Clic per engrandir. Imatge de C25. Crèdit: ESA/Hubble i NASA, S. Larsen et al.
Hi ha uns 150 cúmuls estel·lars globulars que recorren l'halo de la Via Làctia, que envolta la galàxia com una closca d'ou gegant i difusa. Però entre ells, Caldwell 25 és inusual. A diferència de la majoria dels cúmuls globulars, que són enormes núvols esfèrics d'estrelles velles que es creu que estan entre les més antigues de la galàxia, Caldwell 25 podria no ser de la nostra galàxia en absolut. Situat a uns 300.000 anys llum de la Terra, aquest cúmul es denomina de vegades "el vagabund intergalàctic" per la seva llunyania, fins i tot més que les majors galàxies satèl·lits de la Via Làctia, els Petits i Grans Núvols de Magalhães, que estan a uns 160.000 anys llum. Els científics han conjecturat que el cúmul pot formar part de les restes d'una petita galàxia que va ser capturada i pertorbada per la Via Làctia.
Caldwell 25 sembla ser bastant similar a altres grans cúmuls globulars, tot i que la seva extrema distància dificulta l'estudi i la comparació de les seves propietats amb altres cúmuls globulars de la Via Làctia. Normalment, totes les estrelles d'un cúmul globular són molt similars entre si quant a la seva composició, ja que solen formar-se en la mateixa zona general a partir dels mateixos materials. No obstant això, les observacions de Caldwell 25 realitzades pel Hubble apunten que la seva història és diferent.Aquest interessant cúmul alberga dos conjunts diferents d'estrelles gegants vermelles que tenen diferents quantitats de certs elements. Les gegantes vermelles són un tipus d'estrella que son el resultat quan una estrella de massa mitjana gasta el combustible que la manté cremant durant la major part de la seva vida. Un dels subconjunts de gegants vermelles de Caldwell 25, que es troba principalment en la regió central del cúmul, té una quantitat sorprenentment alta d'heli. Les diferències entre els dos grups han portat als científics a preguntar-se si les dues poblacions estel·lars es van formar juntes o començar com a grups individuals que després es van fusionar.
Caldwell 25 va ser descobert per l'astrònom William Herschel en la vigília d'Any Nou de 1788 i també està catalogat com NGC 2419. El cúmul és intrínsecament brillant, però sembla feble a causa de la seva llunyania. Té una magnitud de 10,4 i es troba en la constel·lació del Linx. En un telescopi d'aficionat típic, Caldwell 25 apareix com una brillantor circular suau i boirosa. A causa de la distància del cúmul, les estrelles individuals no es resolen fàcilment. L'observació sota cels clars d'hivern a l'hemisferi nord proporcionarà la millor oportunitat per veure Caldwell 25. Els observadors de l'hemisferi sud han de buscar-lo en el cel mirant al nord durant l'estiu.
Clic a la imatge per engrandir. El telescopi Hubble ha estat completament apagat durant diverses setmanes a causa d'una fallada de l'ordinador de bord. I ja no es podia reparar amb un transbordador espacial, com es mostra en aquesta imatge a dalt. Crèdit imatge: NASA, Smithsonian Institution, Lockheed.
El 24 d'abril de 2020, el telescopi espacial Hubble va celebrar el seu 30è any en òrbita estrenant una imatge mai vista abans de dues belles nebuloses anomenades NGC 2020 i NGC 2014. La Dra. Jennifer Wiseman, científica principal del projecte Hubble, ens porta a veure aquesta nova i impressionant imatge, descriu l'estat actual del telescopi i resumeix algunes de les contribucions del Hubble a l'astronomia durant els seus 30 anys de carrera. Crèdit Vídeo: NASA Goddard Space Flight Center. Crèdit: banda sonora: “Perpetual Twilight” de Christophe La Pinta [SACEM], Koka Media [SACEM], Universal Publishing.
La saga del Hubble encara no s’ha acabat. La NASA, després d’anunciar que creia entendre la naturalesa del problema que paralitzava durant setmanes el venerat telescopi espacial, ha realitzat fins ara les operacions que van conduir a la seva ràpida recuperació.
La NASA va donar a conèixer el 16 de juny de 2021 que s'havia detectat una parada completa de l'ordinador a bord del Hubble uns dies abans, concretament el diumenge 13 de juny, poc després de les 16 hores. En les setmanes següents, els enginyers de l'agència espacial nord-americana informarien regularment dels seus intents d’identificar l’origen d’aquesta aturada que va fer que el telescopi no pogués realitzar observacions mentre els seus instruments estaven en tan bones condicions de marxa com fos possible.
Amb el pas del temps, la preocupació va anar creixent, ja que no és possible enviar una missió a aquest ull de la noosfera en òrbita des del final del programa del transbordador espacial. Tanmateix, els dissenyadors del telescopi van romandre esperançats, ja que òbviament havien previst aquest tipus de problemes proporcionant a la màquina extraordinària components redundants que podrien prendre el relleu a elements defectuosos.
Un problema de caiguda de tensió
El 14 de juliol de 2021, la NASA va anunciar finalment per mitjà d’un comunicat de premsa que creia que finalment havia determinat amb precisió el problema de l’ordinador de bord. Estaria ubicat a la Unitat d’Instruments de Comandament i Gestió de Dades (SI C&DH) i, més exactament, al nivell de la unitat de control de potència (PCU) que subministra a l’ordinador de bord i a la seva memòria electricitat amb un voltatge de cinc volts. El protocol indica que si baixa aquesta tensió, s’espera que l’ordinador s’apagui. Tot i això, han fallat tots els intents de reinicialitzar la PCU.
Un recorregut virtual per la Sala de Control del Hubble, el Centre de Control d’Operacions del Telescopi Espacial al Goddard Space Flight Center de la NASA a Greenbelt, Maryland. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Georgina Chiou, Centre de Vol Espacial Goddard de la NASA.
Per tant, els enginyers de la NASA havien decidit iniciar el procediment de commutació a la còpia de l’ordinador de bord, és a dir, una altra còpia del Nasa Standard Spacecraft Computer-1 (NSSC-1) que es remunta als anys vuitanta del SXX. El procediment havia començat el 15 de juliol de 2021, ja que ja s’havien completat totes les proves dels procediments per al canvi i els exàmens associats, el Hubble hauria de poder tornar a fer observacions en pocs dies.
El 16 de juliol de 2021, un article de la famosa revista Science revela finalment un correu electrònic de Tom Brown, cap de la missió Hubble, enviat avui al personal del Space Telescope Science Institute : “El Hubble ha tornat!. El Hubble s’ha recuperat amb èxit en mode normal. Estic encantat de veure com el Hubble torna a explorar l'Univers”.
Un retorn a la normalitat aquest cap de setmana?
Un comunicat de la NASA confirma i aclareix aquestes declaracions el mateix dia. Una altra PCU, diferent de l’anterior i que subministrava específicament l’emergència NSSC-1, es va alimentar amb èxit per primera vegada. Les interfícies que connecten els diversos dispositius Hubble a aquest ordinador de bord d’emergència també han donat senyals de funcionament total i perfecte. Aquests altres dispositius que es van canviar sense problemes als sistemes de còpia de seguretat, els enginyers de la NASA van llançar el NSSC-1 en el qual van "carregar" el programa de gestió del telescopi espacial, assegurant el retorn del Hubble al mode de funcionament.
Les darreres operacions per avaluar el correcte funcionament del telescopi estan en curs i els enginyers també han iniciat el procés de recuperació dels instruments científics fora de la seva configuració en mode segur.
Segons el comunicat de la NASA, només haurien de passar dies abans que tornin a començar les observacions científiques.
Clic per engrandir. Il·lustració de l'Ingenuity en vol a la tènue atmosfera de Mart. Crèdit: NASA, JPL-Caltech.
Una vegada més, l’Ingenuity ha superat les expectatives inicials dels enginyers de la NASA. Pel seu novè vol sobre la superfície de Mart, es va separar del Perseverance per passar per alt les perilloses dunes.
L'helicòpter Ingenuity de la NASA va volar durant 166,4 segons a una velocitat de 5 m/s el 5 de juliol de 2021, el que el converteix en el vol més difícil fins ara. L'helicòpter Ingenuity de Mart també va "detectar un cor" en les petjades del rover Perseverance en el seu novè vol. Crèdit vídeo: Space.com. Imagery & audio courtesy: NASA/JPL-Caltech. Produced & edited by Steve Spaleta.
Fa uns dies que no teníem més notícies seves. Però avui la NASA ens informa que l’Ingenuity ha acabat amb èxit el seu novè vol sobre la superfície de Mart. Va ser la nit del diumenge 4 de juliol del 2021. Un vol que va permetre als enginyers avançar encara més en quin son els límits del seu helicòpter.
L'objectiu previst era efectivament, volar més temps (gairebé 167 segons), més ràpid (uns 5 metres per segon) i més que mai (625 metres). Però els equips de la NASA també volien provar l'adaptabilitat de l'algorisme de navegació de l'Ingenuity, en un "terreny hostil", com en diuen els enginyers.
Clic per engrandir. Comunicat a twitter. Crèdit: JPL-Caltech. Twitter.
Volant sobre una zona accidentada
Tot i que fins ara l’Ingenuity havia precedit al rover Perseverance en els seus moviments, els equips de la NASA van optar, aquesta vegada, per donar-li un bon avantatge. En fer-lo prendre una drecera. Passant per sobre d’una extensió escarpada que els astrònoms han anomenat "Séítah", que significa “enmig de la sorra” en llengua navajo.
La zona està formada per ondulacions de sorra amb pendents de vegades pronunciades i sovint canviants que són difícils d’explorar mitjançant un rover que es mou al terra de Mart. I per al qual el sistema de navegació d'Ingenuity tampoc no va ser dissenyat originalment. Però tot va anar bé per l’helicòpter. Fins i tot si aleshores va frenar una mica. Ara esperem impacientment la publicació de les imatges en color d’aquest novè vol que romandran als annals.
Clic per engrandir. Aquí es pot veure al tècnic de Ball Aerospace Larkin Carey retirant amb cura la "tapa de la lent" del subsistema òptic de popa que ha mantingut els sensibles instruments de l'observatori nets, lliures de contaminants i protegits de la llum paràsita durant tot el procés d'integració i prova. Crèdit de la imatge: NASA / Chris Gunn
Els enginyers han avançat considerablement en la comprovació de la sèrie final de proves del telescopi espacial James Webb de la NASA. Recentment s'han completat tres grans fites, de manera que el telescopi científic espacial més complex i potent mai construït està molt més a prop d'estar totalment preparat per al seu viatge d'un milió de milles fins la seva òrbita operativa. Aquests tres fites de les proves es descriuen a continuació:
Proves de muntatge de la torre desplegable: Completades
Aquesta torre telescòpica ajuda al Webb a mantenir super fredes les seves necessàries temperatures de funcionament, separant els seus miralls i instruments de la cara que mira al Sol, comparativament més càlida, i de la plataforma de la nau. Quan està completament desplegada, la torre arriba als tres metres de longitud, el que també proporciona el para-sol de l'observatori espai suficient per desplegar els seus complexos mecanismes. Recentment, aquesta torre es va estendre completament per última vegada en les proves, tal com ho faria un cop en l'espai. A continuació, els equips de proves van baixar la torre i la van fixar en el seu lloc per preparar el llançament a finals d'aquest any. La propera vegada que aquesta torre es desplegui serà quan Webb estigui a l'espai.
Clic per engrandir. Es pot veure els equips de proves treballant amb cura en una part crítica de l'observatori coneguda com el conjunt de la torre desplegable que ajuda al Webb a mantenir la seva temperatura de funcionament sota zero separant la seva òptica freda de la seva càlida nau. Crèdit: NASA/Chris Gunn
Coberta de l'AOS (subsistema òptic de popa): Retirada
Clic per engrandir. Crèdit: NASA
La "tapa de l'objectiu" del Webb ha estat retirada. Es pot veure un tècnic retirant amb cura el que es coneix com la tapa del subsistema òptic de popa del Webb. Aquesta important peça de protecció ha mantingut els instruments de l'observatori nets, lliures de contaminants i fora de perill de la llum paràsita mentre s'ensamblava i es preparava completament per al vol. Ara que el llançament està tan a prop, la coberta s'ha retirat per donar llibertat als enginyers per continuar amb l'embalatge de la resta de l'observatori en la seva formació de vol.
Estructura de paletes unificades: Estibada per al llançament
El para-sol del Webb, de la mida d'una pista de tennis, es plega perfectament per descansar sobre el que es coneix com a estructura de paletes unificades. Aquestes llargues estructures de suport formen part del complex mecanisme de plegat de l'observatori que li permet cabre amb prou feines dins d'un coet Ariane 5 per al seu llançament. Ara que s'ha retirat la tapa de l'objectiu de Webb, els enginyers han pogut acabar el procés de plegat de les paletes cap amunt en la seva configuració final pel llançament. A la imatge adjunta es poden veure les estructures de les paletes de Webb parcialment aixecades, però des de llavors han estat totalment aixecades i fixades en el seu lloc per al llançament a finals d'aquest any. Les proves es van realitzar en una sala blanca de Northrop Grumman a Redondo Beach, Califòrnia.
Clic per engrandir. Després de la retirada de la "tapa de l'objectiu" del telescopi espacial James Webb, els enginyers van poder plegar les llargues estructures de suport que mantenen el para-sol de l'observatori segur i protegit durant el transport i el desplegament. Crèdit: Northrop Grumman
El telescopi espacial James Webb serà el principal observatori científic espacial del món quan es llanci a finals del 2021. Webb resoldrà els misteris del nostre sistema solar, mirarà més enllà, a mons llunyans al voltant d'altres estrelles, i investigarà les misterioses estructures i orígens del nostre univers i el nostre lloc en ell. Webb és un programa internacional dirigit per la NASA amb els seus socis, l'ESA (Agència Espacial Europea) i l'Agència Espacial Canadenca.
En aquest nou capítol del gabinet de curiositats, analitzem la primera calculadora de la història, inventada al segle XVII per un famós filòsof. Comencem aquesta nova història.
Clic per engrandir. Una versió de la pascalina. Crèdit: Musée des Arts i Métiers.
El món està escrit en llenguatge matemàtic? La naturalesa és un llibre escrit en llenguatge matemàtic, les lletres del qual són triangles, cercles i altres figures geomètriques, segons Galileu. Tot i que són pràctiques i efectives per explicar fenòmens, les matemàtiques no són tan poderoses. Vídeo en francès.
Ens agradi o no Blaise Pascal, hem de reconèixer que probablement és un dels precursors de l’horror còsmic, inclòs HP Lovecraft que es va convertir en el portador de la torxa a principis del segle XX. Mentre que un segle abans que ell, Giordano Bruno es meravella de la immensitat del cosmos que percep en somnis, Pascal per la seva banda confessa: “L’etern silenci d’aquests espais infinits m’espanta". Com a resultat, la seva filosofia, tenyida de profunda tristesa i barrejada amb la por, poques vegades el converteix en el favorit dels estudiants de secundària. I, tanmateix, els joves estudiants que érem –o encara ho som– li devem molt. Perquè Blaise Pascal no és ni més ni menys (si volem creure els historiadors) que l’inventor de la primera calculadora mecànica de la història.
Blaise Pascal: un jove científic brillant
Si conservem especialment la seva obra filosòfica i teològica, és erroni, perquè es pot afirmar que Blaise Pascal és sobretot un home de ciències: un matemàtic, un físic i un inventor que dóna nom a la unitat. Ofereix vies de reflexió sobre què constitueix el mètode científic. Un nen brillant, va participar des de ben petit en els intercanvis que el seu pare va mantenir amb Roberval, Pierre Gassendi o fins i tot René Descartes. Amb només onze anys, va publicar un Tractat de sons. El seu pare li va ordenar suspendre els seus estudis de ciències fins als 15 anys, el moment per aprendre llatí i grec, però l'any següent, el seu fill es va dedicar a l'aprenentatge de la geometria i va publicar el seu assaig sobre les còniques als 16 anys.
El lector impacient segur que es preguntarà si és absolutament necessari resseguir tota la vida de Pascal fins arribar al tema que avui ens interessa. Es pot tranquil·litzar: només fan falta dos anys perquè el jove prodigi decideixi abordar el disseny de la pascalina, una màquina de calcular el primer exemple de treball del qual acaba el 1642, quan Pascal acaba de celebrar el seu aniversari. Originalment, Blaise inventa el dispositiu per ajudar el seu pare, recentment nomenat superintendent d’Alta Normandia pel cardenal Richelieu i responsable de rectificar les seves finances. Però els seus contemporanis triguen poc a percebre el potencial d’aquest invent, cosa que obre el pas a l’era del càlcul mecànic i després electrònic.
Un llarg procés de disseny
La pascalina, com molts invents, no va sortir del no res, sinó que forma part del llinatge d’un conjunt d’eines de càlcul que prenen les seves fonts (possiblement) fa més de 22.000 anys, amb l'os d’Ishango. Des de llavors, l’àbac, l’astrolabi i la regla de càlcul s’han succeït, cosa que ha permès calcular nombres cada vegada més llargs amb una velocitat cada vegada més gran (el mateix podòmetre va tenir un paper en el desenvolupament d’una addició). En temps de Pascal, la regla de càlcul circular d'Oughtred, inventada el 1630, dominava el món de la ciència i l'enginyeria.
Clic per engrandir. Regla de càlcul circular. Crèdit: Wikimedia
Però el món comptable, per la seva banda, es basa principalment en calculadores humanes que utilitzen sistemes de fitxes per fer els seus comptes, amb la dificultat addicional que el sistema monetari encara no és decimal (una lliura té 20 sous, cadascun dels quals compta amb 12 diners). Les noves responsabilitats del pare de Pascal requereixen, per tant, un treball dur i al qual el seu fill decideix ajudar, a la seva manera. El jove Blaise dissenya una primera màquina "capaç de satisfer a molts" segons les seves paraules, però no suficient per al seu propi gust.
Crea una segona iteració, després una tercera, fins que, finalment, podem llegir a la guia de la seva "màquina aritmètica" (Avís necessari per a aquells que tindran curiositat per veure la màquina esmentada i utilitzar-la ): "reconeixent en totes elles, ja sigui la dificultat d’actuar o la duresa dels moviments, o la disposició a corrompre’s massa fàcilment pel temps o pel transport, vaig prendre la paciència de fabricar fins a més de cinquanta models, tots diferents, alguns de fusta, els altres de marfil i banús, i els altres de coure, abans d'haver arribat a la finalització de la màquina que ara faig aparèixer; que, tot i que està format per tantes petites peces diferents, com podreu veure, és tan sòlid, però que, després de l’experiència de què he parlat anteriorment, m’atreveixo a assegurar-vos que tots els esforços que podríeu fer transportant-lo pel que vulgueu, no el podreu corrompre ni fer sofrir la més mínima alteració".
Una demostració de l’addició en una rèplica de la pascalina. Podeu triar l'idioma de la subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Yves Serra
La pascalina: una màquina senzilla i elegant
Les instruccions de funcionament de la pascalina són meravellosament senzilles. Prenem el temps per descriure l'objecte per a les persones que no tenen temps de veure'l. Es presenta com una mena de joier rectangular de metall. A la part superior, hi ha tres elements principals:
A la part inferior, cinc petites rodes mòbils estan alineades horitzontalment. Estan numerades i l'usuari els pot girar amb un estilet, de la mateixa manera que amb el dit per marcar un número en un marcatge telefònic antic; en lloc del ganxo metàl·lic habitual, és una vareta que va verticalment des de la base de la roda la que atura l'estilet quan es marca el número.
A la part superior, les obertures de la caixa revelen dues sèries horitzontals de cinc dígits. L'inferior s'utilitza per sumar, mentre que el superior s'utilitza per restar.
Finalment, un botó lliscant ajustable permet ocultar preferentment una o altra d'aquestes files, en funció de l'operació en la qual l'usuari desitgi realitzar.
Per sumar dos nombres, l'usuari només ha d'introduir el primer terme mitjançant les rodes numerades i, a continuació, el segon terme per veure el resultat en la línia de suma. Per a la resta, l'usuari haurà d'ajustar el control lliscant per ocultar la línia d'addició, introduir el primer terme utilitzant el dial en lloc de les rodes, o utilitzant una taula d'equivalències, i després restar el segon terme. (El procés per a la resta s'explica en anglès subtitulat amb més detall en aquest enllaç).
El mecanisme intern d’una pascalina, revelat aquí en una rèplica feta per un artesà. Pots triar l'idioma de la subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Yves Serra
Del fracàs a la victòria
El 1645, aquesta joia tecnològica va representar tres anys de treball, 50 prototips i va acabar amb un fracàs comercial rotund. Com moltes màquines presentades en els seus primers anys de creació, la Pascalina era massa cara per al públic en general o fins i tot per a un públic ric, amb un preu que oscil·lava entre les 100 i 400 lliures (o al canvi actual entre 3.500 i 14.000 euros aproximadament). Pascal no es deixa derrotar fins ara i continua millorant la seva màquina durant anys per reduir-ne el cost. Malauradament, una lesió al cap causada per un accident amb un carruatge el va portar a retirar-se del món científic el 1654. Leibniz va intentar, sense massa èxit, reprendre el seu treball afegint les funcions de multiplicació i divisió, però al final només es mencionaria la pascalina a l'entrada "machine arithmétique"a l'Encyclopédie de Diderot i d'Alembert.
Charles Babbage i Thomas de Colmar s’inspiraran en el treball de Pascal per crear respectivament l’avantpassat de l’ordinador (el codi del qual serà escrit per Ada Lovelace) i l’aritmòmetre. Però només s’hauran construït 20 exemplars en temps de Pascal, vuit dels quals han arribat fins als nostres dies. Un objecte rar, per tant, que mereixia ser inclòs en aquest nou capítol del gabinet de curiositats.
I dotze! Ens veiem ben aviat amb un nou capítol del Gabinet de curiositats. Crèdit imatge: nosorogua, Adobe Stock, Futura
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.
