte aparentment veí M46. Però Messier va cometre un error de transcripció en calcular la posició de M47, pel que va ser un objecte perdut fins a 1959 quan va ser identificat per TF Morris (al costat del també perdut M48). Diversos historiadors han reportat que M47 havia estat identificat prèviament per Oswald Thomas en 1934, però això és possiblement una confusió amb la identificació d'aquest autor de M48. Com a conseqüència de l'error de Messier, William Herschel també ho va redescobrir independentment el 4 de Febrer de 1785, i li va donar el nombre H VIII.38.

La posició errònia de Messier va perdurar en molts catàlegs, incloent el GC de John Herschel (com GC 1594) i el NGC de Dreyer (NGC 2478), encara que no hi havia objecte, o com va afirmar John Herschel (en les seves notes del GC), "aquest cúmul no ha estat tornat a observar. És probablement molt pobre i dispers".

El cúmul obert M47 és un cúmul brillant que es pot albirar amb l'ull nu sota bones condicions com una tènue nebulositat. És un voluminós cúmul d'estrelles brillants, i conté prop de 50 estrelles en una regió de 12 anys llum de diàmetre, en la porció central, la densitat estel·lar és d'unes 16 estrelles per parsec cúbic mentre que la densitat mitjana de tot el cúmul és només de 0,62 estrelles per parsec cúbic, segons Wallenquist (segons cita Kenneth Glyn Jones). La seva distància està prop de 1.600 anys llum (els valors varien entre 1.560 i 1.750 anys llum), de manera que les estrelles de M47 semblen escampades per una àrea del cel de la mateixa mida de la lluna plena, 30 minuts d'arc. El tipus Trumpler del cúmul es dóna discordantemente com II,3,m (Glyn Jones), I,3,m (Götz), i III,2,m (Sky Catalog 2000). L'estrella més brillant és de classe espectral B2 i de magnitud 5,7, la població total s'assembla a la de les Plèiades. També conté dos gegants K ataronjades, cadascuna amb lluminositat aproximadament 200 vegades la del Sol. Sky Catalog 2000 calcula una edat de 78 milions d'anys per a aquest eixam estel·lar que es troba allunyant-se de nosaltres a 9 quilòmetres per segon.

La brillant estrella més propera al centre de la fotografia que obre el post és la bella doble Sigma 1121, amb dos components de magnitud 7,9 i separats per 7,4 segons d'arc.

M47 al web del SEDS

Índex del catàleg Messier del blog

Els moviments nocturns de NICER exploren els raigs X del cel

Clic a la imatge per engrandir. Crèdit imatge: NASA/NICER

En la imatge que obre aquesta entrada, nombrosos arcs d'escombrat semblen congregar-se en diverses regions brillants. Potser et preguntes: Què s'està mostrant?; Rutes de trànsit aeri?, Informació movent-se per l'Internet global?, Camps magnètics en bucle a través d'àrees actives en el Sol?

De fet, aquest és un mapa de tot el cel en raigs X gravat per l'instrument NICER (sigles en anglès d'Explorador de la Composició Interna de les estrelles de neutrons) de la NASA, un instrument útil a bord de l'Estació Espacial Internacional. Els principals objectius de NICER requereixen que apunti i rastregi fonts còsmiques a mesura que l'estació orbita la Terra cada 93 minuts. Però quan el Sol es pon i la nit cau en el lloc orbitat, l'equip NICER manté els seus detectors actius mentre l'instrument gira d'un objectiu a un altre, la qual cosa pot ocórrer fins a vuit vegades en cada òrbita.

El mapa inclou dades dels primers 22 mesos d'operacions científiques del NICER. Cada arc rastreja raigs X, així com impactes ocasionals de partícules energètiques, capturades durant els moviments nocturns del NICER. La brillantor de cada punt de la imatge és el resultat d'aquestes contribucions, així com el temps que NICER ha passat mirant en aquesta direcció. Una brillantor difusa impregna el cel de raigs X fins i tot lluny de les fonts brillants.

La imatge de tot el cel mostra 22 mesos de dades de raigs X enregistrades pel NICER de la NASA a bord de l'Estació Espacial Internacional durant el seu son nocturn entre objectius. NICER freqüentment observa els blancs més adequats per a la seva missió principal (radi i massa dels púlsars) i aquells a on els polsos regulars són ideals per a l'experiment Station Explorer for X-ray Timing i Navigation Technology (SEXTANT). Un dia podrien formar la base d'un sistema similar al GPS per navegar pel sistema solar. 

Els arcs prominents es formen perquè NICER sovint segueix les mateixes trajectòries entre els objectius. Els arcs convergeixen en punts brillants que representen els objectius més populars de NICER; les ubicacions d'importants fonts de raigs X que la missió controla regularment.

"Fins i tot amb un processament mínim, aquesta imatge revela el circuit de la Nebulosa del Cigne, (M17, Nebulosa Omega), un romanent d'una supernova d'uns 90 anys llum de diàmetre i que es creu que té entre 5.000 i 8.000 anys d'antiguitat", va dir Keith Gendreau, investigador principal de la missió al Centre de Vol Espacial Goddard de la NASA a Greenbelt, Maryland. "Estem construint gradualment una nova imatge de raigs X de tot el cel, i és possible que els escombrats nocturns del NICER descobreixin fonts desconegudes".

La missió principal de NICER és determinar la mida de les denses restes d'estrelles mortes transformades en estrelles de neutrons, i que algunes les veiem com púlsars, amb una precisió del 5%. Aquests mesuraments permetran finalment als físics resoldre el misteri de quina forma de matèria existeix en els seus nuclis increïblement comprimits. Els púlsars, estrelles de neutrons que giren ràpidament i que semblen "pulsar" llum brillant, són ideals per a aquesta investigació, i són alguns dels objectius regulars de NICER.

L'instrument NICER de la EEI sense les plaques d'aïllament tèrmic.
Clic per engrandir. Crèdit imatge: NASA/Keith Gendreau.

Altres púlsars visitats amb freqüència són estudiats com a part de l'experiment Station Explorer for X-ray Timing i Navegació Technology (SEXTANT) de NICER, que utilitza el temps precís dels polsos de raigs X de púlsars per determinar autònomament la posició i velocitat de NICER a l'espai. És essencialment un sistema GPS galàctic. Quan maduri, aquesta tecnologia permetrà a les naus espacials navegar per tot el sistema solar, i més enllà. 

Descàrrega aquí les imatges en alta resolució des de l'Estudi de Visualització Científica de la NASA a Goddard.

Ho he vist aquí.

Tetis; encallat en els anells

Clic a la imatge per engrandir

Com una gota de rosada penjant d'un full, Tetis sembla estar enganxat als anells A i F de Saturn des d'aquesta perspectiva en aquesta imatge del 2014 de la missió Cassini. Durant més d'una dècada, Cassini va compartir les meravelles de Saturn i la seva família de llunes gelades, portant-nos a mons sorprenents on els rius de metà desemboquen en un mar de metà i on els dolls de gel i gas llancen material a l'espai des d'un oceà de aigua líquida que podria albergar els ingredients per a la vida.

La lluna de Saturn Tetis (660 milles, o 1.062 quilòmetres de diàmetre), de la mateixa manera que les partícules de l'anell, està compost principalment de gel. El buit en l'anell A a través del qual Tetis és visible és el buit de Keeler, que es manté serè gràcies a la petita lluna Dafnis (no visible aquí), un dels dos satèl·lits pastors de Saturn, l'altre és Pan.

Aquesta vista mira cap a l'hemisferi de Tetis orientat cap a Saturn. El nord de Tetis és a dalt i girat 43 graus cap a la dreta. La imatge va ser presa en llum visible amb la càmera de gran angular de la sonda Cassini el 14 de juliol de al 2014.

Aquesta imatge ha estat considerada com a "Imatge del Dia" per la NASA el 24 de setembre del 2019.

Més articles sobre Saturn al blog, fent un clic aquí.

Crèdit de la imatge: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Ho he vist aquí.