Acaçant forats negres

Primeres evidències indirectes

3
abril
2023
Imatge artística del sistema binari format per Cygnus X-1 i la seua estrella companya. ESA, Hubble - https://apod.nasa.gov/apod/ap080811.html, http://www.spacetelescope.org

Quan era un xiquet, al meu poble sentia molt el verb 'acaçar' amb el significat de perseguir amb insistència i decisió. Les mares acaçaven els fills que no creien, i el guarda acaçava els petits dimoniets que corrien fent el trapella pels camps. Trobe que la persistència que ens suggereix el mot és molt adient a l'actitud dels astrofísics que perseguien evidències de l'existència de forats negres en la segona meitat del segle XX.

Fins fa ben poc (un parell de dècades), les evidències recollides eren ben bé totes indirectes. Recordem la idea que vam explicar en l'entrada anterior: teòricament, la caiguda de matèria en un forat negre generaria una intensa producció energètica que hauria de ser emesa en forma de radiació electromagnètica –o, si més no, una part de la producció. Resseguint aquesta idea, el primer pas evident era observar amb atenció regions del cel conegudes per emetre radiació d'alta energia.

Un incís evident: això només va poder començar a fer-se quan els primers observatoris de raigs X van ser posats en òrbita. La radiació X no penetra l'atmosfera, de manera que l'única manera de detectar la que prové del cosmos és mitjançant observatoris en òrbita. I, tal com hem explicat, el descobriment dels raigs X d'origen extraterrestre va vindre de la mà de l'espionatge durant la Guerra Freda.

Constel·lació del Cigne amb la posició aproximada de Cygnus X-1, junt a eta-cygni.

També calia un altre ingredient que també vam introduir en l'entrada anterior: la compacticitat. I com podem saber les dimensions de la regió emissora? Mitjançant la variabilitat de la intensitat de la radiació. Els detectors de radiació X responen a l'arribada de la radiació i la seua resposta depèn de la intensitat d'aquesta. Així, si observem una regió del cel durant un temps determinat, sabrem si l'emissió és constant o canvia amb el temps. Els canvis, de produir-se, han d'estar provocats per processos físics. A més, qualsevol procés físic ha de produir-se mitjançant transmissió d'informació i aquesta transmissió està limitada per la velocitat de la llum. Per tant, de les escales típiques de variació d'intensitat, t, podem deduir que la grandària de la regió és aproximadament igual o menor que c·t, amb c la velocitat de la llum.

Ja tenim els primers requeriments per acaçar sospitosos. Seguim. En la constel·lació del Cigne (visible des de primavera a tardor i imperator zenital de les nits d'estiu) n'hi havia una font que recollia aquests prerequisits: Cygnus-X 1. Betty Louise Webster i Paul Murdin van recollir informació d'una estrella brillant que semblava ser o estar a prop de l'origen de la radiació variable en raigs X.

Moviment oscil·latori de l'estrella companya de Cygnus X-1 (Webster & Murdin, Nature, 1972). https://www.nature.com/articles/235037a0

Cal apuntar que les observacions en raigs X tenien una resolució molt menor que en l'òptic, i per tant no es podia fer un mapa de la regió en aquesta banda, sinó que només se sabia que la radiació venia d'allà i apareixia com un punt brillant de raigs X. Res més.

Van observar com la llum rebuda de l'estrella oscil·lava cap al blau i cap al roig de manera regular, és a dir que es movia apropant-se i allunyant-se de nosaltres. El moviment responia perfectament a les lleis de Kepler, és a dir, a l'esperat d'un moviment orbital. Entorn de què? Webster i Murdin van fer notar que no observaven cap objecte en el lloc on se suposava que havia d'estar per tal d'exercir la força gravitatòria sobre l'estrella. Cap objecte; res. Vet ací per tant la primera evidència indirecta de l'existència real dels forats negres: radiació d'alta energia, variabilitat ràpida que indica regions emissores compactes, i cap mena d'observació directa. El treball va ser publicat a la revista Nature l'any 1972.

Mapa de raigs X de la regió de Cygnus X-1. NASA/Marshall Space Flight Center. High-Energy Replicated Optics (HERO) project.

L'atent/a lector/a estarà pensant que si l'estrella emet en la banda òptica (telescopis), aleshores d'on prové la radiació X? Aquesta radiació es produeix en l'entorn de l'objecte compacte, produïda per la pèrdua d'energia de la matèria que hi cau (vegeu l'entrada anterior). I, segur que és un forat negre? Deixem aquesta pregunta, la resposta a la qual encara acacen els científics, per a una altra ocasió.

Manel Perucho és professor de la Facultat de Física de la Universitat de València i fa recerca sobre diferents escenaris astrofísics en què la relativitat juga un paper important. En particular, estudia l’evolució i impacte de dolls de plasma en galàxies actives o en estels binaris de raigs X i gamma.
Manel Perucho és professor de la Facultat de Física de la Universitat de València i fa recerca sobre diferents escenaris astrofísics en què la relativitat juga un paper important. En particular, estudia l’evolució i impacte de dolls de plasma en galàxies actives o en estels binaris de raigs X i gamma.