Dossier Cosmologia 3: Origen de la matèria fosca o la manca de massa

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.

Un dels descobriments més importants de l’astrofísica contemporània, per les seves conseqüències fonamentals en la cosmologia i la física de partícules, va ser la demostració que existia un tipus de matèria, diferent de la "matèria ordinària" que coneixem, i que jugava un paper essencial en el cosmos. Es tracta de la "matèria fosca".

La matèria fosca, és va batejar així perquè no emet radiacions electromagnètiques, i només es detecta pels seus efectes gravitacionals.

Clic per engrandir. La part visible de les galàxies seria només una minúscula part
immersa en un gran halo de matèria fosca? Aquí, la galàxia M51, una galàxia espiral
clàssica situada a la constel·lació dels llebrers, acompanyada de NGC 5195. © NASA i ESA, DP

Zwicky i la matèria fosca o la falta de massa

La idea de la matèria fosca (parlem aleshores de massa desapareguda o massa oculta) va esclatar amb l'obra de l'astrònom suís Zwicky a la dècada de 1930. Aquest últim, estudiant la dinàmica de les galàxies situades dins del cúmul de galàxies Coma, a la constel·lació de la Cabellera de Berenice, volia entendre per què les velocitats de les galàxies d’aquest cúmul tenien valors molt elevats (tornarem a aquesta qüestió més endavant). 

De fet, aquesta qüestió de la matèria fosca com a component de l’Univers ha crescut considerablement en les últimes dècades. Ara podem evocar tres grans qüestions d’astrofísica, encara no resoltes satisfactòriament, per les quals l’existència d’aquesta matèria fosca seria una resposta comuna coherent:

- la primera pregunta tracta de galàxies espirals i la seva rotació;
- la segona es refereix a la velocitat de les galàxies i la presència d'arcs gravitacionals dins dels cúmuls de galàxies;
- la tercera fa referència al fabulós destí de les galàxies, el seu origen i la seva evolució.

El centre del cúmul de la galàxia Coma es troba a la constel·lació de la Cabellera
de Berenice, a una distància de 100 megaparsecs (Mpc). Va ser determinant la massa
d'aquest cúmul amb les mesures de la velocitat d'algunes galàxies que Zwicky va prendre
consciència del problema de la "massa que falta". © Imatge CFHT

La velocitat de gir de les galàxies es mesura mitjançant l'efecte Doppler

Examinem primer el cas de les galàxies espirals de les quals farem servir una propietat important: el fet que estiguin animades per un moviment de rotació sobre elles mateixes. Aquesta propietat es coneix a través d’un efecte físic que es troba habitualment a la vida ordinària: l’efecte Doppler.

Dues galàxies espirals observades a l’espectre visible, una des de la part frontal
(esquerra), l’altra pel lateral (dreta). Observem un bulb central amb una alta densitat
d’estrelles envoltat d’un disc prim format de braços en espiral. © Imatges CFHT

Sovint es pren com a exemple la situació següent per explicar l'efecte Doppler: imagineu-vos un observador immòbil a la vora d'una via de tren. Constata que el so produït per un tren canvia de to quan s’acosta i s’allunya d’ell. El so, primer agut fins que el tren passa per davant de l'observador, després es torna més greu tan bon punt el tren ha passat.

En termes físics, l'efecte Doppler és una modificació de la freqüència (o de forma equivalent de la longitud d'ona) de l'ona (de so o un altre) emesa per un objecte en moviment (com el tren). La propietat important de l'efecte Doppler és que la variació en la freqüència (o la longitud d'ona) condueix a la mesura directa de la velocitat de l'objecte en relació amb l'observador.

Si les galàxies no emeten una ona sonora, emeten una radiació lumínica que no és altra que una ona (electromagnètica), per tant també sotmesa a l'efecte Doppler. És gràcies a aquest efecte que, observant la llum emesa per les galàxies, detectem i mesurem la seva velocitat de rotació sobre elles mateixes (vegeu la imatge a sota).

Quan la galàxia espiral gira sobre si mateixa, la radiació enviada per la part que va
cap a l'observador que es troba a la part inferior de la figura es desplaça cap al blau (bleu).
Aquesta radiació es desplaça cap al vermell (rouge) per la part que s’allunya d’ella. © DR

Una galàxia espiral sembla, com a primera aproximació, ser similar a un sistema solar, les estrelles del disc girant al voltant de la bombolla central de l’espiral, tal com els planetes giren al voltant del Sol (vegeu la imatge a sota).

Els planetes giren al voltant del Sol, que representa la major part de la massa del Sistema Solar. © DR

Si aquesta analogia és vàlida, segons l’astrònom J. Kepler basant-se en la llei de la gravitació establerta per Newton, hauríem d’esperar una disminució de la velocitat a mesura que augmenta la distància al centre (aquesta és l’anomenada llei de la "decadència Kepleriana"), tal com ho observem amb la velocitat dels planetes al nostre Sistema Solar.

Velocitat dels diferents planetes del Sistema Solar en funció de la seva distància amb el Sol.
Aquesta velocitat disminueix amb la distància, aquest fet és conegut com la
"disminució kepleriana". © DR

Tanmateix, el que observem en realitat és una corba plana (vegeu el gràfic següent).

 

Els punts de la part superior (amb les barres d’error de mesura) representen la velocitat

mesurada en funció de la distància fins al centre de la galàxia i donen la corba de
rotació observada. La corba de punts és la corba de rotació prevista per la contribució
en massa de les estrelles a la galàxia. La corba de guions aporta la contribució d'un halo
esfèric de matèria fosca. La corba contínua (a dalt) té en compte el conjunt de totes les
aportacions i està d’acord amb les observacions. © DR

Les galàxies estan fetes de matèria fosca?

Aquesta contradicció continua sent un dels enigmes més irritants de l’astrofísica moderna. Entre les explicacions més plausibles, com ara, per exemple, que les lleis de la gravitació es poden modificar en aquestes escales (la gravitació és objecte de verificacions experimentals permanents. La llei de Newton actualment està ben verificada en escales que van des de 0,1 mm a 10¹⁶ m), la hipòtesi adoptada suposa que la part visible de les galàxies és només una part reduïda immersa en un gran halo de matèria fosca, matèria fosca de la que l’origen i la naturalesa encara són parcialment incompresos i sobre la que hi retornarem més endavant.

Aquest resultat ja és revolucionari per si mateix, però el que potser ho és encara més, és que la massa d’aquest halo negre seria aproximadament entre 5 i 10 vegades la de la part visible dels icebergs que després són les galàxies (vegeu imatge a continuació)

L’estudi de la rotació de les galàxies espirals demostra que la part visible d’aquests
objectes és només la punta de l’iceberg del que seria l’halo de matèria fosca. © DR

Una possible alternativa a la hipòtesi de la matèria fosca seria assumir que de fet la dinàmica de les galàxies espirals no està ben entesa i, per tant, la seva corba de rotació està mal interpretada. Però la solució al problema no sembla estar en aquesta direcció.

Com s'ha esmentat anteriorment, ja des del 1930, l'astrònom Zwicky no va poder tenir en
compte les velocitats mesurades al cúmul de galàxies Coma. Aquestes velocitats són la
conseqüència del camp gravitacional intern del cúmul, camp global creat per les masses
dels centenars de galàxies que hi ha. © DR (NdT: La frase significa: Déu meu, que es ben cert)

Aquestes velocitats són doncs un reflex de la massa total del sistema i aquesta massa és a priori igual a la suma de les masses de totes les galàxies individuals, a la que cal afegir la massa del gas calent intra-cúmul del que en Zwisky no n'era conscient. Podem estimar les masses de les galàxies mateixes com la massa de totes les seves estrelles (com a primera aproximació, considerarem la massa de cada estrella igual a la d’una estrella típica com el Sol ).

Però els comptes no surten! La comparació dels càlculs amb les mesures revela que falta massa. La massa total calculada com la de les estrelles, les galàxies i el gas és insuficient per tenir en compte les velocitats observades. De nou, per compensar el dèficit de massa, s’ha d’invocar una gran quantitat de massa oculta o de matèria fosca.

Els miratges gravitacionals induirien a la presència de la matèria fosca

Durant els anys vuitanta va aparèixer una cridanera confirmació d’aquest dèficit massiu amb el descobriment d’arcs gegantins observats al cor dels cúmuls de galàxies. Quin és l’origen d’aquests arcs?

Com veurem una mica més tard, la relativitat substitueix a la força gravitatòria generada per una massa de pertorbació local de l’espai. Les trajectòries de les partícules que passen pels voltants de la massa en qüestió són desviades. En relativitat general, aquest efecte s'aplica a totes les partícules, inclosos els fotons, que són les partícules associades a la radiació electromagnètica.

En aquest diagrama, veiem que els raigs de llum emesos per una font llunyana es desvien
per la presència de la massa del deflector (o lent). Aquí es representen dos d’aquests raigs que,
en lloc d’anar en línia recta, es corben. Així poden arribar a un observador, donant-li la impressió
que aquests raigs són emesos des de dues fonts diferents. Si la font i la lent s’alineen perfectament,
el conjunt de raigs desviats forma llavors, per raons de simetria, un anell anomenat "anell
d’Einstein". © DR

En conseqüència, els raigs de llum enviats per un astre llunyá (estrella, galàxia ...) a un observador seran desviats per la matèria situada al camí d’aquests raigs de llum. Aquestes galàxies o estrelles pertorbadores en aquest cas tenen el paper de deflector o lent (vegeu la foto inferior). Passarà que els raigs de llum que no haurien d'haver arribat a l'ull de l'observador es corbin de manera que ho aconseguiran, creant un efecte miratge. Per raons de simetria, preveiem, en cas d’alineació perfecta font-lent-observador, la formació d’imatges circulars per aquestes lents gravitacionals. A més de la distorsió de les imatges, l'efecte de les lents gravitacionals produeix una amplificació de la brillantor de l'estrella llunyana. Així, es poden utilitzar cúmuls de galàxies com a telescopis gravitacionals, permetent observar galàxies molt llunyanes, difícils de detectar d'una altra manera.

Aquest efecte miratge no és només una conjectura purament teòrica i la imatge de sota del cúmul de galàxies A2218 és, sens dubte, una de les imatges més belles que obté el HST. Així, en aquesta fotografia, cada petita estructura lineal o circular és la "imatge" (en el sentit de l'òptica ordinària) de galàxies molt allunyades del cúmul, deformada i amplificada per la massa de la matèria continguda en aquest cúmul.

Clic per engrandir. Imatge del HST del clúster de galàxies A2218. Cada petita estructura
lineal o circular és la "imatge" de galàxies molt allunyades del cúmul, deformada i
amplificada per la massa de la matèria que conté aquest cúmul. Crèdit: Hubble (HST)

Però el fet sorprenent, a més de la seva bellesa, és que, per explicar i tenir en compte aquests efectes de miratge còsmic, és necessari acudir al cúmul, per tenir en compte les velocitats de les galàxies, la presència d’una quantitat dominant de matèria fosca!

L’origen de les galàxies no es podria entendre sense la matèria fosca

Així, la noció de matèria fosca sembla necessària donat el dèficit en el càlcul de la massa obtinguda a partir del contingut visible de galàxies o cúmuls, en comparació amb la massa total d’aquestes mateixes galàxies o cúmuls, massa deduïda de la seva dinàmica o de l'efecte "miratge".

Finalment, la noció de matèria fosca sembla necessària per una tercera raó, que es refereix al fabulós destí de les galàxies, i en particular, al seu origen. D'on provenen les galàxies i els cúmuls que poblen el cosmos? On i quan neixen? Quins van ser els processos en la seva construcció? Aquestes preguntes continuen obertes i els astrofísics encara intenten respondre-les. No obstant això, hi ha escenaris que, en un esquema ampli, donen compte de l’origen de les galàxies i la seva evolució posterior.

Tot i que el diagrama detallat encara no és complet, ara sembla inevitable un resultat. Sembla, de fet impossible, en l’estat actual del nostre coneixement, comprendre com apareixien les galàxies, les estrelles, els planetes i la vida (la matèria que veiem) sense assumir l’existència de matèria fosca, de la que el seu origen es remunta a l’univers primordial!

La matèria fosca pot frustrar l'expansió de l'Univers?

Un estudi en profunditat demostra que la matèria fosca, en una proporció molt superior a la de la matèria ordinària (també anomenada barionària), és capaç, per efecte de la seva pròpia gravitació, de crear agregats bastant massius de matèria (a diferència de la matèria ordinària que ho fa en quantitat insuficient) per contrarestar eficaçment, en un moment donat, l’expansió de l’Univers, expansió que tendeix a diluir la matèria inexorablement.

Aquests primers agregats (o halos negres) tindrien temps per veure augmentada suficientment la seva massa per coalescència amb els seus veïns, abans que l’expansió no els allunyés inevitablement uns dels altres.

Així, es formarien les primeres estrelles que es faran lluminoses una vegada que la matèria ordinària s'hagués condensat.




- Capítol anterior: Breu història de la cosmologia

- Capítol següent: Cosmos, un univers en expansió

 

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

Els tsunamis dels quàsars que fugen a través de les galàxies

Usant les capacitats úniques del Telescopi Espacial Hubble de la NASA, un equip d'astrònoms ha descobert els fluxos de sortida més energètics mai vistos en l'univers. Emanen dels quàsars i s'esquincen a través de l'espai interestel·lar com tsunamis, causant estralls en les galàxies a on viuen els quàsars.

Els quàsars són objectes celestials extremadament remots, que emeten quantitats excepcionalment grans d'energia. Els quàsars contenen forats negres supermassius alimentats per matèria absorbida que poden brillar 1.000 vegades més que les seves galàxies amfitriones amb centenars de milers de milions d'estrelles. 

A mesura que el forat negre devora la matèria, el gas calent l'envolta i emet una intensa radiació, creant el quàsar. Els vents, impulsats per la radiació abrasadora pressionen el veïnatge del forat negre, empenyent matèria lluny del centre de la galàxia. Aquests fluxos de sortida s'acceleren fins arribar a velocitats impressionants que són un petit percentatge de la velocitat de la llum.

"Cap altre fenomen porta més energia mecànica. Al llarg de la vida de 10 milions d'anys, aquests fluxos de sortida produeixen un milió de vegades més energia que un esclat de raigs gamma", va explicar l'investigador principal Nahum Arav del Virgínia Tech a Blacksburg, Virgínia. "Els vents estan empenyent centenars de masses solars de matèria cada any. La quantitat d'energia mecànica que porten aquests fluxos de sortida és fins a diversos centenars de vegades més gran que la lluminositat de tota la Via Làctia".

Clic per engrandir. Aquesta és una il·lustració d'una galàxia distant amb un quàsar actiu
al seu centre. Un quàsar emet quantitats excepcionalment grans d'energia generada
per un forat negre supermassiu alimentat per la matèria que absorbeix. Usant les
capacitats úniques del Telescopi Espacial Hubble, els astrònoms han descobert que
la radiació abrasadora pressiona al veïnatge del forat negre empeny matera lluny
del centre de la galàxia a una fracció de la velocitat de la llum. Els "vents dels
quàsars" impulsen centenars de masses solars de material cada any. Això afecta a
tota la galàxia, ja que el material es converteix en gas i pols. Crèdit: NASA, ESA i J. Olmsted (STScI)

Els vents del quàsar escombren a través del disc de la galàxia. El material que d'altra manera hauria format noves estrelles és escombrat violentament de la galàxia, causant el cessament del naixement d'estrelles. La radiació empeny el gas i la pols a distàncies molt més grans del que els científics pensaven, creant un esdeveniment al llarg de tota la galàxia.

A mesura que aquest tsunami còsmic xoca contra el material interestel·lar, la temperatura al front de xoc s'eleva a milers de milions de graus, on el material brilla enormement en els raigs X, però també en tot l'espectre de la llum. Qualsevol que sigui testimoni d'aquest esdeveniment veurà una brillant exhibició celestial. "Rebràs molta radiació primer en els raigs X i gamma, i després es filtrarà a la llum visible i infraroja", va dir Arav, "tindries un enorme espectacle de llum com els arbres de Nadal a tota la galàxia".

Simulacions numèriques de l'evolució de galàxies suggereixen que aquests fluxos poden explicar alguns trencaclosques cosmològics importants, com ara per què els astrònoms observen tan poques galàxies grans en l'univers, i per què hi ha una relació entre la massa de la galàxia i la massa del seu forat negre central. Aquest estudi mostra que aquests poderosos fluxos de quàsar haurien de prevaler en l'univers des de fa molt temps.

"Tant els teòrics com els observadors han sabut durant dècades que existeix algun procés físic que atura la formació d'estrelles en les galàxies massives, però la naturalesa d'aquest procés ha estat un misteri. Incloure els fluxos observats en les nostres simulacions resol aquests destacats problemes en l'evolució galàctica", va explicar l'eminent cosmòleg Jeremiah P. Ostriker de la Universitat de Columbia a Nova York i la Universitat de Princeton a New Jersey.

Els astrónoms van estudiar 13 fluxos de quàsar, i van ser capaços de registrar la velocitat vertiginosa del gas que s'accelera pel vent del quàsar mirant les "empremtes" espectrals de la brillant llum del gas. Les dades ultraviolades del Hubble mostren que aquestes característiques d'absorció de llum creades a partir de la matèria al llarg de la trajectòria de la llum, van ser desplaçades en l'espectre a causa del ràpid moviment del gas a través de l'espai. Això es deu a l'efecte Doppler, en què el moviment d'un objecte comprimeix o estira les longituds d'ona de la llum depenent de si s'acosta o s'allunya de nosaltres. Només el Hubble té el rang seleccionat de sensibilitat ultraviolada que permet als astrònoms obtenir les observacions necessàries per a aquest descobriment.

A més de mesurar els quàsars més energètics mai observats, l'equip també va descobrir un altre flux de sortida que s'accelera més ràpid que qualsevol altre. Es va incrementar de al voltant de 43 milions de milles per hora a aproximadament 46 milions de milles per hora en un període de tres anys. Els científics creuen que la seva acceleració continuarà augmentant amb el temps.

 Clic per engrandir. El telescopi espacial Hubble.

"Les observacions ultraviolades del Hubble ens permeten seguir tot el rang de sortida d'energia dels quàsars, des del gas més fred fins a l'extremadament calent i altament ionitzat en els vents més massius", va afegir el membre de l'equip Gerard Kriss de l'Institut Científic del Telescopi Espacial a Baltimore, Maryland. "Anteriorment només eren visibles amb observacions de raigs X molt més difícils. Aquests poderosos fluxos de sortida poden donar noves idees sobre el vincle entre el creixement d'un forat negre supermassiu central i el desenvolupament de tota la seva galàxia amfitriona".

L'equip també inclou a l'estudiant de postgrau Xinfeng Xu i a l'investigador de postdoctorat Timothy Miller, tots dos del Virginia Tech, així com a Rachel Plesha de l'Institut de Ciència del Telescopi Espacial. Els resultats es van publicar en una sèrie de sis articles al març de 2020, i a un número especial de The Astrophysical Journal Supplements.

El Telescopi Espacial Hubble és un projecte de cooperació internacional entre la NASA i la ESA (Agència Espacial Europea). El Centre de Vol Espacial Goddard de la NASA a Greenbelt, Maryland, administra el telescopi. L'Institut Científic del Telescopi Espacial (STScI) porta a terme les operacions científiques del Hubble. El STScI és operat per a la NASA per l'Associació de Universitats per a la Recerca en Astronomia, a Washington, D.C.

Ho he vist aquí

Seguiu les tribulacions d’Atlas, un cometa molt prometedor

Clic per engrandir. El cometa Mc Naught per sobre de l'Observatori del Paranal,
al gener del 2007. Crèdit: S. Deiries, ESO

Descobert fa quatre mesos, la brillantor de C / 2019 Y4 (Atlas) augmenta més ràpidament del previst. A aquest ritme, el podrem observar a simple vista a l’abril. 

El cometa Atlas s’amaga cada cop menys a la nit. I això és força normal perquè l’estel gelat, actualment a uns 160 milions de quilòmetres de la Terra, s’acosta ràpidament al Sol. Per als astrònoms aficionats, ara és molt més fàcil observar-ho i els astrofotògrafs estan encantats de trobar-lo cada vespre, i son testimonis de la seva creixent lluminositat.

Aquesta és una bona representació del constant brillantor de l'estel ATLAS Y4 en els
darrers 15 dies. Això no és un esclat, sinó un la  brillantor normal quan el cometa s'acosta al Sol.

Amb una magnitud 8, aquest 17 de març del 2020, ja es podia veure a simple vista, almenys amb un parell de prismàtics. Segons els experts, més a prop del Sol, cap a finals de maig, podria augmentar la seva brillantor.

#Comet C/2019Y4 ATLAS Crèdit: Gerald Rhemann, 18 Març de 2020 Eichgraben, Lower Austria

Observeu el cometa Atlas!

Si voleu seguir el seu recorregut a la nit, podeu cercar-lo aquests dies entre la parella de galàxies M81, M82 i 23 Ursae Majoris, l'estrella que representa l'orella de la Gran Osa (vegeu la imatge a continuació). En les properes nits, la podreu seguir cap a la constel·lació de la girafa (Cameleopardis).

Recordem que C / 2019 Y4 (Atlas), descobert a finals de l'any passat, porta la mateixa òrbita que C / 1844 Y1 també coneguda com "Grande comète e 1844". No s’exclou, doncs, que puguin estar relacionats i, qui sap?, que Atlas tingui la mateixa sort.

El cometa Atlas assenyala la punta del nas prop del morro de la Gran Osa el 17 de març. © SkySafari

 Hola Cometa! C / 2019 Y4 Atles, 16 de Març 22.40 UT. 26x5min filtre blau 11 "/2.2 RASA
Asi 1600 cs Michael Jäger

L'astronomia nocturna és una altra opció d'entreteniment segura, així que el cometa C / 2019 Y4 (ATLAS) ha aparegut en un moment bastant oportú! Segueix brillant, tot i que encara no a simple vista, com es veu (a dalt a l'esquerra) en aquesta impressionant foto de Rolando Ligustri (via https://spaceweather.com)

Ho he vist aquí.

Dossier Cosmologia 2: Breu història de la cosmologia

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. 

Descobreix aquí una breu història de la cosmologia que et permetrà comprendre millor com la ciència, davant de noves preguntes, pot conèixer canvis profunds i provocar una interrupció de les teories o models actuals (com va ser el cas per exemple amb la relativitat i la física quàntica ).

Les ruptures intel·lectuals amb les maneres de pensar anteriors obren la majoria dels avenços insospitats de la disciplina que es consideri. A més, sovint generen conceptes nous, fins i tot en humanitats i filosofia.  

Clic per engrandir. Al llarg de la seva història, la cosmologia ens ha portat a qüestionar
el lloc de l’home a l’univers. © UKT2, DP

Cosmologia: de la filosofia a la ciència

Aquests canvis s’han produït i s’estan produint en escales de temps extremadament variables: mil·lennis i segles en el passat, però ara tot s'accelera i només ens calen unes dècades.

La cosmologia, l'objecte d'estudi de la qual és l' Univers considerat com un tot, ha passat en un segle del seu estatus "metafísic" al de la ciència per si mateixa, alliberant-se de la seva closca immemorial de mites i llegendes.

Copèrnic

Les revolucions provocades pel progrés de l'astronomia i la cosmologia han estat essencials, no només en termes purament científics, sinó també per a allò que aporten al lloc de l'home en aquest cosmos que explora. Hi pot haver altres revolucions fonamentals en marxa i d'això en parlarem més endavant.

La revolució copernicana

La primera revolució copernicana va ser el rebuig del geocentrisme (la Terra no és al centre de l’Univers), una revolució que es va anar expandint a poc a poc amb l’acceptació de la banalitat del nostre planeta, de la nostra estrella (el Sol) i de la nostra Galàxia (la Via Làctia), persones anònimes entre milers de milions d’altres persones dins del cosmos.

 Slipher

Les obres de Slipher, Humason i Hubble

Aleshores, vam haver d’adonar-nos, amb l’obra de Slipher, Humason i Hubble, que vivíem en un univers en expansió, de 14 mil milions d’anys.

Humason (esquerra) i Hubble (dreta). © DP

El progrés de la cosmologia

Aleshores es va fer un altre pas en adonar-se que la matèria que constitueix el nostre entorn diari a totes les escales és només una ínfima part de la matèria de l’Univers.

Finalment, aquesta matèria, coneguda amb el nom de "negre", només seria una fracció minoritària del contingut Energia-Matèria (des de que Einstein i la seva famosa relació E = mc², sabem que la matèria i la energia són equivalents) i que governa l’expansió de tot el cosmos.

Aquesta expansió s’acceleraria sota l’acció d’una energia de naturalesa desconeguda anomenada “energia fosca”. Les conseqüències del descobriment de l’excel·lent expansió de l’Univers podrien revolucionar no només la física més fonamental, sinó també una vegada més, la visió del nostre lloc a l’Univers.


- Capítol anterior: Quin és el nostre lloc a l'Univers?
- Capítol següent: Origen de la matèria fosca o manca de massa

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

Catàleg Charles Mesier. Objecte M77

Clic per engrandir. Crèdit: Hubble NASA/ESO

Descoberta per Pierre Méchain el 1780.

Quan Pierre Méchain va descobrir aquest objecte el 29 d'octubre de 1780, el va descriure com una nebulosa. Charles Messier el va incloure amb el Nº 77 en el seu catàleg el 17 de Desembre de 1780, i erròniament el va classificar com un cúmul amb nebulositat, potser per la presència d'estrelles en primer pla, o possiblement confonent alguns dels seus nòduls amb estrelles tènues. M77 és una de les primeres galàxies espirals en ser reconegudes, i registrada per Lord Rosse com una de les 14 "nebuloses espirals" descobertes fins al 1850.

Aquesta magnífica galàxia és una de les més grans del Catàleg de Messier, la seva part brillant abasta uns 120.000 anys llum, però les seves extensions més tènues (visibles per exemple en la imatge DSSM) arriben potser fins a prop dels 170.000 anys llum. La seva aparença és la d'una magnífica espiral amb amplis braços estructurats, que a la regió interna mostren una població estel·lar certament
jove, però a l'allunyar-se del centre són dominats pel color groguenc llis d'una població estel·lar vella.

M77 està a uns 60 milions d'anys llum de distància, aproximadament la mateixa distància però en una altra direcció que el Raïm de Verge, i s'allunya de nosaltres a uns 1.100 km/s, com va ser mesurat en primer lloc per Vesto M. Slipher de l'Observatori Lowell al 1914; va ser la segona galàxia amb un corriment al vermell considerable després de la galàxia Barret, M104 (El Catàleg de Galàxies properes de R. Brent Tully dóna un valor menor per la distància, 47 milions d'anys llum, i els valors en altres fonts s'estenen amunt i avall del valor per al Raïm de la Verge, els valors més elevats poden fer de M77 l'objecte Messier més llunyà).

En les seves investigacions sobre les velocitats rotacionals del disc intern, EM Burbidge, GR Burbidge i KH Prendergast (1959) van trobar que el disc intern de M77 està inclinat 51 graus sobre la línia de visió. Ells van estimar la massa del disc intern en 27 mil milions de masses solars, mentre que la massa total de la galàxia ha de ser de l'ordre d'un bilió de masses solars.

Aquesta galàxia és única i peculiar per diverses raons. Primer, el seu espectre mostra trets peculiars en forma d'àmplies línies d'emissió, indicant que els núvols gegants de gas es mouen ràpidament fora del nucli galàctic, a uns 100 km/seg. Aquest tret va ser descobert primer per Edward A. Fath de l'Observatori Lick el 1908, qui va identificar sis línies d'emissió del "tipus Nebulosa Planetària" (H Beta, [O II] 3727, [N III] 3869, [O III ] 4363, 4959, 5007), confirmades per Vesto M. Slipher a l'Observatori Lowell en un espectre molt millor de 1917, i particularment esmentada per Edwin P. Hubble en el seu històric article sobre "nebuloses extragalàctiques" de 1926. Això classifica a M77 com una galàxia Seyfert de tipus II (les galàxies Seyfert del tipus I exhibeixen totes una gran velocitat d'expansió de diversos milers de km/seg); es tracta del representant d'aquesta classe de galàxies actives més propera i brillant. Aquesta classe destacable de galàxies s'anomenen pel seu descobridor, Carl K. Seyfert, que va ser el primer a descriure-les el 1943.

Aquesta imatge ultravioleta del Hubble sondeja el brillant i actiu nucli de M77.

Les fluctuacions de brillantor en aquesta regió impliquen que una enorme
quantitat d'energia està sent alliberada des d'una font oculta al nucli de la
galàxia. El candidat més probable és un forat negre supermassiu. Crèdit: NASA, ESA

Es requereix una enorme font d'energia per a generar aquesta velocitat, que ha d'estar en el nucli de la galàxia. Aquest ha resultat ser una font intensa de ràdio, com va descobrir Berbard Yarnton Mills el 1952 i la va designar com Cetus A, llistant-la com 3C 71 al Third Cambridge Catalogue of Radio Sources. S'ha investigat òpticament amb el Telescopi Espacial Hubble. Investigacions en infraroig amb el telescopi de 10 metres de Keeck efectuades per astrònoms de Caltech han revelat una font intensa d'aparença puntual, amb menys de 12 anys llum de diàmetre, i envoltada per una estructura allargada de 100 anys llum d'extensió (una concentració de estrelles o de matèria interestel·lar); aquestes estructures no són aparents en les imatges del Hubble en llum visible. D'un temps ençà s'ha sabut que M77, igual que altres galàxies Seyfert, és una font brillant en l'espectre infraroig.

Van ser Donald E. Osterbrook i RAR Parker el 1965 els que van oferir la hipòtesi que els nuclis actius de les galàxies Seyfert podrien considerar quàsars (fonts de ràdio quasi-estel·lars) en miniatura, d'acord amb Burnham. Aquest punt de vista ha quedat confirmat per la investigació durant més d'una dècada: probablement tots els tipus de galàxies de nuclis actius (AGNs sigles en anglès), incloent les de nucli Seyfert, ràdio galàxies, quàsars, objectes BL Lacertae, i altres, tenen la mateixa causa física, un objecte central supermassiu que acumula matèria gasosa del seu entorn. La varietat de fenòmens observats és simplement conseqüència de diferents angles de visió i diferents velocitats del subministrament de material que cau en els objectes.

En el cas de M77, s'ha trobat que l'objecte central responsable de l'activitat Seyfert té una massa de prop de 10 milions de masses solars, mitjançant observacions d'IR des de Caltech. Radioastrònoms de l'Observatori Nacional d'Astronomia de Ràdio (NRAO) i el radiotelescopi de 100 metres de diàmetre de l'Institut Max Planck per a la Radioastronomia de Effelsberg, Alemanya van trobar un disc gegant d'uns 5 anys llum de diàmetre que orbita aquest objecte, el qual conté molècules d'aigua. 

En el disc intern de M77 que envolta el nucli actiu, a prop de el centre actiu, MF Walker ha trobat emissió nebular amb velocitats d'expansió considerables. S'ha trobat intensa activitat de formació estel·lar en una barra interior, com s'ha vist mitjançant el Telescopi d'Imatges Ultraviolada durant la missió Astro-1 de la Llançadora Espacial. Aquestes regions de formació estel·lar estan entre les més brillants conegudes, i potser es tracti de les més lluminoses dins d'una distància de 100 milions d'anys llum de nosaltres.

M77 és el membre dominant d'un petit grup físic de galàxies, que inclou les NGC 1055 (tipus Sb) i 1073 (tipus SABC), així com les UGC 2161 (DDO 27, tipus Im), 2275 (DDO 28, tipus Sm - designant un tipus morfològic comprès entre espirals i irregulars, i 2302 (DDO 29, tipus Sm), i la galàxia irregular UGCA 44 i l'espiral barrada Markarian 600. Les NGC 1087 (Sc), 1090 (S-), i 1094 (OS -) són galàxies de fons properes en aparença, com indica el seu desplaçament al vermell molt més gran (Informació de Burnham, Tully, i el Sky Catalogue 2000.0).

M77 pot trobar-se fàcilment a 0,7 graus ESE de l'estrella de 4a magnitud Delta Ceti. La seva part central de 2 minuts d'arc domina la vista d'aquesta galàxia espiral gairebé de front, en qualsevol telescopi d'afeccionat, i mostra detalls destacables amb altes ampliacions en instruments grans. NGC 1055 se situa a uns 0,5 graus NNO de M77, i és visible com un fus de 3' de llarg, alineat aquest a oest, i magnitud prop de 10,6. La NGC 1073 de 11a magnitud està a prop d'1º NNE de M77, un disc de front de 5' de diàmetre, amb una barra prominent de 2x1' estesa en una posició d'uns 60 graus.

M77 al web del SEDS

Índex del Catàleg Messier del blog

Dossier: Cosmologia: quin és el nostre lloc a l’Univers?

No, la Terra no és al 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. 

Situat a les afores de la galàxia que l’acull (la Via Làctia ), el nostre Sol és només una estrella entre els centenars de milions de milions d’altres estrelles que formen el rastre blanc tan visible a les nits d’estiu. La nostra galàxia és ella mateixa només un individu ordinari entre els milers de milions d’altres galàxies que observem a l’Univers. Però el més sorprenent és que aquestes observacions només revelen la cara visible d’un univers real dominat per la matèria fosca i l’energia fosca, hipòtesis que fan que Copèrnic sigui cada cop més contemporani.

Hi ha alguna cosa més magnífica que el cel d’una nit d’estiu ? Podeu buscar, feliçment, les línies que  tracen els estels fugaços, o contemplar-los sense esgotar-se la brillantor dels milers de milions d'estels de la Via Làctia. 

Hi ha imatges més boniques que les dels planetes del nostre sistema solar, enviades per sondes espacials durant el seu viatge? Tot i així, aquestes imatges són en part enganyoses! El cosmos que ens revelen és només una part reduïda de l'univers real.

És aquesta realitat la que intentarem aprendre recordant primer el paper fonamental de l’astronomia i la cosmologia en l’evolució de les idees científiques i filosòfiques.

Clic per engrandir. La Via Làctia vista des de la Terra. Imatge obtinguda mitjançant
l'assemblatge de fotografies que cobreixen tota l'esfera celeste. La majoria d’aquestes
fotos van ser preses a l’Observatori Europeu Meridional (ESO) del Monte Paranal
i a La Silla, Xile. El panorama final correspon a 120 hores d’observació, repartides
en diverses setmanes. © S. Brunier, ESO, CC per 4,0

Explora l’Univers

L’aspecte enganyós de les belles imatges del cosmos no es deu a la limitació dels nostres sentits habituals. Com que els nostres ulls només són sensibles a una part minúscula ("el camp visible") de l'espectre electromagnètic, la tecnologia actual ens permet explorar aquest espectre en la seva totalitat, des del domini radiofònic fins als raigs gamma.

Malgrat aquests mitjans extraordinaris, la major part de la massa, que provoca la rotació d’estrelles en galàxies espirals o miratges gravitacionals dins de cúmuls de galàxies, roman indetectable. Aquesta “massa oculta” només es manifesta mitjançant la seva acció gravitatòria.

Amb el descobriment de molts planetes extrasolars, el nostre Sistema Solar ha perdut
l'honor de ser una "estrella" per quedar-se a prop de l’anonimat. © Calvin J. Hamilton

Els secrets de la cosmologia

La matèria fosca, de 5 a 10 vegades més abundant que la matèria visible, també té un paper insubstituïble en el mecanisme de formació de les grans estructures de l’univers, les galàxies i els cúmuls, dels que les parts visibles s’ofereixen als nostres ulls.

El model Big Bang s'ha convertit en l'estàndard de la cosmologia i compta amb èxit (juntament amb molts altres fenòmens) per a l'expansió de l'Univers, una expansió revelada per "la fugida de les galàxies".

Enfortits per aquests èxits, els cosmòlegs van tenir, tanmateix, una important sorpresa, amb la descoberta de l’acceleració de l’expansió còsmica quan, en el model estàndard dominat per la matèria fosca, deuria d'alentir-se.

Per interpretar aquest nou fenomen, sembla inevitable que els físics i els cosmòlegs invoquin una "energia fosca", un possible fòssil de les fases quàntiques de l'univers primordial.

La recerca d’aquesta matèria fosca i aquesta energia fosca, que representaria al voltant del 95% de la matèria i l’energia total de l’Univers, és sens dubte, un dels eixos de recerca més actuals i segurament un dels més emocionants de la cosmologia i la física fonamental. Hi participen laboratoris, inclòs el laboratori d’astrofísica de Marsella (LAM).

- Dossier Cosmologia 2: Breu història de la cosmologia

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

Per què és eficaç el sabó contra el coronavirus?

Amb la propagació de l’epidèmia Covid-19, l’OMS i Salut Pública han publicat normes per limitar-ne la propagació. Entre aquestes, el rentat de mans és segurament el més senzill, però també el més efectiu. A continuació s’explica com el sabó elimina el virus.

Des de l’inici de l’epidèmia de coronavirus, la primera mesura d’higiene recomanada és rentar-se les mans regularment amb aigua i sabó. El coronavirus s’excreta del cos mitjançant micro gotes que contenen virions infecciosos durant un esternut o tos. Si, per acte reflex, posem la mà davant de la boca, també està contaminada i estem contaminant!

El telèfon, el pom de la porta i, especialment, la mà d’una persona estimada, tot allò que toquem pot ser contaminat i participar en la propagació de la malaltia. Però, un gest tan senzill com rentar-se les mans a fons i regularment limita la seva propagació? La resposta és que sí, aixó funciona.

Com el sabó neutralitza els virus

El sabó s’obté d’una barreja d’àcid gras i una base forta (hidròxid de sodi o potassi). Les molècules que la composen són amfífiliques i la seva estructura es pot comparar amb la d'una agulla. El cap del passador és hidròfil mentre que la tija està composta per una llarga cadena d’àcid gras hidrofòbic.

La coberta d'alguns virus s'assembla a aquestes micel·les. Els virus embolicats prenen en préstec un tros de membrana de cèl·lules infectades, que també consisteix en fosfolípids, amfípàtics, a més d’altres proteïnes víriques, en particular les necessàries per a la infecció (proteïna S). Els coronavirus, però també els virus de la grip, el VIH i altres, tenen un embolcall lipídic. També hi ha virus sense embolcall anomenats virus nus.

A l’aigua, les molècules amfípàtiques poden romandre lliures o formar micel·les, una mena de bombolla on les molècules amfípàtiques s'organitzen de manera que el seu cap hidròfil està en contacte amb l’aigua i les cues hidrofòbiques al centre.

Quan ens rentem les mans, la cua hidrofòbica de les molècules lliures de sabó intenta evitar l’aigua, llavors s’uneix a l’embolcall lipídic del virus i el desorganitza. Un virus sense un embolcall lipídic funcional deixa de ser infecciós!

El sabó també permet trencar els enllaços químics no covalents (enllaços hidrofòbics i enllaços d'hidrogen) que permeten mantenir els microorganismes units a les superfícies. Les micel·les poden envoltar les restes de la membrana i arrossegar-la amb l'aigua quan s'esbandeix.

El coronavirus es pot resumir de la manera següent: un genoma envoltat per una membrana
lipídica que també conté proteïnes. Les molècules de sabó semblen petites punxes amb un cap
hidròfil i una cua hidrofòbia. En unir-se a la membrana lipídica del virus, les molècules
de sabó la desorganitzen. Les molècules de sabó organitzades en micel·les envolten
les restes que seran eliminades durant l’esbandida. © Jonathan Corum i Ferris Jabr,The New-York Times. Traducció al català: Sci-Bit

Els passos adequats per rentar-se les mans amb eficàcia

Perquè aquest rentat sigui eficaç al 100%, heu de seguir unes normes publicades per l’Organització Mundial de la Salut:

- mullar-se les mans completament

- ensabonar-se les mans durant trenta segons com a mínim: recordeu de fregar els palmells de les mans fins al canell, entre els dits i les ungles.

- esbandir-se les mans

- aixugar-se ben seques les mans amb una tovallola neta o d’un sol ús.
- tancar l'aixeta amb una tovallola

L’ideal seria rentar-se les mans després de freqüentar un lloc col·lectiu, després d’haver estat en contacte amb una persona malalta o una superfície potencialment contaminada, abans i després de menjar.

Les solucions hidroalcohòliques es poden utilitzar per ajudar a algú o quan no es disposa de sabó. Contenen alcohol i tenen un efecte similar al sabó, però no són tan efectius. Desinfecten però no netegen les mans. A més, alguns tenen agents antibacterians que no tenen cap efecte sobre els virus.  

Com rentar-se les mans segons la OMS.

Ho he vist aquí