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.

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.

El forat negre al centre de la Via Làctia és un forat de cuc?

Clic per engrandir. Recreació artística d'un forat de cuc que connecta dos universos. Crèdit: vchalup, Fotolia.

Submergeix-te al cor dels forats negres, aquestes estrelles que devoren tota la matèria, i fins i tot la llum! 

Després del descobriment dels forats negres, descobrirem forats de cuc? Diverses tècniques ens podrien permetre fer-ho, una de les quals s'acaba de descriure. Es podria aplicar a Sagitari A, (Sgr A) el nostre forat negre supermassiu que potser no ho és, sinó que és un forat de cuc entre dos universos paral·lels.

Investigadors de renom han estat especulant sobre l'existència de forats de cuc en astrofísica durant gairebé 60 anys. Aquestes solucions a les equacions d'Einstein són de fet cosines de les que porten a la teoria dels forats negres. Per tant, s'ha especulat que almenys alguns dels objectes que observem al cosmos avui, que semblen comportar-se com forats negres, no ho són. Per demostrar-ho, caldria demostrar que aquests objectes no tenen un horitzó d'esdeveniments, per exemple estudiant les ones gravitatòries que emeten durant els xocs i buscant modes quasi normals.

Sabem, efectivament, des d'aquest punt de vista que els forats negres predits per la teoria de la relativitat general poden vibrar en posseir un espectre de vibracions que constitueix una targeta d'identitat fiable com ho són les línies d' emissió dels àtoms d'un objecte determinat. Teòricament és possible distingir un forat negre descrit per les equacions d'Einstein d'un forat negre descrit per una altra teoria relativista de la gravitació (per exemple tensor-escalar per utilitzar l'argot dels físics teòrics) amb aquest espectre que és precisament la marca de quasi-normal.

A més, un objecte que sigui compacte, però que no tingui un horitzó d'esdeveniments, emetria diferents ones gravitatòries durant una col·lisió. Un forat de cuc no té aquest horitzó i per tant, es pot imaginar intentant detectar l'existència d'aquests objectes gràcies a l'astronomia gravitatòria.

Alguns escenaris cosmològics que fan que els camps escalars juguen un paper important, potser en relació amb l'existència d'energia fosca avui o d'una fase d'inflació a l'univers primordial, permeten imaginar que els forats de cuc van aparèixer durant el Big Bang. Els forats negres supermassius, l'existència dels quals s'explica fent-los créixer a partir de "llavors" que serien forats negres primordials nascuts de fluctuacions de densitat en el contingut de l'univers en el seu naixement, podrien convertir-se en forats de cuc primordials.

Un seminari de Katie Bouman sobre la imatge presa de M87. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Caltech. YouTube.

Les ones gravitatòries no són l'única manera de provar la teoria del forat negre i revelar l'existència d'objectes exòtics que podrien ocupar el seu lloc. De fet, els membres de la  col·laboració del Telescopi Event Horizon van intentar esbrinar si M87 no era realment un forat de cuc perquè la imatge que es podria obtenir no és la mateixa segons si es troba en presència d'un forat negre semblant a Kerr o un objecte amb característiques de forat de cuc. Sembla que, en el cas de M87, aquesta última possibilitat és poc probable, tal com va explicar Katie Bouman en el seu seminari a Caltech (vegeu minuts 45 a 49, al vídeo anterior). 

Avui, dos investigadors, Dejan Stojkovic, de la Universitat de Buffalo (EUA), i De-Chang Dai de la Universitat de Yangzhou, han esbossat un altre mètode per intentar esbrinar si un forat negre no és en realitat un forat de cuc. L'article sobre aquest tema, que es pot consultar en accés obert a arXiv, es va publicar a la reconeguda revista Physical Review D.

La idea bàsica és senzilla d'entendre. Si un forat negre supermassiu com Sgr A és de fet un forat de cuc, canalitza el camp gravitatori dels objectes en una de les seves entrades per sortir per l'altra. Això ha de passar tant si els dos extrems del forat de cuc es troben al nostre Univers com si connecten dos universos.

El resultat seria que els moviments d'estrelles properes a Sgr A, per exemple la famosa S2, no s'ajustarien exactament al que s'espera perquè el camp gravitatori no seria el d'un forat negre de Kerr sinó la suma dels camps produïts per el forat de cuc i per les estrelles properes a banda i banda del forat de cuc.

Clic per engrandir. En aquest diagrama, al centre les dues boques d'un forat de cuc identificades com una, i que apareixen a primera aproximació com dos horitzons d'esdeveniments d'un forat negre però que no ho són. Aquest forat de cuc connecta dues regions del mateix univers o dos universos. El camp de gravetat que experimenten dues estrelles és, de fet, el resultat del del forat de cuc i de cadascuna d'aquestes estrelles a banda i banda del forat de cuc, fet que provoca moviments anormals si no se sap que estem en presència d'un forat de cuc. Crèdit: American Physical Society.

Per descomptat, en descobrir aquestes anomalies de moviment, es plantejaria la qüestió de saber fins a quin punt és possible explicar-les a partir d'altres hipòtesis, per exemple amb la presència d'una població de forats negres estel·lars difícils de detectar a prop de Sgr A, que sens dubte modificaria l'aspecte de l'espai-temps al voltant de Sgr A, espai-temps la mètrica del qual, com diuen els físics, ja no seria exactament la d'un forat negre de Kerr.

El cert és que és una pista interessant per profunditzar, tant el descobriment de l'existència de forats de cuc, potencialment connectats a altres universos a més, tal com esperava poder demostrar el difunt Nikolai Kardaixov amb RadioAstron, seria una revolució científica.

Aquesta simulació mostra les òrbites d'un petit grup d'estrelles situades prop del forat negre supermassiu al centre de la Via Làctia. Durant l'any 2018, una d'aquestes estrelles, anomenada S2, va passar molt a prop del forat negre i va ser objecte d'una intensa campanya d'observacions amb telescopis de l'ESO. El seu comportament era coherent amb les prediccions de la teoria de la relativitat general d'Einstein, però incompatible amb la teoria de la gravitació de Newton. Crèdit: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

 

Què cal recordar?

Els forats negres es defineixen per l'existència d'un horitzó d'esdeveniments. Comparteixen algunes altres propietats amb objectes sense horitzó com els forats de cuc, també solucions de les equacions d'Einstein i, per tant, poden suplantar-los.

Diversos objectes astrofísics es comporten de manera convincent com forats negres, però falta una prova definitiva, la presència d'un horitzó; hi ha alternatives a aquesta hipòtesi però no són gaire creïbles.

LIGO i VIRGO podrien permetre distingir forats negres i forats de cuc  mitjançant un fenomen d'eco en les ones gravitatòries emeses durant les col·lisions i fusions d'aquests objectes o mitjançant la detecció de modes quasi normals.

Existeixen altres estratègies, una de les quals consisteix a mesurar finament el moviment de les estrelles al voltant del forat negre supermassiu de la Via Làctia Sgr A. Les estrelles a l'altre costat d'una de les entrades a un forat de cuc podrien fer sentir la seva presència gravitatòriament.

Ho he vist aquí.

Primera imatge d'un doll produït pel forat negre gegant al centre de la galàxia M87

Clic a l'imatge per engrandir. Els científics que observen el nucli de ràdio compacte de M87 han descobert nous detalls sobre el forat negre supermassiu de la galàxia. En aquesta recreació artística, el doll massiu del forat negre es veu pujant des del centre del forat negre. Les observacions en què es basa aquesta il·lustració representen la primera vegada que el raig i l'ombra del forat negre s'han fotografiat junts, donant als científics una millor comprensió de com els forats negres poden impulsar aquests potents dolls. Crèdit: S. Dagnello (NRAO, AUI, NSF).

 

Primera imatge d'un forat negre supermassiu: submergiu-vos al cor de la galàxia M87  Descobriu on s'amaga el forat negre supermassiu del qual els astrònoms han donat a conèixer la primera imatge de la història. Aquest vídeo ens transporta al centre de la gran galàxia que la protegeix, a 55 milions d'anys llum de la Terra.

M87* és el forat negre supermassiu al cor de la galàxia gegant M87 que va proporcionar la primera imatge de l'ombra de l'horitzó d'esdeveniments d'aquestes estrelles compactes. Avui, un grup de radiotelescopis inclosos els d'ALMA d'ESO, revela en una sola imatge el mateix forat negre, però també el naixement del seu raig de matèria a partir d'un anell de matèria al voltant de M87*. Això és suficient per entendre millor els altres dolls de forats negres. 

Ja a l'abril de 2019, la galàxia Messier 87 (M87), una enorme galàxia el·líptica situada a uns 55 milions d'anys llum de la Terra, va arribar als titulars en el camp de la radioastronomia. De fet, els astrònoms el van estudiar durant segles al visible i a la constel·lació de la Verge, després del seu descobriment per Charles Messier al 1781. Més tard es va adonar que a més de contenir 10 vegades més estrelles que la Via Làctia, també contenia al seu cor un forat negre supermassiu que era un excel·lent objectiu per poder observar l'ombra de l'horitzó d'esdeveniments d'un forat negre.

Per a això, calia mobilitzar les observacions de diversos radiotelescopis a la superfície de la Terra i implementar amb ells la tècnica de síntesi d'obertura. Permet disposar virtualment d'un radiotelescopi de la mida de la Terra combinant les observacions d'aquests instruments i, per tant, poder produir imatges amb una resolució rècord.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Roger Blandford ens parla dels forats negres supermassius i els seus dolls en aquest vídeo. Crèdit: Quanta Magazine.

Observacions addicionals de l'EHT

Això és el que havien aconseguit fer els membres de la col·laboració Event Horizon Telescope (EHT-Telescopi de l'Horitzó de Successos), revelant així al 2019, la primera imatge d'un forat negre . Avui, tal com s'explica en una nota de premsa de l'Observatori Europeu del Sud (ESO) que acompanya una publicació a Nature, hem observat per primera vegada en la mateixa imatge, l'ombra del forat negre al centre de M87 i el potent jet de partícules de matèria gairebé a la velocitat de la llum quan és expulsat.

La nota de premsa també especifica que és fruit d'un procés a llarg termini de processament dels senyals recollits perquè va començar amb observacions fetes l'any 2018 amb els telescopis del Global Millimeter VLBI Array (GMVA - Conjunt Global VLBI milimétric), de l'Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) i el Greenland Telescope (GLT).

 

Aquest jet es coneix des de fa molt de temps quan l'astrònom nord-americà Heber Doust Curtis l'havia observat ja l'any 1918. Però només més tard podríem entendre que aquest raig de matèria particularment fi i col·limat, que s'estén per almenys 5.000 anys llums de distància, és el resultat de complexos processos físics relacionats amb la magnetohidrodinàmica dels plasmes en l'espai-temps corbat, en aquest cas el forat negre de Kerr en rotació que conté aproximadament 6.500 milions de masses solars.

Clic a l'imatge per engrandir. Aquesta imatge mostra per primera vegada el raig i l'ombra del forat negre al centre de la galàxia M87. Les observacions es van obtenir amb els telescopis del Global Millimeter VLBI Array (GMVA), l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), del qual l'ESO és soci, i el Greenland Telescope. La imatge proporciona als científics el context necessari per entendre com es forma el potent jet. Les noves observacions també van revelar que l'anell del forat negre, que es mostra aquí a la inserció, és un 50% més gran que l'anell observat a longituds d'ona de ràdio més curtes pel telescopi Event Horizon (EHT). Això fa pensar que a la nova imatge veiem més material que cau cap al forat negre del que podríem veure amb l'EHT. Crèdit: R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF).

Un laboratori per entendre l'astrofísica dels forats negres galàctics

El repte de les noves anàlisis de les observacions és més ampli que el cas de M87 perquè es coneixen diversos dolls similars i sabem que han d'estar relacionats amb les interaccions entre els forats negres supermassius i les galàxies que els acullen.

"Sabem que els dolls són expulsats de la regió al voltant dels forats negres, però encara no entenem del tot com passa això. Per estudiar-ho directament, hem d'observar l'origen del raig el més a prop possible del forat negre", va dir Ru-Sen Lu de l'Observatori Astronòmic de Shanghai a la Xina en el comunicat de l'ESO.

Les observacions anteriors havien donat com a resultat imatges separades de la regió propera al forat negre i al doll, però "aquesta nova imatge completa la imatge mostrant la regió al voltant del forat negre i el raig al mateix temps", afegeix el seu col·lega Jae-Young Kim de la Universitat Nacional de Kyungpook a Corea del Sud i de l'Institut Max Planck de Radioastronomia a Alemanya.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del video. Amb l'ajuda d'ALMA, els astrònoms han obtingut una nova imatge del forat negre supermassiu situat al centre de la galàxia M87. Crèdit: Observatori Europeu del Sud (ESO).

Encara en la mateixa nota de premsa, ens assabentem que el guany de resolució encara obtingut en el cas del M87 prové del fet que els investigadors amb els radiotelescopis utilitzats han aprofitat les ones de ràdio amb una longitud d'ona més gran que la del EHT: 3,5 mm en lloc d'1,3 mm. Tal com explica Thomas Krichbaum, de l'Institut Max-Planck de Ràdioastronomia. "En aquesta longitud d'ona, podem veure com el raig emergeix de l'anell d'emissió al voltant del forat negre supermassiu central". La mida de l'anell observat és aproximadament un 50% més gran que la de la imatge del telescopi Event Horizon.

"Per entendre l'origen físic d'aquest anell més gran i gruixut, vam haver d'utilitzar simulacions per ordinador per provar diferents escenaris", afegeix Keiichi Asada de l'Acadèmia Sinica de Taiwan.

En última instància, la imatge mostraria més completament part del material que cau cap a l'horitzó d'esdeveniments del forat negre supermassiu.

Ho he vist aquí.

El forat negre supermassiu M87* "filmat" en plena activitat pel EHT

La famosa imatge en fals color del forat negre M87*. Crèdit EHT (Event Horizon Telescope Collaboration)

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 més recents es refereix a les imatges que es comencen a presentar sobre el forat negre supermassiu M87*. Fins i tot comencem a poder fer-ne pel·lícules mostrant la seva activitat.

 

Einstein va assenyalar enèrgicament, amb raó i reiteradament, que la ciència es basa en la lliure creació de conceptes i teories, i que no hi ha un camí deductiu lògic, un mètode que condueixi des de les dades de l’experiència a la creació d’una teoria científica, contràriament al que afirmen certes concepcions positivistes de l’empirisme lògic. En aquest sentit, i la història de la ciència ho demostra àmpliament, des de Kepler fins a Schrödinger, passant per Newton i Einstein, totes les fonts d’inspiració poden ser bones per tenir en compte i no és estrany que es trobin arquetips profunds. la font dels majors avenços científics i racionals, que al seu torn ressonarà amb aquests arquetips com Wolfgang Pauli bé ho sabia.

Podeu triar l'idioma dels subtítols a la configuració del video. Jean-Pierre Luminet
llançarà properament un nou llibre que considera la seva "Magnum opus" el 14 d’octubre
a Editions Odile Jacob:  L’Écume de l’espace temps. © Jean-Pierre Luminet

Però Einstein, sens dubte, també hauria estat d’acord amb les afirmacions de Richard Feynman que descrivien la seva concepció i pràctica de la física teòrica: “El joc que jugo és molt interessant. És la imaginació en una camisa de força que és la següent: ha d’estar d’acord amb les lleis conegudes de la física (...) Cal la imaginació per pensar el que és possible, llavors necessita una exploració posterior per veure si està bé, si es permet segons el que se sap, d'acord?" De fet, hi ha una lògica de descobriment científic basada en mètodes que poden ser revisats i sotmesos a discussió racional crítica, tal com entenia Karl Popper, però que no es poden passar per alt.

 

L'Event Horizon Telescope, una eina per provar la teoria dels forats negres.

La teoria de la relativitat general, amb els seus models cosmològics i la teoria dels forats negres, és sens dubte un bon exemple d’aquestes consideracions que afecten tant l’epistemologia com la filosofia i les arts gregues, com és cert. que els conceptes d'un espai-temps plàstic i un forat negre fascinen la ment humana. Per a ser explorat i sobretot provat, aquest últim requeria tot l’arsenal de tecnologia i mètodes de processament de dades de la ciència moderna, des de làsers fins a aprenentatge profund (Deep learning).

Recordem que es van aportar arguments de pes sobre l’existència de forats negres i la precisió de la teoria que els descrivia amb les observacions de la col·laboració Event Horizon Telescope (EHT) que va revelar al 2019 la primera imatge del que aquest que sembla ser un forat negre supermassiu a la galàxia M87. Aquesta imatge, que mostra una mica l’ombra de l’horitzó d’esdeveniments del forat negre M87* en contrast amb el seu disc d’acreció i el que es coneix com la seva esfera fotònica, s’ha obtingut en els darrers anys combinant observacions fetes per radiotelescopis de tot el món. Aquesta és la famosa tècnica de síntesi d'obertura per interferometria que crea un radiotelescopi virtual de la mida de la Terra, o gairebé, a partir de radiotelescopis molt més petits repartits pels diferents continents.

Es va trobar que l’observació era totalment coherent amb les pioneres simulacions digitals que Jean-Pierre Luminet va fer a finals dels anys setanta per mostrar el que els observadors podien esperar veure quan intentaven visualitzar un forat negre. i el seu entorn amb un disc d’acreció.

Una presentació del treball de la col·laboració EHT quan va revelar la primera
imatge de M87* el 2019. Trieu l'idioma dels subtítols a la configuració del vídeo.
© Perimeter Institute for Theoretical Physics.

Les variacions del disc d’acreció d’un forat negre sota la càmera del EHT.

Mitjançant un article publicat a The Astrophysical Journal,  els membres del EHT anuncien ara que han fet un pas més en obtenir diverses imatges repartides al llarg d’uns anys i que permeten debutar al cinema amb l’activitat d’un forat negre amb el seu plasma turbulent.

El contingut d’aquest article és comentat en aquests termes en una declaració del EHT Collaboration pel seu principal redactor, Maciek Wielgus, astrònom del Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics i autor principal de l’article: “L’any passat vam veure una imatge d’ombra d’un forat negre, que consistia en una mitja lluna brillant formada per plasma calent que gira al voltant de M87* i una part central fosca, que esperem sigui l’horitzó d’esdeveniments del forat negre.

Però aquests resultats es van basar només en observacions realitzades durant una finestra d’una setmana a l’abril de 2017, que és massa curta per detectar molts canvis. Basant-nos en els resultats de l’any passat, vam plantejar les següents preguntes: Aquesta morfologia en forma de mitja lluna és coherent amb les dades arxivades? Les dades arxivades mostrarien una mida i una orientació similars a les d'un croissant?"

De fet, des del 2009 fins al 2013, M87* es va observar mitjançant prototips del EHT amb radiotelescopis situats en tres llocs geogràfics el 2009-2012 i quatre llocs el 2013. El 2017, el EHT finalment va utilitzar instruments localitzats a cinc llocs geogràfics diferents de tot el món. 

“Amb la increïble resolució angular del EHT, podríem haver vist com es jugava a la lluna una partida de billar sense perdre de vista la puntuació". Recorda Maciek Wielgu. Ell i els seus col·legues es van beneficiar de l’experiència adquirida per desenvolupar eines per extreure informació d’avistaments anteriors al 2017.

Clic per engrandir. Instantànies del forat negre M 87* obtingudes mitjançant imatges
geomètriques/models i la xarxa de telescopis EHT entre 2009 i 2017. El diàmetre de tots
els anells és similar, però la ubicació del costat brillant varia. La variació de l'espessor
de l’anell probablement no és real i resulta del nombre limitat de radiotelescopis en
experiments anteriors. © M. Wielgus, D. Pesce i la col·laboració EHT.

Els astrofísics relativistes sabran ara, fan saber ara amb el comunicat del EHT, que les imatges de M87* sempre s’ajusten a les prediccions de la teoria de la relativitat general.

Per exemple, Kazu Akiyama, un radioastrònom del NRAO al MIT Haystack Observatory i membre de la col·laboració, explica que: “En aquest estudi, demostrem que la morfologia general o la presència d’un anell asimètric persisteix probablement a escales de temps de diversos anys. La coherència entre diverses èpoques d'observació ens dóna més confiança que mai en la naturalesa de M87* i l'origen de l'ombra”.

No obstant això, si el diàmetre de l’anell de fotons es va mantenir constant, la distribució de la seva intensitat de llum va parpellejar amb el pas del temps, cosa que va sorprendre gratament als investigadors. Recordem que el gas que cau sobre un forat negre s’escalfa fins a milers de milions de graus, s’ionitza i es converteix en un plasma turbulent en presència de camps magnètics.

Per a Maciek Wielgus i els seus col·legues, això es veuria com a manifestacions de les característiques de l’acreció de matèria pel forat negre: “Com que el flux de matèria és turbulent, l’anell sembla trontollar amb el pas del temps. De fet, hi veiem moltes oscil·lacions i tots els models d’acreció teòrics no ho permeten tant. Això significa que podem començar a excloure alguns dels models basats en la dinàmica de les fonts observades”.

En aquest vídeo, amb l'àudio en anglès, es mostra una simulació de la imatge del forat
negre observada per l'EHT, amb l'efecte de la resolució efectiva de l'instrument que fa
que la imatge sigui una mica borrosa. El disc d'acreció amb l'anell de fotons és turbulent
de totes maneres. © ehtelescope

De la mateixa manera que fem servir els moviments de les estrelles al voltant del forat negre central de la Via Làctia per provar alternatives a la teoria relativista de la gravitació d’Einstein, aquestes oscil·lacions permetran fer el mateix amb almenys M87*. El futur es veu brillant en aquest tema si ens imaginem una dècada de noves dades amb instruments encara més potents que ofereixen imatges de vídeo probablement espectaculars de l’activitat d’altres forats negres supermassius.

Per acabar, deixem la última paraula a Geoffrey Bower, també membre de la col·laboració EHT i investigador de l'Acadèmia Sinica, Institut d'Astronomia i Astrofísica (Asiaa): "El  seguiment de M87* amb una extensa xarxa EHT proporcionarà noves imatges i conjunts de dades molt més riques per estudiar la dinàmica turbulenta. Ja estem treballant en l’anàlisi de dades de les observacions del 2018, obtingudes amb un telescopi addicional situat a Groenlàndia. El 2021, estem planejant albiraments amb dos llocs més, proporcionant una qualitat d'imatge extraordinària. És un moment realment emocionant per estudiar els forats negres".

 

 Ho he vist aquí.

 

L'activitat "volcànica" d'un forat negre supermassiu amb un detall sense precedents

Clic per engrandir. Imatges en fals color que mostren les estructures produïdes per un forat
negre supermassiu actiu al centre del sistema Nest200047 vist en el visible. L’activitat d’aquest
forat negre afecta de manera crucial l’evolució de la galàxia i l’entorn intergalàctic que l’acull.
Crèdit: Universitat de Bolonya

Un equip internacional d’astrofísics va observar per primera vegada a l’entorn intergalàctic l’evolució del plasma calent a partir de les erupcions d’un forat negre supermassiu actiu. Hi van poder veure estructures, que recorden fortament les volutes i les plomes de fum i cendra produïdes per les erupcions volcàniques, amb detalls inèdits i en una escala temporal de l’ordre de cent milions d’anys.

El 1963, quan Maarten Schmidt, un astrònom holandès, va realitzar l’anàlisi espectral d’una estrella, l’equivalent visible d’una potent font de ràdio anomenada 3C 273, estava lluny de sospitar del que realment s’amagava darrere d’aquesta estrella que marcava el descobriment de quasi estel·lars fonts de ràdio, quàsars segons el nom proposat el 1964 per l’astrofísic xinès Hong-Yee Chiu. 

3C 273 semblava una estrella, però es trobava a més de 2.400 milions d’anys llum de la Via Làctia, el que significa que per poder ser observable a una distància tan cosmològica, havia de tenir una lluminositat absolutament prodigiosa, superior a 5 milions de milions de vegades la del Sol, o presentat d’una altra manera, equivalia a 1.000 vegades els centenars de milers de milions d’estrelles de la nostra Via Làctia.

Ara sabem que aquests quàsars són exemples del que s’anomena nuclis actius de galàxies (nuclis actius galàctics o AGN en anglès) i tenim tota la raó per creure que la seva prodigiosa energia prové de l’acreció de matèria fent girar forats negres supermassius de Kerr, possiblement conté milers de milions de masses solars com M87*, recentment capturades  per membres de la col·laboració de l'Event Horizon Telescope.

En aquest extracte de la plataforma TV-Web-cinema "Du Big Bang au Vivant", que cobreix
descobriments en el camp de l'astrofísica i la cosmologia, Jean-Pierre Luminet ens parla dels
quàsars. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Jean-Pierre Luminet.

Totes les observacions fetes fins ara donen suport cada cop més a la idea que els forats negres existeixen, però cal tenir en compte que encara falta la prova definitiva de la seva existència perquè de fet podríem veure objectes que es comportaven des d’un punt de vista astrofísic, com els forats negres, però que realment no ho són si no tenen la propietat essencial que els defineix: l’existència d’un horitzó d’esdeveniments tancat que funciona com una membrana que no pot travessar-se només que en una direcció.

El que és cert però, és que els objectes que creiem que són forats negres supermassius creixen en tàndem amb les galàxies que els acullen, ja que en la gran majoria dels casos veiem la mateixa relació de proporcionalitat creixent entre els dos tipus d'astres. Tots dos semblen créixer principalment a través de filaments de matèria freda, segons el paradigma acceptat actualment sobre el seu creixement.

Física relativista del plasma revelada per la radioastronomia

Quan cau prou gas sobre els forats negres supermassius en rotació, es forma un disc de matèria que s’escalfa i s’ionitza, de manera que es produeixen processos complexos de magnetohidrodinàmica relativista en l’espai-temps corbat. Al final, la rotació del forat negre s’acobla amb aquests processos, es produeixen raigs de matèria i la inestabilitat del disc condueix a erupcions. Aquestes erupcions han estat
estudiades durant dècades.

Ens agradaria saber més sobre l’efecte d’aquests dolls i erupcions sobre l’entorn interestel·lar i intergalàctic perquè se sospita que l’activitat dels forats negres té un impacte en la capacitat de les galàxies de produir estrelles. L'activitat dels forats negres supermassius podria provocar l'expulsió del gas de les galàxies, la qual cosa explicaria per què algunes d'elles no han format estrelles noves durant milers de milions d'anys; per la manca de material a utilitzar.

Observat amb un radiotelescopi de baixa freqüència per un equip de científics dirigit per Marisa Brienza de la Universitat de Bolonya, un dels forats negres al centre d’una vintena de galàxies a uns 200 milions d’anys llum de nosaltres ha revelat els efectes dels jets de matèria que recorda els productes de les erupcions volcàniques, és a dir, estructures espectaculars en forma de bolets, anells i filaments. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: MEDIAINAF TV, Marisa Brienza.

Avui continuem estudiant aquestes qüestions i, més generalment, els forats negres supermassius mitjançant radiotelescopis, com en el moment del descobriment dels quàsars. Un article que acaba de publicar-se a Nature Astronomy per un equip internacional d’astrònoms ho demostra; un comunicat de premsa de la Universitat de Bolonya i l'Institut Nacional d'Astrofísica Italià (INAF) també ho il·lustra.

Així, es van mobilitzar els radiotelescopis Lofar (LOw Frequency ARray) per estudiar un grup de vint galàxies situades a uns 200 milions d’anys llum de la Via Làctia i que contenen, com molts cúmuls galàctics, una galàxia gegant central el·líptica. Aquest grup de galàxies s’anomena Nest200047 i, tal com s’explica en el comunicat de premsa de la Universitat de Bolonya, l’estudi realitzat també es va beneficiar d’observacions en el domini tes galàxies. Les pertorbacions de l’entorn intergalàctic també durarien centenars de milions d’anys.

Els astrònoms veuen a l’entorn de Nest200047 bombolles i filaments de plasma de milions d’anys llum, calents i associats a camps magnètics, les estructures dels quals s’assemblen a les produïdes en plomes de cendra i gas injectades a l’ atmosfera de la Terra per algunes erupcions volcàniques.

Clic per engrandir. Els raigs provinents d’erupcions de forats negres produeixen, en xocar amb el
medi intergalàctic, bombolles de plasma i camps magnètics que suren cap a aquest medi des de
la galàxia gegant el·líptica central de Nest200047. Les bombolles es deformen i xoquen
formant estructures toroïdals i filamentàries que recorden les emissions de gas i fum per sobre
de determinats volcans, tal com es mostra al vídeo d’Inaf. Aquesta imatge és una reconstrucció
d’una evolució d’uns 100 milions d’anys aproximadament. Crèdit: M. Brienza/Università di Bologna/Inaf   

 

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo

El Lofar International Telescope (ILT) és un projecte paneuropeu de col·laboració dirigit per ASTRON Netherlands Institute for Radio Astronomy. Combinant milers de receptors dipols simples amb un potent processament de senyal digital i un càlcul d’altes prestacions, Lofar pot controlar ràpidament grans àrees del cel, mirant simultàniament en diverses direccions, i funciona a freqüències de ràdio baixes relativament desconegudes, obrint una nova finestra als astrònoms. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: AstronNL.

Ho he vist aquí.