CAF-Elhuyar 2018: Simfonia de forats negres

2018/05/16 Miguel Querejeta Pérez Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astronomia
• Fisika
• Sariak

La majoria de les galàxies tenen un forat negre gegant en el centre. I aquests enormes forats negres, que oculten en el seu interior la massa de milions d'estrelles i la llum tampoc pot escapar d'ells. Però aquests gegantescos forats negres tenen una gran influència en les galàxies, ja que els seus grans camps gravitatoris atreuen a la matèria que els envolta i poden provocar forts canvis en les galàxies hostaleres. L'objectiu d'aquesta tesi doctoral ha estat analitzar la interacció entre gegantescos forats negres i galàxies. Benvinguts a aquest curiós espectacle còsmic: comença la simfonia dels forats negres.

El cor negre de les galàxies

Podríem dir que tot el que està al nostre al voltant és la pols de les estrelles i la majoria dels àtoms que formen el nostre cos. Per a crear elements pesants és necessari que es produeixin explosions còsmiques com a explosions d'estrelles massives com a supernoves o xocs d'estrelles de neutrons. Aquests fenòmens emeten tanta energia, en la qual les partícules elementals poden reorganitzar-se formant elements pesants, alhora que l'explosió dispersa a través de la galàxia, donant lloc a noves estrelles i planetes. A més, les explosions d'estrelles massives deixen darrere un forat negre.

Però, si els forats negres també atrapen la llum, com és possible trobar i analitzar forats negres? No podem veure què passa dins del forat, però sí que podem mesurar la influència que tenen els forats negres sobre ells, és a dir, analitzem els forats negres de manera indirecta investigant les seves conseqüències. Durant la dècada passada, seguint amb cura el moviment de les estrelles que es troben en el centre de la nostra Via Làctia, va ser possible deduir l'existència d'un enorme forat negre. Les lleis de Newton ens diuen que les estrelles que estan en òrbita al voltant d'un punt giraran més ràpid quan la massa del centre sigui major, i això és el que van concloure: l'equivalent a milers de milions d'estrelles està concentrat en el nucli de la Via Làctia (Figura 1). El que està en el centre de la nostra galàxia és el forat negre gegant més pròxim a nosaltres, però com estem submergits en la nostra galàxia, no és fàcil palpar les conseqüències globals del forat negre. Quan estem en el bosc, podem veure els arbres amb gran precisió, però alhora perdre la perspectiva de tot el bosc. Per això, en aquesta tesi doctoral hem observat una galàxia fora de la Via Làctia, la famosa espiral M51.

Viatge galàctic al forat negre

L'organització del gas té gran importància, ja que condiciona la creació de noves estrelles. I en la galàxia M51 el gas no està quiet, sinó que viatja cap al centre, que és el primer gran resultat d'aquesta tesi doctoral. Per a concloure això és imprescindible conèixer bé el camp gravitatori de la galàxia. Aquesta zona de gravitació pot ser estudiada gràcies a les imatges procedents del telescopi espacial Spitzer de la NASA, que rep ones infraroges i reflecteixen la posició de la massa de les estrelles. És fàcil calcular el camp gravitatori que genera aquesta massa i l'efecte que tindrà sobre el gas. Però per a això també seria necessari un mapa precís del gas, el mapa més precís aconseguit fins avui.

Als Alps francesos, a 2.550 metres d'altura, les antenes parabòliques de l'interferòmetre NOEMA observen l'univers. A l'hivern, els serrals al voltant de les antenes estan plens d'esquiadors, ja que els astrònoms utilitzem telescopis per a pujar a aquests telescopis. Les antenes parabòliques reben ones de ràdio que permeten estudiar la situació i el moviment del gas molecular. A més, combinant la informació recollida per diferents antenes, podem obtenir imatges de molt alta resolució. Les molècules emeten energia a determinades longituds d'ona, com a conseqüència de les transicions quàntiques; la transició fonamental de la molècula de CO, per exemple, té una longitud d'ona de 2,6 mil·límetres. En la galàxia M51 hem detectat aquesta línia d'emissió utilitzant el NOEMA, amb la màxima precisió aconseguida fins ara en una galàxia externa (Figura 2).

Per tant, utilitzant com a traçador la línia corresponent als 2,6 mm de la molècula de CO, hem pogut mesurar el moviment del camp gravitatori de la galàxia sobre el gas molecular (o millor dit, quin canvi li produeix en el moment angular). Aquest càlcul ha demostrat clarament que el gas tendeix a moure's lentament cap al centre, aconseguint anualment l'equivalent de la massa del Sol al nucli de la galàxia. Per tant, el gegantesc forat negre de la galàxia M51 està en contínua ingestió de gas molecular i aquesta transferència de matèria té conseqüències importants, com s'explicarà en el següent apartat.

Els quasares i el nucli de M51 estan relacionats

Els quasares són fonts astronòmiques d'alta densitat energètica que emeten una enorme energia electromagnètica des d'un petit camp. Al principi no era clar l'origen d'aquesta energia. Avui sabem que el seu origen és el gas que cau als enormes forats negres que hi ha en els nuclis de les galàxies. Al voltant dels orificis negres es creen discos d'acrecición, els camps magnètics dels quals adquireixen gran intensitat, accelerant els electrons i altres partícules elementals; també creen dolls gegants de plasma observables per ones de ràdio (Figura 3).

Sabem que en el nucli de la galàxia M51 s'ha desenvolupat un disc d'acrecion, ja que mitjançant ones de ràdio podem veure el doll de plasma. Paradoxalment, l'efecte més significatiu d'aquest nucli actiu és el llançament de gas molecular fora del nucli: la transferència de massa que arriba al forat negre produeix aquest efecte contrari, ajudat per camps magnètics. Atès que els mapes de NOEMA ens ofereixen informació sobre la velocitat, podem analitzar amb detall aquest moviment i mesurar la massa que s'està expulsant. Podríem dir que s'ha aconseguit un cert equilibri dinàmic en el nucli: la caiguda d'una petita quantitat de gas al forat negre és la causa que la major part del gas surti del nucli; en casos extrems, el gas abandona la galàxia, la qual cosa limitarà totalment el futur de la galàxia. El principal resultat de la tesi ha estat el mesurament d'aquesta taxa d'eliminació de gas, comparant amb models dinàmics la posició i velocitat del gas mesurat per l'interferòmetre NOEMA, i concloent que aquest gas s'està movent fora del nucli a una velocitat de 300.000 km/h.

Per primera vegada hem demostrat en aquesta tesi que el doll de plasma, a més d'expulsar gas de l'entorn de l'enorme forat negre, altera l'estat del gas. Aquest doll està format per partícules que es mouen a una velocitat similar a la de la llum i, per efectes magnetohidrodinámicos, augmenta la turbulència del gas que travessa. Al mateix temps, la turbulència pot evitar el col·lapse del gas: per això no hi ha estrella jove prop del nucli de la galàxia M51, perquè el propi nucli ha transformat el gas en estèril. La figura 4 mostra la localització del doll de plasma i resumeix els efectes que produeix sobre el gas.

Fins i tot quasar pot controlar la taxa de natalitat de les estrelles gràcies a un mecanisme d'aquest tipus. Els nuclis actius de les galàxies, a més d'explicar la lluentor dels quasares, poden condicionar l'evolució de les galàxies. Si no, les galàxies transformarien el gas molt més ràpid per a formar estrelles, i totes les galàxies del nostre entorn tindrien un color vermell (color d'estrelles velles i fredes), sense braços espirals, ja que és impossible mantenir els braços espirals sense gas. Per tant, la interacció entre gegantescos forats negres i galàxies és imprescindible per a explicar la diversitat de galàxies actuals, i les observacions realitzades en la galàxia M51 han revelat els detalls importants d'aquest mecanisme.

Veure i escoltar forats negres

El 14 de setembre de 2015 l'observatori LLIGO detecta les ones gravitatòries generades per la unió de dos forats negres. Va ser la primera detecció directa de les ones gravitatòries, que van ser guardonades amb el Premi Nobel de Física Rainer Weiss, Barry C. Barish i Kip S. Als científics Thorne, per fer possible l'observació de les ones gravitatòries. Aquesta primera detecció es va denominar GW150914, no és un nom molt poètic, en realitat, però l'ús de la data del succés facilita la classificació. Aquests forats negres van xocar tenien al voltant de 30 masses solars, la qual cosa suposa una massa molt de menor que la del forat negre gegant que hem estudiat en aquesta tesi doctoral. El 17 d'agost de 2017 LLIGO va detectar altres ones gravitatòries, sent la cinquena detecció però amb una característica especial d'aquest GW170817. Per primera vegada, a més de rebre el senyal de les ones gravitatòries, els científics vam poder detectar aquest fenomen a través de tot l'espectre electromagnètic. Aquesta trobada entre dues estrelles de neutrons va posar de manifest l'existència d'una nova manera d'estudiar l'astrofísica: a més de mirar l'univers, es poden escoltar simultàniament ones gravitatòries que s'estenen al llarg de l'espai.

Com hem explicat, els enormes forats negres tenen una gran importància per a les galàxies, ja que controlant la posició i l'estat del gas condicionen el naixement de noves estrelles (i per tant, delimitar el futur de les galàxies completes). Els forats negres els podem veure transversalment i mesurar la influència d'aquests monstres en les galàxies. Encara hem d'aprendre molt de sobre el comportament d'aquest poderós motor que les galàxies oculten en el seu interior, però les ones gravitatòries poden ajudar-nos a això. Seria fascinant veure i sentir aquests misteriosos nuclis de galàxies al mateix temps i completar el següent compàs de la simfonia de forats negres.

 

Bibliografia

Sparke, L. S.; Gallagher, J. S. Galaxies in the Universe (Cambridge University Press, 2000).

Crane, P. C.; van der Hulst, J. M. (1992). “The radio jet in M51”, The Astronomical Journal, 103: 1146-50.

Fabian, A. C. (2012). “Observational Evidence of Activi Galactic Nuclei Feedback”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 50: 455-89.

Querejeta, M.; Meidt, S. R.; Schinnerer, E. et al. (2015). “The Spitzer Survey of Stellar Structure in Galaxies (S4G)”, The Astrophysical Journal Supplement, 219: 5, 1-19.

Querejeta, M.; Schinnerer, E.; Meidt, S. E. et al. (2016). “Gravitational torques imply molecular gas inflow towards the nucleus of M51”, Astronomy & Astrophysics, 588: 33, 1-19.

Querejeta, M.; Schinnerer, E.; García-Burillo, S. et al. (2016b). “AGN feedback in the nucleus of M51”, Astronomy & Astrophysics, 593: 118, 1-21.

Schinnerer, E.; Meidt, S. R.; Pety, J. et al. (2013). “The PdBI Arcsecond Whirlpool Survey (PAWS)”, The Astrophysical Journal, 779: 42, 1-29.