Noves finestres a l'univers

2018/09/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astrofisika
• Astronomia

“Senyors, hem detectat ones gravitatòries. Ho hem fet!”, va anunciar el director executiu de LIGO, David Reitze, al febrer de 2016, la roda de premsa per a comunicar el descobriment. “Hem necessitat mesos per a saber que realment eren ones gravitatòries, però el més emocionant és ara mateix. Estem obrint una finestra a l'univers”.

Es refereix a la finestra més important que s'ha obert en els últims anys. “Conceptualment és una finestra completament nova —afirma l'astrofísic d'ESO, Miguel Querejeta—, entre altres coses perquè va comprovar que fora de l'espectre electromagnètic és possible investigar l'astronomia”.

Per primera vegada van aconseguir detectar les ones gravitatòries en l'observatori LLIGO (els Estats Units). Les ones anunciades per Einstein cent anys abans van ser mesures en directe per primera vegada. No era poc afirmar la teoria d'Einstein, però aquest descobriment va ser molt més. “Tecnològicament ha estat un assoliment enorme —subratlla el cosmólogo de la UPV-EHU Jon Urrestilla Urizabal— que mesura [deformació produïda per les ones gravitatòries als braços de l'interferòmetre] 10.000 vegades menor que un protó. I quan mesurem una cosa tan petita, estem mesurant la dansa que realitzen dos forats negres molt allunyats en fusionar-se”.

Aquest va ser el primer espectacle que es va veure des d'aquella finestra: el xoc entre dos forats negres. “Es pensava que els primers que s'anaven a veure serien estrelles de neutrons. Crèiem que hi havia moltes més estrelles de neutrons que forats negres, i les quatre primeres deteccions van ser les més negres”, explica Urrestilla. “A més, es van mesurar masses d'aquests forats negres que no eren típiques. Per tant, ara hem de pensar per què hi ha més forats negres dels que pensem i com es creen aquests forats negres”.

Mirant per diverses finestres

El 17 d'agost de 2017 va arribar el torn de les estrelles de neutrons. Es tracta de la cinquena vegada que es detectaven ones gravitatòries i es van detectar en LIGO i en VIRGO (Itàlia), de recent posada en marxa. A més, des d'altres finestres es va poder observar el xoc d'estrelles de neutrons. Als 1,7 segons de l'arribada de les ones gravitatòries van arribar els raigs gamma, seguits dels raigs X, ultraviolats, òptics, infrarojos i ones de ràdio. “Això va ser impressionant —destaca Urrestilla—, arribant a nosaltres les ones gravitatòries i electromagnètiques procedents del mateix procés que vam veure per primera vegada”.

Aquesta observació va tornar a donar la raó a Einstein. I és que hi ha teories que proposen canviar la teoria d'Einstein, teories f(R), per a intentar explicar l'energia i la matèria fosca, entre altres. Moltes d'aquestes teories prediuen que les ones gravitatòries i la llum són velocitats diferents. Segons Einstein són iguals. Perquè aquella observació va demostrar que Einstein tenia raó. “Per tant, aquestes teories f(R) no serveixen; ha quedat clar que la via per a entendre la matèria i l'energia fosca no és aquesta”, explica Urrestilla.

D'altra banda, “per a entendre el que ocorre en un xoc d'estrelles de neutrons, a més de les teories d'Einstein, és necessària una física d'alta energia”, ha afegit el cosmólogo. I en aquest cas també s'ha complert el que es preveu: “Els simulacres deien que en produir-se un xoc entre dues estrelles d'alta densitat, es trigaria un temps a treure els raigs gamma, i precisament amb la diferència de temps prevista van arribar les ones gravitatòries i els raigs gamma. Les ones gravitatòries han donat la raó a Einstein i a la física d'alta energia”.

Querejeta coincideix plenament amb la importància d'aquesta observació, destacant dos resultats importants que ha donat: “D'una banda, les explosions de raigs gamma eren un misteri, no sabíem quins fenòmens físics produïen, especialment les petites explosions de raigs gamma. I això confirma que produeix col·lisions de dues estrelles de neutrons. D'altra banda, pensàvem que el procés de síntesi de certs elements pesants (processo R) es produïa en supernodos, però això ha demostrat que la major part es dóna en el xoc d'estrelles de neutrons”.

Les primeres mirades des de la finestra d'ones gravitatòries han donat resultats importants, però gairebé tot pot estar per descobrir. També caldrà aprendre com mirar des d'aquesta finestra. “No sabem què podem trobar —diu Querejeta—, podem esperar que no sigui esperable”. Així ho creu també Urrestilla: “segur que veurem coses noves que no imaginem”.

Millorant les finestres existents

La de les ones gravitatòries no és l'única finestra que ens mostrarà coses noves. Per exemple, la finestra preferida de Querejeta és ÀNIMA: “Des que vaig començar en astronomia he treballat amb les ones de ràdio, i en aquest sentit ÀNIMA és una finestra única. Ara mateix estic treballant amb les dades preses per EUSKALTEL i són dades realment excel·lents”.

ÀNIMA, situada en el desert d'Atacama (Xile) a 5.000 metres d'altura, és un radiotelescopi de 66 antenes. Va començar en 2011 amb unes poques antenes, però fa un parell d'anys van posar en marxa tota la gamma d'antenes. Abans de l'ÀNIMA, el major telescopi que operava en aquestes longituds d'ona era el NOEMA (Plateau de Bure, França), amb 7 antenes. “Hi ha molta diferència —diu Querejeta—, té molta més precisió i podem analitzar objectes molt més llunyans”.

Detecta el gas i la pols. D'una banda, pot detectar galàxies i quasares molt allunyats i, per un altre, analitzar amb gran precisió els discos protoplanarios o les nebuloses en les quals neixen les estrelles. “El procés de naixement de les estrelles és una de les preguntes més importants sense resposta en astrofísica”, recorda Querejeta. “D'aquí esperem resultats importants. Ja ha donat alguns, per exemple, ha detectat directament el disc d'acrecición que envolta a una estrella i els planetes que allí s'estan creant”.

En el camp de les ones de ràdio hi ha una altra finestra molt espectacular. En el sud-est de la Xina, l'estiu de 2016 va finalitzar el radiotelescopi FAST, l'antena parabòlica més gran del món. Té un diàmetre de 500 m i una altura de 140 m. Per a evitar interferències, 9.000 habitants de la zona van haver d'anar-se. En aquest cas, no obstant això, és possible que la pròpia finestra sigui més visible que la que es veurà des d'allí. Així ho creu Querejeta: “FAST és superlatiu, ja que és més gran que el monstre d'Arecibo [té 300 m el d'Arecibo]. Pot ser d'ajuda, però em sembla difícil que d'aquí hi hagi grans revolucions. En definitiva, l'interferòmetre VLA, per exemple, aconsegueix major precisió en les mateixes longituds d'ona”.

D'una finestra molt més petita i senzilla, el mes de febrer passat es va obtenir un resultat espectacular en el projecte EDGES. Amb un radiotelescopi de la grandària d'una taula de cafè instal·lada en el desert australià van aconseguir rebre el senyal de les primeres estrelles. A 180 milions d'anys de Big bang, senyal cedit pels àtoms d'hidrogen, va demostrar que les primeres estrelles es creaven per a aquesta època i que l'univers era molt més fred de l'esperat. “És una idea enginyosa i han aconseguit un resultat realment bonic”, diu Querejeta.

Obertes

Una altra de les finestres que Querejeta ha construït però que falta per col·locar en el seu lloc és: “El Telescopi Espacial James Webb (JWST) és l'últim tresor de la NASA”. Encara que enguany anava a estar en marxa, el llançament s'ha retardat, però tot està llest. “Segur que des del moment del seu llançament començarà a realitzar interessants observacions”. Treballa en l'infraroig amb una gran capacitat de detecció. D'una banda, es tracta d'analitzar el naixement de les estrelles i els planetes, ja que les nebuloses i els discos protoplanarios estan plens de pols, i la pols en escalfar-se emet la major part de l'energia en les ones infraroges. D'altra banda, la llum visible i ultraviolada emesa per galàxies molt allunyades ens arriba en l'infraroig (per efecte Doppler), la qual cosa permetrà veure l'univers jove. “Es podran veure galàxies creades quan l'univers tenia uns mil milions d'anys”, explica Querejeta.

I entre les finestres en construcció hi ha altres dues destacades, segons Querejeta: “D'una banda, l'interferòmetre SKA, capaç de veure el gas atòmic, i per un altre, l'ELT, que treballarà en ona visible, quatre vegades més gran que el telescopi més gran d'aquest tipus actual”.

Urrestilla somia amb una altra finestra que encara falta molt per construir, LISA. L'interferòmetre LISA és un projecte de l'AQUESTA i la NASA que, igual que LLIGO i VIRGO, detectaria ones gravitatòries però en una altra freqüència. De fet, igual que en les ones electromagnètiques tenim ultraviolades, visible, infraroig, etc., les ones gravitatòries també són freqüents. Els interferòmetres que tenim ara només poden detectar unes ones gravitatòries amb els seus braços de tres o quatre quilòmetres.

LISA estaria formada per tres naus espacials discoidals que es col·locarien en l'espai. Els tres discos, formant un triangle equilàter, se situarien a 2,5 milions de quilòmetres entre si, i mitjançant l'enviament de raigs làser es mesurarien aquesta distància amb gran precisió, detectant el canvi produït per les ones gravitatòries. És un gran repte tecnològic. “És difícil, però l'experiment avança —explica Urrestilla—, ja l'AQUESTA ha posat en òrbita un d'aquests discos, LISA Pathfinder, per a provar la tecnologia. I dins de 20-30 anys s'espera que LISA estigui en òrbita”.

Mirant cada vegada més lluny

LISA detectaria les ones gravitatòries generades en la inflació. “Seria una finestra immensa per a la cosmologia perquè veuríem com era l'univers inicial”, subratlla Urrestilla.

Només es pot veure tan lluny de la finestra d'ones gravitatòries. De fet, l'univers al principi estava lliure de tots els electrons i fotons, xocant constantment entre si. En aquesta situació, els fotons podien fer un camí molt curt, per la qual cosa no és possible que els fotons d'aquella època (ones electromagnètiques) arribessin a nosaltres. No obstant això, quan l'univers tenia prop de 300.000 anys, els electrons van quedar atrapats en els àtoms, i llavors els fotons van sortir rectes. Detectem els fotons de l'època com a radiació microones de fons. No podem veure els fotons anteriors però sí les ones gravitatòries.

I entre ells estan els neutrins. Com els fotons, al principi els neutrins tampoc podien escapar, però arriba un moment en el qual els neutrins comencen a escapar, i això és el que ocorre molt abans que els fotons. “La finestra de neutrins també és molt interessant —diu Urrestilla—, de la mateixa manera que tenim la radiació microones de fons, hi hauria un fons de neutrins, però molt abans”.

El problema és que detectar neutrins és molt difícil perquè a penes tenen interacció amb la matèria. “Aquesta és l'avantatge i el desavantatge dels neutrins”, detalla Urrestilla. L'avantatge és que poden sortir directament de la font i viatjar durant milions d'anys de llum sense desviar-se, i el desavantatge és que tampoc interactuen amb els nostres aparells i per tant són molt difícils de detectar.

No obstant això, encara que rares vegades, a vegades els neutrins xoquen amb algun àtom. I d'això s'aprofiten els vaquers neutrins, com l'Observatori IceCube en el Pol Sud. IceCube és una xarxa submergida en gel, composta per 5.000 sensors de llum i una superfície d'un quilòmetre quadrat. Aquests sensors detecten la llum que s'emet en xocar un neutrí amb un àtom de gel. Detecta molt pocs neutrins, però el mes de juliol passat es van donar a conèixer algunes observacions importants: Alguns neutrins de gran energia arribats a IceCube van aconseguir saber que procedien d'una galàxia situada a 3.700 milions d'anys-llum. Sembla que s'ha començat a obrir una nova finestra amb neutrins.