L’origen dels dolls de forats negres supermassius revelats pels camps magnètics de M87

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.

 

Ho he vist aquí.

Les ones gravitacionals confirmen que Stephen Hawking tenia raó sobre els forats negres!

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta obra d'art imagina un seient a primera fila per veure GW250114, una potent col·lisió entre dos forats negres observada per LIGO, la Fundació Nacional de Ciències dels Estats Units. Representa la vista des d'un dels forats negres mentre gira en espiral cap al seu company còsmic. Deu anys després de la històrica detecció d'ones gravitacionals per part de LIGO, els detectors actualitzats de l'observatori li van permetre "sentir" aquesta col·lisió celestial amb una claredat sense precedents. Les dades de les ones gravitacionals van permetre als científics distingir múltiples sons subtils que ressonaven com una campana còsmica a través de l'Univers (imaginats aquí com a fils musicals entrellaçats que giren en espiral cap al centre). Tot i que només LIGO estava en línia durant GW250114, ara opera regularment en xarxa amb altres detectors d'ones gravitacionals, com ara VIRGO a Europa i Kagra al Japó. Crèdit: Aurore Simonnet (SSU/EdEon)/LVK/URI.

Existeixen realment els forats negres que s'han fet famosos gràcies a les obres i la recerca de Stephen Hawking? L'astronomia d'ones gravitacionals celebra el setembre del 2025 deu anys d'èxit des dels seus inicis. S'acaben d'anunciar dos nous resultats fascinants en aquest camp!

Recordeu, fa 10 anys, el descobriment d'una font d'ones gravitacionals que va impactar sobre la Terra el 14 de setembre de 2015, va obrir una nova era en l'astronomia.

Anomenada GW150914 (GW per a  ona gravitacional, i 150914 per a la data d'observació, 14 de setembre de 2015), correspon a la primera detecció directa a la Terra d'ones gravitacionals produïdes per una col·lisió seguida d'una fusió de dos forats negres estel·lars. Part de la massa total dels dos objectes (cadascun contenia unes 30 vegades la massa del Sol) s'havia convertit en ones gravitacionals que alliberaven en menys d'un segon 50 vegades més energia que totes les estrelles de l'Univers observable.

Si hagués estat en forma electromagnètica, GW150914 hauria aparegut més brillant al nostre cel que la lluna plena, tot i que aquesta font es troba a 1.300 milions d'anys de distància anys llum aproximadament.

Una presentació en vídeo de Virgo i la caça d'ones gravitacionals. Crèdit: CNRS.

Einstein havia predit l'existència d'un anàleg de les ones de llum en forma de vibracions i deformacions dinàmiques del teixit de l'espai-temps, corba de la seva teoria de la relativitat general en articles publicats inicialment entre 1916 i 1918. Però aquesta existència va ser posteriorment qüestionada. La primera demostració matemàtica de l'existència d'ones d'Einstein en la seva teoria va ser finalment feta per Yvonne Choquet-Bruhat a principis dels anys cinquanta. Però curiosament, calia esperar als arguments de físics avançats en particular de Richard Feynman i Hermann Bondi el 1957, per convèncer la comunitat científica.

Tanmateix, quedava detectar aquestes ones i això ja era una altra qüestió. Va caldre la feina de pioners com Kip Thorne, Thibault Damour, Alain Brillet i els difunts Rainer Weiss, Vladimir Braginsky i Ron Drever per arribar-hi, juntament amb milers de col·legues que estan darrere dels detectors d'ones gravitacionals que operen com a interferòmetres i utilitzant raigs làser als Estats Units, que tenen LIGO; a Europa, hi ha VIRGO; a Kamioka, prefectura de Gifu, Japó, hi ha KAGRA.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. En aquest vídeo, diversos membres clau de la col·laboració LIGO, que inclou investigadors de Caltech i MIT, parlen sobre el descobriment de les ones gravitacionals. Entre ells hi ha Kip Thorne, el teòric, i Rainer Weiss, l'experimentador que hi ha darrere de LIGO. Crèdit: Caltech, YouTube.

Els membres combinats del que es podria anomenar la col·laboració LVK (LIGO, VIRGO, KAGRA) han anunciat recentment que caldrà una dècada de millora d'aquests detectors per fer-los més sensibles i progressar en les tècniques d'anàlisi dels senyals observats, sobretot gràcies a la IA, els havia permès obtenir resultats espectaculars. Aquests avenços es refereixen a una font detectada el 2025, força similar a la del 2015, és a dir, una col·lisió de dos forats negres que contenien unes quantes desenes de masses solars cadascun i anomenada GW250114.

Aquest treball es presenta en un article publicat a Physical Review Letters, una versió d'accés obert del qual també existeix a arXiv.

Els forats negres tenen entropia?

Per fer una breu presentació d'aquests resultats, cal saber que des de la dècada del 1960 fins a la del 1970 el concepte modern de forat negre i els seus desenvolupaments van conduir a l'admissió que els forats negres es poden formar mitjançant col·lapse de les forces gravitacionals de les estrelles havien de ser descrites exactament mitjançant una solució d'equacions de la relativitat general d'Einstein, descoberta el 1963 pel matemàtic neozelandès Roy Kerr.

Però no podíem estar segurs que els forats negres existissin realment. Els objectes que semblaven ser forats negres potser simplement eren una mica...exòtics i molt densos, però no realment forats negres. Però com saber-ho, sobretot tenint en compte que érem ben conscients que hi ha alternatives a la teoria d'Einstein com a teoria relativista de gravitació amb un espai-temps corbat?

Stephen Hawking havia demostrat, però, en un article publicat el 1971 que, dins del marc de la teoria d'Einstein, si poguéssim tenir fusions de forats negres, mai no podríem tenir divisions d'un forat negre en diversos. Millor encara, la fusió de dos forats negres hauria de donar un nou forat negre, la superfície de l'horitzó d'esdeveniments (una superfície fictícia que es comporta com una bombolla que envolta una regió que constitueix un forat negre i que teòricament només es pot travessar en una direcció, la que porta a entrar en un forat negre) havia de ser més gran que la suma de les superfícies dels horitzons dels dos forats negres anteriors.

El 1972, mentre pensava en les possibles connexions entre la física dels forats negres i la noció d'entropia en termodinàmica mitjançant la noció d'entropia estadística de Shannon - Von Neumann vinculada a la teoria de la informació i seguint el suggeriment de John Wheeler, el físic Jacob Bekenstein va deduir que l'horitzó d'esdeveniments d'un forat negre mesurava la pèrdua d'informació sobre un objecte que entrava en un forat negre per a un observador extern. Per tant, podríem parlar de l'entropia d'un forat negre en relació amb la mida de la superfície de l'horitzó. Millor, el teorema de la teoria de Hawking sobre el creixement de l'àrea d'un forat negre va ser finalment interpretable com una manifestació de la famosa segona llei de la termodinàmica amb la seva llei del creixement de l'entropia.

Clic a la imatge per engrandir. Crèdit: X, Physical Review Letters.

Hawking tenia motius per creure que això era fals. Amb els seus col·legues Brandon Carter i James Bardeen, finalment va aprofitar el 1972 una sessió a la famosa escola Les Houches fundada per Cécile-DeWitt Morette per desenvolupar la seva teoria amb creixement d'àrea, tot argumentant que no es podia interpretar com pretenia Bekenstein. En això, s'equivocava, com descobriria quan descobrís la seva famosa teoria de la radiació quàntica dels forats negres.

Resulta que avui dia les anàlisis del senyal de GW250114 (a més a més molt millor detectat que fa 10 anys) s'han tornat molt més precises en comparació amb les del senyal de GW150914 que astrofísics van poder veure que el teorema de Hawking estava perfectament verificat!

Però hi ha més. Quan dos forats negres es fusionen, l'objecte resultant encara no està en la seva forma estable; el seu horitzó es deforma i vibra com la superfície d'una campana tocada. Per assolir la seva forma estable, és a dir, la descrita per la solució de Kerr per a un forat negre en rotació, ha d'emetre ones gravitacionals que continguin harmònics fonamentals (anomenats "tons" en anglès) i els seus múltiples per enters (anomenats "overtones" en anglès). Matemàticament, en l'argot dels físics, tenim en certa manera la descomposició de Fourier dels espectre d'ones dels factors exp (-at) d'amortiment  de l'amplitud de l'ona amb termes harmònics de la forma exp (ibt).

Resulta que l'existència d'un forat negre real descrit per la solució de Kerr prediu els factors i constants anteriors. Certament depenen de la massa i del moment angular descrivint la rotació del forat negre pertorbat amb vibracions d'amortiment, però són característiques de la presència d'aquest tipus de forat negre.

Aquí teniu el resultat més espectacular. Per primera vegada, alguns dels harmònics de la teoria s'han demostrat fermament. Això reforça la nostra confiança en la teoria dels forats negres basada en les equacions d'Einstein i, per tant, indirectament també amb el resultat sobre l'àrea, la nostra confiança en la teoria de Bekenstein i Hawking de l'entropia dels forats negres.

Ara teniu una presentació més tècnica i detallada del que hi ha darrere dels resultats relacionats amb l'espectre de la radiació d'ones gravitacionals en  relació amb l'horitzó d'esdeveniments en el senyal de GW250114.

Clic a la imatge per engrandir. Tullio Regge (1931-2014) va ser un físic teòric italià. És responsable d'una important tasca en física de partícules elementals (pols de Regge) i relativitat general. Va ser un dels pioners d'un enfocament quàntic de la gravetat (càlcul de Regge), que més tard es vincularia a la teoria de la gravetat quàntica de bucles. Amb John Wheeler, va establir les bases de la teoria de pertorbacions dels forats negres de Schwarzschild, que conduiria al descobriment dels seus modes quasi normals. Crèdit: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Forats negres que vibren quan xoquen

Els físics i matemàtics relativistes defineixen els forats negres només com a objectes que ocupen una regió tancada de l'espai-temps de la qual res no pot escapar a causa de la naturalesa finita de la velocitat de la llum: l'horitzó d'esdeveniments. És la presència d'aquest horitzó, i res més, el que defineix un forat negre, ni tan sols la presència d'una singularitat amb densitat i curvatura infinita de l'espai-temps al seu centre, cosa que, a més, és dubtosa a causa dels efectes quàntics.

Van demostrar a partir d'aquesta definició que només existeix una família de solucions necessàriament rigorosament exactes a les equacions d'Einstein que descriuen un forat negre. Aquesta família depèn només de la massa, el moment angular i, possiblement, de les càrregues elèctriques o fins i tot magnètiques de les partícules absorbides i res més. Aquest és el teorema de la unicitat dels forats negres, més sovint conegut com el teorema de la calvície per als forats negres, en anglès el famós "no-hair theorem".

Concretament, al camp de l'astrofísica on totes les estrelles giren i on naturalment esperem la formació de forats negres, els més simples no tenen rotació i només tenen massa, els forats negres de Schwarzschild; i els més realistes també giren, els forats negres de Kerr.

En teoria, no recorden les diferents característiques dels objectes de la mateixa massa i moment angular que cauen en aquestes regions particulars de l'espai-temps. En particular, oblidem els nombres quàntics normalment conservats i associats amb barions i leptons, que potser encara juga un paper misteriós en la solució de l'enigma de l'absència d'antimatèria en cosmologia.

La superfície de l'horitzó d'esdeveniments d'un forat negre, ja sigui de Schwarzschild o de Kerr, és perfectament llisa i esfèrica (d'aquí la relació amb el terme calvície), però es deforma temporalment, tornant-se irregular quan un forat negre absorbeix un objecte, per exemple un asteroide, o durant una col·lisió amb un altre forat negre.

Clic a la imatge per engrandir. L'obra més famosa del físic indi CV Vishveshwara (1938–2017) és el descobriment dels modes quasi normals en els forats negres. El 1970, va demostrar que un forat negre de Schwarzschild pertorbat per un pols de radiació gravitacional tornarà al seu estat original emetent ones gravitacionals d'una forma característica determinada pel que s'anomena modes quasi normals. Les freqüències (complexes) d'aquests modes quasi normals per als forats negres de Schwarzschild són independents de la forma d'aquesta pertorbació i es caracteritzen completament per la massa del forat negre. Més tard, aquest resultat es va generalitzar al cas dels forats negres de Kerr en rotació. Els modes quasi normals són aleshores funcions de la massa i del moment angular propi, l'espín, del forat negre. L'observació dels modes quasi normals es considera un mitjà per establir l'existència de forats negres. Crèdit: International Centre for Theoretical Sciences, Bengaluru.

Modes quasi normals característics dels forats negres

Aquesta última situació és molt interessant perquè la col·lisió i la fusió de dos forats negres en forma un altre. Aquest forat negre recentment format, de nou, no té un horitzó d'esdeveniments regular. Les equacions d'Einstein són doncs formals, això no pot durar i, molt ràpidament, la superfície de l'horitzó vibra com ho faria una campana sota l'efecte d'un cop.

Existeixen aleshores, el que s'anomena en ambdós casos, modes quasi normals per a aquestes vibracions que s'esmorteiran, sota l'efecte de l'emissió d'ones gravitacionals en els primers casos, i amb emissions sonores per a una campana. L'efecte d'amortiment farà que el forat negre, després d'una fusió, prengui la forma exacta descrita per la famosa mètrica de Kerr per a un forat negre sense càrregues giratòries.

Com que aquests modes quasi normals tenen freqüències determinades per la teoria dels forats negres, fixat per la massa i l'espin del forat negre final, fent que el seu descobriment en l'espectre de les ones gravitacionals seria una prova molt convincent de l'existència d'un horitzó d'esdeveniments i, per tant, de l'existència de forats negres... però amb la condició que les freqüències trobades (altres astres compactes amb modes quasi normals sense horitzons d'esdeveniments són possibles) són precisament els que es dedueixen de les solucions pertorbades que descriuen els forats negres.

Clic a la imatge per engrandir. Saul A. Teukolsky (1947-) és un astrofísic relativista d'origen sud-africà especialitzat en la resolució numèrica de les equacions d'Einstein aplicades a la física dels forats negres i les estrelles de neutrons, en particular amb el fenomen de l'emissió d'ones gravitacionals, les formes de les quals modela per a la detecció amb instruments com LIGO i VIRGO. També és conegut pel seu treball sobre les pertorbacions de la solució de Kerr per a forats negres en rotació, mentre completava la seva tesi sota la supervisió del guanyador del Premi Nobel Kip Thorne. Crèdit: 2019 Universitat Cornell.

Recordem que les equacions de la teoria de la relativitat general no són lineals. Per tant, són molt més difícils de resoldre que en el cas de les equacions lineals i de vegades requereixen l'ús de simulacions numèriques en ordinador. Aquest no és un cas únic, les equacions de Navier-Stokes en mecànica de fluids, també no lineals, es poden utilitzar per exemple analíticament per descriure el moviment de petites ones a la superfície de l'aigua. Aleshores es pot aplicar el mètode de pertorbació, un mètode que també s'ha aplicat en el règim lineal per descriure com es comporten els forats negres quan estan sotmesos a efectes de baixa intensitat. Però en altres situacions, l'ús d'un ordinador esdevé necessari.

L'estudi dels modes quasi normals és un tema de recerca important perquè s'han proposat alternatives als forats negres, com ara els gravastars, per explicar objectes observats en astrofísica, com ara Sgr A* o M 87* , que semblen comportar-se com a forats negres fins a cert punt.

És precisament, en part, en un intent de posar fi al debat sobre l'existència real dels forats negres que es van dissenyar i llançar els projectes de detectors d'ones gravitacionals LIGO, VIRGO i eLisa.

Per saber-ne més

El britànic John Michell (1783) i el francès Pierre-Simon de Laplace (1796) van preveure el concepte de forat negre ja a finals del segle XVIII quan consideraven la velocitat d'escapament màxima d'un cos d'una massa i un radi determinats. La qüestió era natural perquè, en aquell moment, el model corpuscular dominava la concepció de la llum i també se sospitava que la matèria estava feta de partícules. Si la velocitat d'escapament d'un cos d'aquest tipus superava la velocitat de la llum, per tant, necessàriament havia de ser perfectament negre perquè cap radiació no en podia escapar.

La idea només tornaria a la vida durant la segona meitat del segle XX, amb el descobriment de la teoria de la relativitat general i el de la famosa solució de Schwarzschild, la naturalesa física de la qual, així com l'estructura matemàtica, només es va començar a comprendre durant les dècades del 1950 i del 1960. L'aparició de la teoria ondulatòria moderna de la llum, després del treball de Young, Fresnel i, per descomptat, Maxwell al segle XIX, no implicava de fet cap acció de la gravitació sobre la llum, a diferència de les partícules de llum de Newton que descrivien trajectòries en forma de raigs de llum segons lleis anàlogues a les de les partícules materials.

Igual que Einstein i altres, el físic John Wheeler es va mostrar inicialment escèptic sobre l'existència del que ell mateix va anomenar un forat negre el 1967 i que estava implícit en la solució de Schwarzschild. Va canviar d'opinió a principis dels anys seixanta i, amb els seus col·laboradors, es va unir a l'escola britànica dirigida per un antic estudiant de doctorat de Paul Dirac, Denis Sciama, i els seus estudiants (Roger Penrose i Stephen Hawking ), així com a l'escola russa dirigida per Yakov Zeldovich i Igor Novikov, en l'exploració de la teoria dels forats negres durant el període comprès entre 1963 i 1973, un període anomenat des de llavors l'edat d'or de la teoria dels forats negres. Es pot rastrejar des del descobriment de la solució de Kerr que descriu un forat negre en rotació fins al descobriment de la radiació dels forats negres per Hawking.

Ho he vist aquí.

Les ones gravitacionals podrien demostrar que els forats negres no existeixen

Les ones gravitacionals podrien demostrar que els forats negres no existeixen sinó que són boles de cordes.

Segons alguns càlculs de la teoria de les supercordes, els forats negres no existeixen, sinó que es formarien objectes amb propietats similars anomenats "Boles de pelussa, o en anglès conegudes com a "fuzzballs". Aquestes boles difuses de supercordes tindrien signatures particulars en forma d'ones gravitacionals durant les col·lisions d'estrelles que erròniament pensem que són autèntics forats negres.

Clic a la imatge per engrandir. Imatge d'un artista que mostra l'origen del senyal observat pels detectors d'ones gravitacionals LIGO i VIRGO el 21 de maig de 2019 (GW190521). Devia ser una col·lisió de forats negres. Crèdit: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

Entrevista: com mesurar les ones gravitatòries?  Les ones gravitatòries són distorsions de l'espai-temps predites per Einstein. Seria possible mesurar-los amb les eines adequades. L'editor literari Dunod va entrevistar Pierre Binétruy, professor del laboratori d'Astropartícules i Cosmologia de la Universitat Diderot de París, per saber més sobre aquestes ones misterioses i com podríem detectar-les (en francés).

Des de la detecció de les ones gravitacionals l'any 2015 i en menor grau gràcies a les imatges de la col·laboració del Telescopi Event Horizon, es podria creure que l'existència de forats negres és un fet provat. Ho podem pensar, però encara no podem afirmar-ho i una publicació recent a la famosa i reconeguda revista Physical Review D aporta aigua al molí d'aquells que pensen que no només els forats negres no existeixen sinó que aviat serà possible demostrar-ho. gràcies a l'astronomia gravitacional i als avenços en detectors com LIGO i VIRGO.

L'article sobre aquest tema prové d'un equip de físics amb seu a la Universitat de Roma “La Sapienza”, la principal universitat italiana, i és de lliure accés a arXiv. Per entendre de què va tot això, tornem a principis dels anys vuitanta, quan el que s'anomenava l'època daurada de la teoria del forat negre estava arribant a la seva fi, i les teories de la supergravetat i, en menor mesura, les supercordes estaven en auge.

Després del seu impressionant treball en astrofísica, Subrahmanyan Chandrasekharva ser guardonat amb el Premi Nobel de Física l'any 1983. Com és habitual per al lliurament d'aquest premi, el guardonat va fer una conferència. Al final de la del gran astrofísic indi, trobem observacions fascinants sobre la teoria matemàtica dels forats negres, que són aproximadament les que venen a continuació del vídeo.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Subramanyan Chandrasekhar rebent la seva medalla i diploma durant la cerimònia del Premi Nobel a la Sala de Concerts d'Estocolm, Suècia, el 10 de desembre de 1983. Crèdit: Nobel Prize.

"No sé si la importància total del que vaig dir està clara. Deixi'm explicar. Els forats negres són objectes macroscòpics amb masses que varien des d'unes poques masses solars fins a milers de milions de masses solars. Quan es poden considerar estacionaris i aïllats, tots, cadascun d'ells, es descriuen exactament per la solució de Kerr. Aquest és l'únic cas conegut en què tenim una descripció exacta d'un objecte macroscòpic.

Els objectes macroscòpics que ens envolten estan governats per una varietat de forces, descrites per diverses aproximacions de diverses teories físiques.

D'altra banda, els únics elements de construcció dels forats negres són els nostres conceptes bàsics d'espai i temps. Són, doncs, gairebé per definició, els objectes macroscòpics més perfectes de l'Univers. I com que la teoria de la relativitat general ens proporciona una família de solucions que només depenen de dos paràmetres per a la seva descripció, també són els objectes més simples de l'Univers".

Aquesta senzilla observació és a l'arrel de la famosa paradoxa de la informació sorgida del descobriment de Stephen Hawking de la famosa radiació quàntica dels forats negres.

De fet, les observacions de Chandrasekhar es refereixen a la teoria dels forats negres deduïda rigorosament de la teoria de la relativitat general d'Einstein. Com Hawking i un altre Premi Nobel de Física, Roger Penrose demostraran abundantment amb els seus col·legues, en el marc d'aquesta teoria hem de considerar que el que defineix un forat negre és només l'existència d'un horitzó d'esdeveniments i absolutament no l'existència d'una singularitat de l'espai-temps. Aquest horitzó d'esdeveniments és una superfície tancada que constitueix una frontera que envolta una regió de la qual només es pot entrar i no sortir mai, perquè per fer-ho caldria superar la velocitat de la llum. De vegades es descriu com una membrana que només es pot travessar en una direcció i com totes les membranes és de fet un objecte dinàmic que pot vibrar, deformar-se, estirar però que tindria la particularitat de no poder-se trencar mai.

L'entropia i la teoria paradoxal de la informació dels forats negres

Però segons els càlculs de Hawking, descrivint quànticament el comportament de la llum i la matèria al voltant d'un forat negre, aquests objectes molt compactes començarien a irradiar com ho faria un cos escalfat, més precisament el que anomenem cos negre. Tanmateix, segons la teoria de la termodinàmica aquesta radiació implica que un forat negre té una quantitat anomenada entropia. En tots els sistemes físics coneguts, una gran entropia s'associa a un objecte molt complex en el sentit que està formada per partícules molt nombroses descrites per un nombre molt gran de paràmetres i per a les quals hauria de disposar d'una gran quantitat d'informació per caracteritzar-les. Quan un gas cau en un forat negre, aquesta informació ja no està disponible per a un observador extern. També és impossible, per les mateixes raons, comunicar-se amb una sonda que travessaria l'horitzó i disposar d'informació valuosa sobre el que veuria aquesta sonda, ja que no podria enviar ones de ràdio  fora del forat negre a més, qualsevol informació continguda només en la memòria de aquesta sonda es perdria irremeiablement ja que no es pot comunicar fora del forat negre.

A la pràctica, doncs, ja que la definició d'informació i entropia donada a partir del treball de Claude Shannon i John von Neumann, la pèrdua d'informació generada per l'horitzó d'esdeveniments dóna lloc a l'entropia. Hawking, en particular, havia demostrat abans del seu descobriment de la radiació dels forats negres que la superfície de l'horitzó d'esdeveniments ha d'augmentar quan un forat negre s'empassa alguna cosa i això d'acord amb la llei del creixement de l'entropia de la termodinàmica si se identificar el valor de l'entropia d'un forat negre com el producte de la superfície del seu horitzó per una constant de proporcionalitat adequada.

Tenint en compte les declaracions de Chandrasekhar, immediatament s'entén que alguna cosa no funciona. Els forats negres es caracteritzen rigorosament per un nombre reduït de paràmetres, massa, moment cinètic i la càrrega, independentment del fet que l'objecte d'una massa determinada que hi cauria sigui un bloc de ferro o un llibre amb molta més informació.

Com a resultat, els forats negres no haurien de poder contenir molta informació i part d'ella no s'amagaria, sinó que es destruiria, o almenys això és el que es podria deduir ingènuament a primera vista, de manera que els forats negres no haurien de ser capaços de poder ser dotats d'una forta entropia d'una manera coherent amb els principis fonamentals de la física coneguda, al contrari del que impliquen les lleis de la termodinàmica i la mecànica quàntica aplicada a aquests objectes, a partir de la teoria de la relativitat general d'Einstein.

Ens trobem, doncs, davant d'una paradoxa que és precisament la de la informació amb forats negres. Hauria d'existir paràmetres amagats en un nombre molt gran darrere del petit nombre de paràmetres que descriuen un forat negre i les solucions de la teoria d'Einstein només serien descripcions artificialment simplificades d'un sistema físic que podria contenir tants graus de llibertat (posicions i velocitats de partícules) que un gas com diuen els físics en el seu argot. Per tant, els forats negres no haurien de ser objectes perfectament "llisos" i simples de la mateixa manera que la Terra no és una esfera de matèria perfectament esfèrica formada per un material senzill i coherent.

Durant gairebé una dècada, l'estudi d'aquesta paradoxa ha donat lloc a nous problemes, un dels quals va ser descobert per Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski i James Sully. Es coneix com el "tallafoc» (firewall en anglès).

N'hi ha prou amb saber que una de les solucions a aquesta paradoxa és admetre que els forats negres sí que es comporten en moltes situacions astrofísiques i físiques com si a la pràctica tinguessin un horitzó d'esdeveniments, però això en l'absolut no és cert. Un horitzó d'esdeveniments només seria el que anomenem en física un concepte efectiu i no fonamental, de la mateixa manera que és pràctic considerar que l'aigua o l'aire són fluids continus que permeten càlculs amb les equacions de Navier-Stokes, mentre que en realitat sabem bé que estan formats de molècules.

Un gas de supercordes autogravitant

Sovint s'ha argumentat que una teoria quàntica de la gravitació i el seu acoblament a la matèria permetria resoldre totes les preguntes que queden sense resposta amb els forats negres, en particular eliminant les singularitats al cor de les solucions del forat negre conegudes a la relativitat general. Durant anys els físics i, en particular, Samir Mathur, de la Universitat Estatal d'Ohio, han argumentat que aquest ha de ser realment el cas utilitzant la teoria de supercordes que implicaria que més enllà de l'etapa de col·lapse de l'estrella de neutrons convertint-se en un forat negre, l'objecte una mica més compacte format seria de fet una bola de supercordes anomenada Bola de pelussa, una teoria que li devem precisament a Samir Mathur.

Si suposem que les partícules de matèria i fins i tot totes les partícules quàntiques fonamentals, gluons i bosons de Brout-Englert-Higgs inclòs, són supercordes vibrants, aleshores els càlculs mostren que la matèria d'una estrella que s'esfondra indefensament per sota de l'horitzó d'esdeveniments associat amb el forat negre en què sembla convertir-se no hauria d'acabar per sota de la forma d'un punt de densitat infinita a el lloc on l'espai-temps mateix és aniquilat segons la teoria no quàntica d'Einstein, al cor d'un forat negre. Les supercadenes quàntiques s'estirarien i s'allargarien fins al punt de formar una mena de gas quàntic difús ocupant tot el volum dins d'un horitzó d'esdeveniments que només seria efectiu, una mica com els que tenen lloc a la superfície del Sol.

Però, com provar aquesta teoria?

Clic a la imatge per engrandir. El treball més famós del físic indi, CV Vishveshwara (1938-2017), és el descobriment dels modes quasi-normals dels forats negres. El 1970 va demostrar que un forat negre de Schwarzschild pertorbat per un pols de radiació gravitatòria tornarà al seu estat original emetent ones gravitatòries d'una forma característica determinada pel que s'anomenen modes quasi-normals. Les freqüències (complexes) d'aquests modes quasi-normals per als forats negres de Schwarzschild són independents de la forma d'aquesta pertorbació i es caracteritzen completament per la massa del forat negre. Més tard, aquest resultat es va generalitzar al cas dels forats negres Kerren en rotació. Els modes quasi-normals són aleshores funcions de la massa i del moment angular propi, l'espín, del forat negre. L'observació de modes quasi-normals es considera una manera d'establir l'existència de forats negres. Crèdit: International Centre for Theoretical Sciences, Bengaluru.

Modes quasi-normals característics dels forats negres

El senyal de les ones gravitacionals detectades per LIGO i VIRGO sobre col·lisions de forats negres ja era un argument fort a favor de l'existència de forats negres en la teoria de la relativitat general, però encara no és del tot concloent a dia d'avui. De fet, el que realment estem intentant destacar, ja que aquests detectors, i d'altres com el KAGRA, augmenten de sensibilitat és el que anomenem modes quasi-normals de l'horitzó d'esdeveniments dels forats negres i ja tenim pistes en aquesta direcció.

Els modes quasi-normals ja es coneixen en la física clàssica com a campanes que es toquen. Es produeix un so que s'esmorteix amb el temps i aquest so es pot dividir en diverses freqüències i ones elementals particulars, anàlogues als modes normals que componen una corda vibrant sense amortiment notable. Aquests modes quasi-normals constitueixen una mena de targetes d'identitat espectrals d'un forat negre en l'espai-temps corbat igual que l'espectre brillant d'elements per a la composició de l'atmosfera de l'estrelles.

Tanmateix, com hem dit, un horitzó d'esdeveniments pot comportar-se com una membrana vibrant i, per tant, en teoria és possible demostrar l'existència d'aquesta membrana amb els seus modes de vibració propis, quasi-normals, mitjançant l'anàlisi del senyal gravitacional d'una col·lisió d'un forat negre. És una mica com escoltar el "so" del forat negre i comprovar que es comporta com el que esperaries que faci un forat negre.

En l'article que es ve publicar, donada la complexitat dels càlculs amb la teoria de les boles de pelussa, els investigadors van voler fer una prova més senzilla sobre la col·lisió de dues d'aquestes boles de corda i tenir una idea del senyal gravitatori produït. Van fer simulacions numèriques pel que fa al comportament d'un espai-temps descrit per una teoria de supergravetat en quatre dimensions anomenades tipus N=2 i capturant la geometria d'una solució de tipus bola de pelussa per al que seria un forat negre eficaç pertorbat externament.

Aleshores, els càlculs mostren que inicialment el senyal obtingut és similar al dels modes quasi-normals d'un forat negre recentment format per la fusió de dos forats negres en col·lisió, però al cap d'un cert temps el senyal ja no inclou els modes que descriuen un horitzó i, per tant, delata el fet que només és efectiu. Com a avantatge, els mateixos càlculs mostren que també podríem destacar els ecos gravitacionals, un fenomen descrit anteriorment, i que vindrien aquí de les ones gravitacionals que es propaguen dins de la bola de supercordes.

Segons els investigadors, LIGO i VIRGO algun dia haurien de ser capaços de detectar aquest senyal.

Ho he vist aquí.