L'instrument NIRSpec del telescopi Webb està llest per a la ciència

Tres dels quatre instruments científics del Telescopi Espacial James Webb de la NASA han completat les seves activitats de posada en marxa i estan a punt per a la ciència.

Cadascun dels instruments de Webb té múltiples maneres d'operació, que necessiten ser provats, calibrats i finalment verificats abans que puguin començar a conduir la ciència. L'últim instrument per completar aquest procés, l'espectrògraf infraroig proper, o NIRSpec, té quatre maneres clau que l'equip va confirmar oficialment com a llestos per fer servir.

"Ho hem aconseguity: NIRSpec està llest per a la ciència! Aquest és un moment increïble, el resultat del feixuc treball de tantes persones i equips de JWST i NIRSpec durant més de dues dècades. Estic molt orgullós de tots", va dir Pierre Ferruit, científic del projecte Webb de l'ESA (Agència Espacial Europea) i investigador principal de NIRSpec. "Ara és el moment de la ciència, i estic neguitós per veure els primers resultats científics provinents de les observacions de NIRSpec. No tinc cap dubte que seran fantàstiques. Moltes gràcies a tots els que van fer això possible a través dels anys, gran treball!"

Clic per engrandir. Aquesta imatge de prova de posada en marxa és un subconjunt d'una exposició espectroscòpica multiobjecte NIRSpec d'una regió propera al centre de la nostra galàxia, la Via Làctia. Els dos detectors de NIRSpec i les seves matrius de microshutter es van utilitzar per empaquetar més de 200 espectres en una sola exposició. Cada franja horitzontal és un espectre que els científics seran capaços d'analitzar per comprendre millor la composició i les propietats del gas que es troba entre les estrelles en aquesta regió, per exemple, a través de l'estudi de les línies d'emissió que es mostren en petites, línies verticals més brillants i lleugerament inclinades en aquests espectres. Crèdit: NASA/ESA/CSA i l'equip NIRSpec

L'última manera verificada per a NIRSpec va ser la manera d'espectroscòpia multiobjecte, una capacitat clau que permet a Webb capturar espectres, o arcs de Sant Martí de llum infraroja, de centenars de diferents objectius còsmics alhora. En el mode d'espectroscòpia d'objectes múltiples, NIRSpec pot obrir i tancar individualment unes 250.000 petites persianes, totes amb només l'amplada d'uns cabells humans, per veure algunes porcions del cel mentre en bloqueja unes altres. En controlar aquesta "matriu de microshutter", Webb pot observar múltiples objectius específics mentre en redueix la interferència d'altres.

La confirmació del mode d'espectroscòpia multi-objecte de NIRSpec marca la primera vegada que aquesta capacitat ha estat verificada per utilitzar-lo des de l'espai. Permetrà a NIRSpec caracteritzar-ho tot, des dels objectes més febles de l'univers fins a la formació de galàxies i cúmuls d'estrelles.

Aquesta animació mostra la trajectòria de la llum a través de l'Espectrògraf Infraroig Proper (NIRSpec) del Telescopi Espacial James Webb. Fotografia: EADS Astrium

NIRSpec va ser construït per a l'ESA per un consorci d'empreses europees liderades per Airbus Defence and Space, amb el Goddard Space Flight Center de la NASA a Greenbelt, Maryland, proporcionant els seus subsistemes de detector i microshutter.

Dels 17 tipus d'instrumentals totals en els quatre instruments de Webb, només queda per verificar-ne una, la càmera d'infraroig proper (NIRCam). Quan l'equip confirmi aquest mode restant, el procés de mesos de preparació de Webb per a la ciència es completarà formalment.

El procés de posada en marxa de Webb culmina el 12 de juliol, amb la publicació de les primeres imatges a tot color del telescopi i les dades espectroscòpiques, i el començament oficial de la seva missió científica.

Ho he vist aquí.

El bosó de Higgs

Tu i tot allò que t'envolta esteu fets de partícules. Però quan l'univers va començar, cap partícula no tenia massa; totes elles corrien a tota velocitat a la velocitat de la llum. Les estrelles, els planetes i la vida només podrien emergir perquè les partícules van obtenir la massa d'un camp fonamental associat amb el bosó de Higgs. L'existència d'aquest camp de subministrament de massa es va confirmar el 2012, quan es va descobrir la partícula del bosó de Higgs al CERN.

Què és el bosó de Higgs?

A la nostra descripció actual de la Natura, cada partícula és una ona en un camp. L'exemple més conegut d'això és la llum: la llum és simultàniament una ona al camp electromagnètic i un corrent de partícules anomenades fotons. En el cas del bosó de Higgs, el camp era primer. El camp de Higgs va ser proposat el 1964 com un nou tipus de camp que omple tot l'Univers i dóna massa a totes les partícules elementals. El bosó de Higgs és una ona en aquest camp. El seu descobriment confirma l'existència del camp de Higgs.

 Clic per engrandir. Vista artística del camp de Brout-Englert-Higgs Crèdit: CERN

Com obtenen massa les partícules?

Les partícules obtenen la massa en interactuar amb el camp de Higgs; no tenen una massa pròpia. Com més fort interactua una partícula amb el camp de Higgs, més pesada és la partícula. Els fotons, per exemple, no interactuen amb aquest camp i, per tant, no tenen massa. Tot i això, altres partícules elementals, incloent electrons, quarks i bosons, interactuen i per tant tenen una varietat de masses. Aquesta interacció de lliurament de massa amb el camp de Higgs es coneix com el mecanisme de Brout-Englert-Higgs, proposat pels teòrics Robert Brout, François Englert i Peter Higgs.

Clic per engrandir. Carta que mostra les partícules del Model Standard. Crèdit: CERN

Com descobrim el bosó de Higgs?

El bosó de Higgs no pot ser "descobert" o trobar-lo en algun lloc, però ha de ser creat en una col·lisió de partícules. Un cop creat, es transforma, o "decau", en altres partícules que es poden detectar als detectors de partícules.

Els físics busquen rastres d'aquestes partícules a les dades recollides pels detectors. El desafiament és que aquestes partícules també es produeixen en molts altres processos, a més a més el bosó de Higgs només apareix en aproximadament una de cada mil milions de col·lisions del LHC. Però una acurada anàlisi estadística d'enormes quantitats de dades va descobrir el feble senyal de la partícula el 2012.

Clic per engrandir. Experiment CMS al LHC del CERN el 13 de maig de 2012. Crèdit: CERN.

Com sabien els físics que era el Higgs?

El 4 de juliol del 2012, les col·laboracions d'ATLAS i CMS van anunciar el descobriment d'una nova partícula en un auditori ple al CERN. Aquesta partícula no tenia càrrega elèctrica, era de curta durada i es va desintegrar en formes que era el bosó de Higgs, segons la teoria. Per confirmar si realment era el bosó de Higgs, els físics necessitaven verificar el seu espín (el bosó de Higgs és l'única partícula que té un espín de zero). En examinar dues vegades i mitja més dades, van concloure el març del 2013 que, de fet, s'havia descobert algun tipus de bosó de Higgs.

Què hem après des del descobriment del bosó de Higgs?

Descobrir el bosó de Higgs va ser només el començament. En els deu anys transcorreguts des de llavors, els físics han examinat com interactua fortament amb altres partícules, per veure si això coincideix amb les prediccions teòriques.

La força d'interacció es pot mesurar experimentalment observant la producció i el decaïment del bosó de Higgs: com més pesada és una partícula, més probable és que el bosó de Higgs es descomposi o es produeixi a partir d'ella. La interacció amb els leptons tau es va descobrir el 2016 i la interacció amb els quarks superior i inferior el 2018. Però encara ens queda molt per aprendre sobre aquesta partícula elusiva.

Clic per engrandir. Detecció de la partícula als experiments ATLAS i CMS. Crèdit:CERN

Què cercarem a continuació?

Encara tenim molt per aprendre sobre el bosó de Higgs. És únic o hi ha tot un sector de partícules de Higgs? Ajuda a explicar com es va formar l'univers, amb la matèria triomfant sobre l'antimatèria? Obté la massa interactuant amb si mateix d'alguna manera? I per què la seva massa és tan petita, cosa que suggereix l'existència d'un mecanisme completament nou. Es podria trobar matèria fosca i altres partícules noves gràcies a les interaccions amb el bosó de Higgs?  Deu anys després del descobriment, el viatge gairebé no ha començat.

Com afecta el bosó de Higgs la vida quotidiana?

El bosó de Higgs té, i seguirà tenint, un impacte a les nostres vides, en formes que potser no s'hagin imaginat. És part de la resposta a per què nosaltres –i tot amb el que interactuem– tenim massa, alimentant la nostra curiositat humana natural sobre el nostre univers i com va evolucionar. En la recerca d'aquesta partícula, les tecnologies d'accelerador i detector es van portar al límit, la qual cosa va portar a avenços en la salut, la indústria aeroespacial i més.

Ho he vist aquí.

La sonda espacial BepiColombo espia Mercuri

Clic per engrandir. Mercuri fotografiat per la sonda BepiColombo durant el seu segon sobrevol, el 23 de juny de 2022. Crèdit: ESA, BepiColombo, JAXA, MTM, CC by-sa 3.0 IGO

La primera visita de BepiColombo a Mercuri. La sonda BepiColombo de l'ESA i Jaxa van passar prop de Mercuri l'1 d'octubre de 2021, per primera vegada des del seu llançament el 2018. Aquí teniu les primeres imatges d'aquest sobrevol fins a 199 quilòmetres del petit planeta. 

Viatjant d'un planeta tel·lúric a un altre (excepte Mart) al sistema solar interior, la sonda BepiColombo acaba de completar el seu segon sobrevol del seu eventual objectiu, Mercuri. Noves imatges fascinants del planeta més proper al Sol.

Encara poc coneguda, la sonda espacial BepiColombo de l'ESA (Agència Espacial Europea) i JAXA (Agència espacial japonesa) acaba de passar una vegada més per sobre de Mercuri. El dijous 23 de juny va ser el seu segon sobrevol del planeta més petit del Sistema Solar (4.880 quilòmetres de diàmetre), el seu destí final. De moment, la nau es beneficia de l'assistència gravitatòria, el segon sobrevol dels sis previstos, així com la de la Terra (un cop) i Venus (dues vegades), abans d'introduir-se en òrbita el 2025 i iniciar les seves investigacions científiques.
 

Aquest vídeo reuneix 56 imatges preses sobre la marxa uns quinze minuts després d'haver passat més a prop de la superfície de Mercuri, a només 200 quilòmetres de distància. Les fotos de les dues sèries es van capturar amb un interval de 15 a 20 segons quan la nau espacial es trobava entre 920 i 6.099 quilòmetres aproximadament, per a la primera càmera de monitoratge (MCAM-2), i entre 984 i 6.194 quilòmetres, per a la segona càmera de monitoratge (MCAM-3). Crèdit: ESA. JAXA.

Clic per engrandir. Imatge amb les anotacions dels principals trets visibles a la superfície de Mercuri. Crèdit: ESA, BepiColombo, MTM, CC by-sa 3.0 IGO 

Clic per engrandir. Imatge del cràter Debussy amb les ejeccions de l'impacte. Crèdit: NASA, Messenger

Ho he vist aquí.

Dossier. Estrelles: Quant duren les estrelles?

Contràriament a les aparences, no totes les estrelles que pinten un bonic cel nocturn són iguals. Les estrelles formen una gran família, formada per elements de característiques molt variables d'un cas a un altre. Si tot això pot semblar complex a primera vista, podem entendre aquesta diversitat a grans trets a partir d'unes quantes consideracions físiques.

Si ens interessa la vida útil de les estrelles, un paràmetre la determina principalment: una vegada més, és la massa. Però també és l'origen d'una paradoxa: com més massiva és una estrella, més curta és la seva vida útil.

Clic per engrandir. Aquesta recreació artística ens mostra una vista superficial del planeta Pròxima b orbitant la nana vermella Pròxima Centauri, l'estrella més propera al Sistema Solar. Crèdit: ESO, M. Kornmesser, CC By 4.0

La vida d'una estrella depèn de la seva massa, com més gran és, més consumeix el seu "combustible", l'hidrogen.

Quant duren les estrelles?

De fet, encara que una estrella massiva contingui molt de combustible, la seva temperatura central serà més alta que la d'una estrella de menys massa. Com s'ha esmentat anteriorment, les reaccions de combustió nuclear seran molt més ràpides. Així, una estrella com el Sol, per exemple de massa mitjana, cremarà el seu hidrogen central (només el 10% de la seva massa total) en uns 9.000 milions d'anys (segons els models actuals de descripció del Sol). Però, una estrella de 10 masses solars (o 10 M_O) consumirà les seves reserves en només 30 milions d'anys, mentre que una petita estrella de 0,5 M_O; sobreviurà 50.000 milions d'anys (és a dir, molt més que la suposada edat actual de l'Univers).

Clic per engrandir. Descripció esquemàtica de l'evolució d'estrelles de diferents masses. Fixeu-vos en l'escala de temps de l'esquerra, que indica les vides en una escala no regular. Les escales de mida també són esquemàtiques. Crèdit: Edicions Le Pommier.

Veure:

Capítol anterior: Estrelles. Estrelles: Evolució i mort de les estrelles
Capítol següent: Estrelles: Dins del Sol (en preparació).

Ho he vist aquí.

Quan els cúmuls de galàxies col·lisionen

Clic per engrandir. Crèdit: Raigs-X: NASA/CXC/Univ. of Nottingham/H. Russell et al.; Optical: NAOJ/Subaru

Hi ha una connexió profunda entre alguns dels esdeveniments més grans i energètics de l'univers i d'altres molt més petits i febles impulsats pel nostre propi Sol.

Els resultats provenen d´una llarga observació amb l´Observatori de raigs X Chandra de la NASA d´Abell 2146, un parell de cúmuls de galàxies en col·lisió ubicats a uns 2.800 milions d´anys llum de la Terra.

Els cúmuls de galàxies contenen centenars de galàxies i quantitats enormes de gas calent i matèria fosca i es troben entre les estructures més grans de l'univers. Les col·lisions entre cúmuls de galàxies alliberen enormes quantitats d'energia a diferència de qualsevol cosa presenciada des del Big Bang i proporcionen als científics laboratoris de física que no estan disponibles aquí a la Terra.

Ho he vist aquí.

Una fotografia icònica en femení, ara sí!

Clic per engrandir.Conferencia Solvay (1927) sobre mecànica quàntica. Fotografia de Benjamin Couprie

Aquesta fotografia feta en la 5ª trobada Solvay de Mecànica Quàntica a Brusel·les l'any 1927, és probablement la fotografia científica més famosa de tots els temps.  

I és que 17 dels 29 assistents van ser guanyadors del Premi Nobel o el van guanyar en el futur. Marie Curie (asseguda dos seients a l'esquerra d'Einstein, que és al centre de la primera fila) va ser l'única dona que va assistir a la conferència. Va ser la primera dona a guanyar un premi Nobel, la primera persona a guanyar-lo dues vegades i l'única persona a guanyar en dues ciències diferents: la Física i la Química.

Aquí hi ha els noms de la resta dels assistents. Si mai has estudiat física, aquests noms et resultaran familiars, ja que moltes de les constants físiques porten el nom de les persones que apareixen en aquesta foto. 

D'esquerra a dreta:

Primera fila: Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles-Eugène Guye, C.T.R Wilson, Owen Richardson.

Fila central: Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr.

Fila posterior: Auguste Piccard, Emile Henriot, Paul Ehrenfest, Edouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, JE Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Fowler, Léon Brillouin.

El que ens interessa en aquest article és que noranta anys més tard, entre l'11 i el 15 de setembre de 2017, es va celebrar a Trento (Itàlia) el 103è Congrés de la Societat italiana de física, trobada en què se celebrava el 120è aniversari d'aquesta societat científica, a on es van organitzar dues taules rodones, dedicades al tema de les vocacions científiques i les dones.

Després d'aquestes dues taules rodones, l'Oficina de Comunicació de la Universitat de Trento va proposar immortalitzar vint-i-vuit dones conferenciants del Congrés –de diferents edats i disciplines– juntament amb un col·lega masculí, Guido Tonelli, un dels descobridors del bosó de Higgs al CERN, en una versió reivindicativa de la famosa foto de la conferència Solvay del 1927. Noranta anys més tard, la fotografia 'invertia' els papers d'homes i dones.

Clic per engrandir. Crèdit: Università di Trento

D'esquera a dreta, elles i ell són:

Primera fila: Cinzia Giannini, Anna Di Ciaccio, Guido Tonelli, Monica Colpi, Antigon Marí, Chiara La Tessa, Patrizia Cenci, Luisa Cifarelli i Beatrice Fraboni.

Fila central: Simonetta Croci, Daniela Calvo, Lidia Strigari, Silvia Picozzi, Alessandra Gugliemetti, Alessandra Rotundi, Angela Bracco, Olivia Levrini i Speranza Falciano.

Fila superior: Elisa Molinari, Marina Cobal, Roberta Ramponi, Francesca Vidotto, Silvana Di Sabatino, Silvia Tavazzi, Nadia Robotti, Clementina Agodi, Edwige Pezzulli, Sara Pirrone i Marta Greselin.

En aquest enllaç es pot llegir una breu semblança (en italià) de les vint-i-nou persones retratades en aquesta fotografia: a més de Guido Tonelli, vint-i-vuit física italianes investigant en projectes diversos.

Luisa Cifarelli, presidenta de la Societat Italiana de Física (SIF), apareix a la fotografia del 2017 (no hi podia faltar), i comentava: "La fotografia, feta gairebé per diversió, va tenir però una repercussió inesperada a tots els mitjans i fins i tot a les cadenes de televisió nacionals. Estic molt feliç per aquesta difusió, ja que constata la importància de les dones a la física ia la investigació científica. Pel que fa a mi, estic molt orgullosa d'estar en aquesta fotografia!"

 

Ho he vist aquí.

Les estrelles binàries estan pel nostre voltant

 

Clic per engrandir. Sírius, l'estrella més brillant del nostre cel, és una estrella binaria. Crèdit: astrosystem, Adobe Stock

Un mapa d'estrelles dobles a la Via Làctia Investigadors de la Universitat de Califòrnia a Berkeley (EUA) ens porten de viatge per la Via Làctia. Un viatge d'uns 6.000 anys llum que revela més d'un milió d'estrelles dobles. Aquestes binàries han estat identificades gràcies a les dades de la missió espacial GAIA (ESA). Crèdit: Universitat de Califòrnia
 
Sírius, l'estrella més brillant del nostre cel, és un dels exemples més coneguts d'estrelles binaries, aquestes estrelles també anomenades dobles físics, perquè estan formades per dues estrelles que orbiten al voltant del mateix punt. I avui, els investigadors ens revelen que hi hauria més d'un milió d'aquestes estrelles binàries al voltant de la nostra Terra.

La missió de satèl·lit de l'Agència Espacial Europea (ESA) Hipparcos, va acabar l'any 1997. Era per mesurar la posició i el moviment de les estrelles. I havia identificat unes 200 estrelles binàries a la nostra Via Làctia. Les noves dades de la missió espacial GAIA (ESA) ofereixen ara un catàleg ampliat d'uns 1,3 milions d'estrelles dobles físiques, separades per almenys 10 unitats astronòmiques (UA), o 10 vegades la distància entre la Terra i el Sol, en un radi de uns 3.000 anys llum al voltant de la nostra Terra.

Recordem que les estrelles binàries es van identificar per primera vegada des de la Terra, entre les estrelles que apareixien a prop del cel. Però la tècnica era arriscada, perquè les estrelles que ens semblen properes en realitat poden estar separades a centenars o milers d'anys llum. I eliminar aquestes alineacions aleatòries va consumir molt de temps.

La missió espacial GAIA registra com les estrelles semblen canviar de posició al cel i així calcula la seva distància i velocitat. I els investigadors de la Universitat de Califòrnia a Berkeley (Estats Units) han desenvolupat tècniques de càlcul que permeten identificar primer les estrelles que es mouen juntes a l'espai i després, entre elles, les que es troben a la mateixa distància de la Terra. És així com s'aconsegueixen les estrelles binàries.

Clic per engrandir. Els astrònoms estimen que aproximadament la meitat de les estrelles semblants al Sol són estrelles dobles físiques. Però que estan massa a prop l'una de l'altra perquè les puguem distingir. El treball d'investigadors de la Universitat de Califòrnia a Berkeley (EUA) mostra que el 25% de les estrelles similars al Sol tenen una companya que orbita més de 30 unitats astronòmiques (UA) -aquesta és aproximadament la distància Sol-Plutó. I que un màxim està situat a una distància entre 30 i 50 UA. Aquí a l'esquerra, la regió de 3.000 anys llum al voltant de la Terra en què els investigadors de la Universitat de Califòrnia a Berkeley (EUA) han trobat més d'un milió d'estrelles binàries. Crèdit: Kareem El-Badry, UC Berkeley i Jackie Faherity, AMNH

Estels binaris en detall

Aquest treball fins i tot permet especificar una mica més el tipus d'aquestes estrelles binaries. Així, 1.400 d'aquests sistemes estan formats per dues nanes blanques, l'etapa final de l'evolució de la majoria de les estrelles. I 16.000 d'aquests sistemes giren al voltant d'una nana blanca i una altra estrella. Finalment, la majoria dels 2,6 milions d'estrelles atrapades en sistemes binaris són estrelles de seqüència principal, en el seu millor moment.

Els investigadors poden estar especialment interessats en sistemes composts per una nana blanca i una altra estrella. A diferència de les estrelles de seqüència principal, que poden romandre sense canvis durant milers de milions d'anys, l'edat de les nanes blanques és relativament senzilla de determinar. Perquè aquestes estrelles es refreden a un ritme conegut. Així, establir l'edat d'una nana blanca en un sistema doble permet fixar també l'edat de la seva acompanyant. I possiblement dels planetes que podrien orbitar al seu voltant.

Recentment, a més, els investigadors van determinar d'aquesta manera l'edat d'un exoplaneta anomenat TOI-1259Ab. "En aquest nou catàleg, hi ha almenys 15 sistemes compostos per una nana blanca, una estrella i un planeta", especifica Kareem El-Badry, astrofísic de la Universitat de Berkeley, en un comunicat de premsa.

Un altre resultat sorprenent: la majoria de les estrelles dobles físiques s'assemblen. Per tant, sembla que els estels els agrada associar-se amb els de massa similar. I això, tot i que generalment orbiten a centenars d'unitats astronòmiques les unes de les altres, la majoria encara romanen en un radi de menys de mil unitats astronòmiques les unes de les altres. Així, els investigadors assumeixen que aquestes estrelles atrapades en un sistema binari es van formar més a prop les unes de les altres abans d'allunyar-se, potser sota la influència d'altres estrelles.

Ho he vist aquí.