Potser hauríem de mirar la 'premsa' científica cada dia. Tanmateix, es publica tant i n'hi ha tanta cosa per fer que de vegades te n'assabentes per la premsa generalista, o perquè algú ha vist alguna cosa en algun mitjà i t'ho nomena. En aquest segon cas es dona una situació peculiar: La persona que t'ho diu se sorprén que no ho sàpigues. Segurament no saben que, com dic, es publica molt, i per l'altra, més important, nosaltres no vivim a colp de titular, ni a colp de notícia d'última hora.

Efectivament, si en els darrers dies s'ha anunciat el descobriment d'un quàsar amb unes propietats prou cridaneres i no hem vist o no hem llegit el paper el mateix dia no és cap problema. En primer lloc, el quàsar no se'n va enlloc. No l'havíem vist en tota la història de la humanitat i tampoc no ve d'un dia, una setmana, o un mes. I en segon lloc, i més important, el coneixement en ciència creix de manera acumulativa, assossegada. Fem servir el cas per a visualitzar com va la cosa.

En un cafè, un company em va preguntar pel famós quàsar que un piulador (tuitaire, x-aire, xaire?), i divulgador havia esmentat en un dels seus pedagògics fils. El divulgador deia que el quàsar descobert correspon a una etapa primerenca de l'Univers i engolia en aquell moment (qui sap, què serà ara d'aquest bon quàsar) l'equivalent a una massa solar per dia! La cosa és certament cridanera, atès que en un quàsar normalet, de classe mitjana, dels que amb dificultats es poden pagar un lloguer en un barri perifèric de la gran ciutat, s'hi consumeix una massa solar per any. De seguida vaig cercar l'article original. Per tafanejar, clar.

Del procés de generació d'energia entorn d'un forat negre súpermassiu en vam parlar en una altra entrada. I també de com hem pogut saber què són i a quina distància estan. Vam explicar que el mecanisme responsable és la caiguda de matèria en un potencial gravitatori generat per un objecte compacte. I recorde que és el mecanisme de producció d'energia més eficient que coneixem en l'Univers. Amb un consum d'una quantitat de gas com eixa, el nucli de la galàxia activa pot generar una lluminositat que oculta la llum de la resta. Oculta la llum de totes les estrelles de la galàxia. D'aquesta manera, la veiem com un punt brillant, i no com un núvol estès amb forma el·líptica o espiral, com en les galàxies diguem-ne normals.

La mesura de la quantitat de gas engolida pel forat es fa amb mètodes indirectes, a partir de la lluminositat generada al nucli. En el cas del quàsar J0529−4351, les observacions d'aquest quàsar llunyaníssim, observat quan l'Univers tenia entorn de mil cinc-cents milions d'anys, s'han produït gràcies a l'efecte de lent gravitatori d'una galàxia massiva que n'hi ha en la línia de visió. Aquest efecte lent, com si es tractara d'un telescopi natural, magnifica la imatge i ens en possibilita l'estudi.

Les dades que aporta la llum recollida per diferents observatoris han estat modelades pels autors per concloure que en aquest cas, el monstre devora no una massa solar per any, sinó per dia. La rellevància del resultat rau en què podria apuntar a una possible solució a un misteri no resolt: la massa dels forats negres més massius. La pregunta era, és, com és possible que hagen assolit masses tan grans en tan poc temps, com per ser detectats quan l'Univers encara era molt jove.

Els números de creixement per acreció (ingestió) de matèria no eixien perquè si suposem que els ritmes són com els que s'observen en l'Univers més proper, a una massa solar per any, en calen entre mil i deu-mil milions d'anys per assolir les masses més grans derivades per aquests objectes. Uns ritmes d'acreció com els que indiquen els autors del treball, redueixen aquests temps de creixement en més de dos ordres de magnitud, fent que l'explicació esdevinga plausible.

Està resolt? No. I a això anava jo al principi del text: no cal tindre pressa. Cal recollir dades, cal comparar observacions, cal acumular coneixement, parlar-ho en congressos i publicar-ho en articles. I cal revisitar l'objecte i ser conscients que les mesures i els càlculs en Astrofísica han de ser revisats de seguit. No debades, els col·legues fem la broma que en el nostre camp podem ben dir que 1 és aproximadament igual a pi, que és aproximadament igual a 10... Per si no s'ha entès, que els números ens poden ballar amb certa alegria en un ordre de magnitud. En la major part dels casos, les noves observacions afinen el resultat, sense desmentir-lo. D'altres, però...

Després d'aquesta acumulació, debat, discussió i comparació podrem estar més segurs que les afirmacions que se solen fer en les notes de premsa podrien ser certes. Mentrestant, cal picar pedra. No ve d'un dia, una setmana, un mes, i ni tan sols un any. Els titulars espectaculars i les afirmacions contundents sobre resultats que estan per comprovar transmeten una visió esbiaixada del treball científic. Cal reconèixer, però, que és una manera eficient d'atraure l'atenció del públic a la ciència. Pot ser que si mesuràrem una miqueta les paraules, encara seria millor.

L’any 2008 vaig assistir a un congrés a Cambridge (Massachusetts, EUA), amb el títol Radio Galaxies in the Chandra Era. La idea principal era posar en comú observacions i teoria per discutir sobre la física de les galàxies actives amb dolls relativistes, en un moment en què l’observatori de raigs X Chandra (en homenatge a l’astrofísic indi Subrahmanyan Chandrasekhar) de la NASA escrutava l’Univers des de la seua òrbita terrestre.

En aquell congrés, les persones que aportaven un pòster havien de presentar-lo amb un haiku (poema breu d’origen japonès). Recorde el Dr. John Wardle, senyor britànic, alt i prim, recitar el seu: ‘Quasars seen at redshift 4. Such big black holes’. L’escric de memòria i potser em balla alguna paraula del primer vers; la bona qüestió és que amb dues frases curtes, l'home va fer palès un problema que ja era conegut, però del que aportava noves evidències. Encara no està resolt.

Quin problema? El que diu el segon vers del haiku: Quan l’Univers tenia poc més de mil milions d’anys d’edat, ja n'hi havia forats negres súper-massius. Recordem que el corriment al roig indica la distància a què es troba una galàxia. El redshift ens diu quin moment de la història de l’Univers estem observant, atés el temps que cal perquè la llum ens arribe.

En una entrada anterior hem parlat del mecanisme que genera grans quantitats d’energia en els quàsars requereix d’un forat negre massiu. Molt massiu. Tenim evidència observacional de la presència d’aquestes bèsties quan l’Univers encara era jove, però, com es van formar? I com van arribar a assolir aquestes masses tan ràpidament? Fins i tot tenim el cas d’un possible quàsar a redshift 7.6 (quan l’Univers tenia menys de 700 milions d’anys)!

Els forats negres es formen quan una estrella de certa massa (major de 8 vegades la massa del Sol) arriba al final de la seua combustió nuclear i, en no poder generar energia, no pot compensar la gravetat de la seua pròpia massa de cap manera, col·lapsant i foradant el teixit de l’espai-temps. Depenent de la massa inicial de l’estrella, el forat negre resultant pot tindre una massa d’unes 10-20 vegades la massa del Sol... en el cas de les estrelles actuals.

Sabem que les primeres estrelles que es van formar a l’Univers eren bastant més massives, i podien generar forats negres també més massius. A més, com més massiva és una estrella, més ràpid crema el seu combustible nuclear, i més curta és la seua vida. Però, quines masses tenien aquests forats negres que es podrien haver format en acabar el primer cicle de població estel·lar la seua existència? I quan va passar això?

Si us n’adoneu, cada vegada que fem un pas sorgeixen noves preguntes, fins i tot si encara no hem resolt la pregunta inicial. Benvingudes, benvinguts al meravellós món de la ciència, un seguit d’emocions i frustracions de preguntes sense resposta o amb respostes parcials. A més, som ben conscients que algunes de les preguntes no trobaran resposta aviat, si més no al llarg de les nostres vides. Cal assumir-ho amb certa calma.

Tornem al fil, que el perdrem. La formació d’aquestes primeres estrelles massives podria haver ocorregut després de potser un centenar o dos de milions d’anys de l’Univers. La seua vida transcorreria ràpidament i es convertirien en forats negres en pocs milions d’anys (al voltant d’un milió d'anys, de fet). Per tant, després de cent o dos-cents milions d’anys, podríem trobar ja els primers forats negres amb masses respectables en l’Univers. I això quant és? Desenes de masses del Sol, potser cent masses solars? Certament no més d'això. Per tant, a una diferència enorme de les masses dels forats negres súper-massius que estan al nucli d’aquells quàsars que ja observem en l'Univers primerenc, pocs centenars de milions d'anys des del Big Bang. Cerquem respostes.

Molts experts pensen que l’acreció de matèria sobre aquests forats negres no és una opció, perquè no és possible en la quantitat i el ritme que caldria. La negativa es basa en el fet que sabem quins són els ritmes i durada típics de l'acreció de material en galàxies actives més properes. Tanmateix, simulacions recents apunten a circumstàncies particulars que ho farien possible. O potser alguns núvols de gas amb masses molt més grans van col·lapsar directament sense que durant el col·lapse n’hi haguera opció a generació d’energia suficient per a aturar-lo. Aquesta opció, però, tampoc no sembla factible per a masses tan grans com les que caldrien.

La coalescència de forats negres també requereix moltes col·lisions, amb un temps excessiu de caiguda. Compte, excepte si les estrelles estaven molt properes unes a altres, formant un eixam o cúmul. En l'Univers observable veiem cúmuls amb cent-mil o un milió d'estrelles. Potser podrien haver-se format centenars o milers de forats negres a partir d’estrelles properes unes a altres, i van acabar col·lidint en temps suficientment curts?

De moment, més dubtes que respostes. Els nous observatoris, ja en funcionament (per exemple, el James Webb) o en projecte (per exemple, el Square Kilometer Array) en diferents bandes de l’espectre electromagnètic, ajudaran a resoldre, o a avançar en la qualitat de les respostes que cerquem. O això esperem!

En l'entrada anterior vam explicar que els quàsars són galàxies, tot i tindre una aparença estel·lar. Aquesta aparença es deu a un nucli tan brillant que enlluerna l'observador i impedeix que es puga apreciar la galàxia. Allà, al centre d'aquestes galàxies passen coses; coses que produeixen una emissió de radiació amb intensitat desenes de milers superior a la de tota la galàxia. Aquesta descoberta va suposar el primer pas cap a l'evidència de l'existència real dels forats negres en l'Univers. O, si més no, d'objectes foscos i massius que es comporten com ho faria un forat negre. En definitiva, com allò de l'animal que fa mec-mec, és palmípede, té plomes i bec pla...

Però, per què un forat negre? Les línies d'emissió que Maarten Schmidt va interpretar com desplaçades al roig negaven l'opció d'un origen estel·lar de la radiació, atès que les estrelles no les produeixen. Calia una altra explicació. La idea és relativament senzilla i està basada en un concepte que tots coneixem, com és l'energia potencial.

Per a una partícula de massa m sotmesa a la gravetat d'un cos de massa M, tenim que aquesta energia és GMm/R, on R n'és la distància i G la constant de gravitació universal. Si la partícula està a l'infinit, aquesta energia és 0, però si cau sobre la superfície del cos, és GMm/R_s. L'energia total de la partícula en l'infinit és la que correspon a la seua massa en repòs, suposant que comença a caure amb una velocitat negligible E₀ =mc². En condicions normals, aquesta energia és molt més gran que la que puguen assolir les partícules per la seua velocitat com per la seua energia potencial. Per tant l'eficiència energètica de la caiguda d'una partícula o objecte sobre un cos celeste diguem-ne, normalet (planetes, estrelles), és molt baixa.  

Tanmateix, si ens fixem en l'expressió de l'energia potencial de la partícula sobre la superfície d'un objecte,  GMm/R_s, veurem que el quocient M/R_s pot assolir valors més grans si M és gran i R_s  és petit. En Astrofísica d'això se'n diu compacticitat. Un objecte compacte és un objecte amb una massa gran i un volum reduït. I en un objecte compacte com un forat negre, l'energia potencial pot assolir valors tan grans com una fracció de l'energia associada a la massa de la partícula.

Veiem el cas amb un exemple senzill. L'energia associada a la massa d'una partícula d'un gram és E₀ = 9x10¹³ J. En la fusió nuclear de l'hidrogen, a l'interior de les estrelles, s'assoleix una eficiència d'un 0.7%. És a dir, per cada gram d'hidrogen que es fusiona n'obtenim una energia de 6x10¹¹ J.

Si agafem un objecte amb la massa del Sol encabida en una esfera amb un radi d'un quilòmetre, l'expressió de l'energia potencial d'una partícula ens dona entorn de 10¹³ J per cada gram de matèria. Açò representa més d'un 10% de l'energia equivalent de la massa, i unes 30 vegades més que la produïda per la fusió nuclear.

Aquest càlcul tan senzill va fer que es proposara la caiguda de matèria sobre un objecte compacte (que fa mec-mec, és palmípede, té plomes i bec pla) com la responsable de la producció ingent de radiació electromagnètica al nucli dels quàsars. El temps ho va confirmar, tal i com anirem veient, i, pel que sabem, aquest procés és el més eficient en termes de producció energètica conegut a l'Univers.

La cosa, òbviament, no és tan directa, i el mecanisme resulta ser complex i farcit de processos que ocorren entre el moment en què les partícules estan lluny de l'objecte compacte i l'instant en què hi arriben. De fet, si afegim correccions de relativitat general per a objectes compactes en rotació (forats negres de Kerr), el mecanisme pot ser més eficient encara, assolint una producció de fins un 40% de l'energia associada a la massa de les partícules. I encara ens restaria explicar, per exemple, com es converteix en radiació aquesta energia, o d'on ve el gas que cau a l'objecte!

Tanmateix, aquesta idea que requeria molt i molt de desenvolupament, amagava una veritat fonamental, i va ser una d'aquelles llavors que ens ha ajudat a entendre l'Univers. En particular, el més violent, que és el que ens interessa. Això és un aspecte fascinant de l'Astrofísica en particular i de la ciència en general: una idea senzilla pot obrir les portes a la comprensió general de fenòmens naturals i, al mateix temps, a camps immensos de coneixement que hi comencen.

En la primera entrada del blog vam explicar que l'Astrofísica va nàixer quan es va descobrir la relació entre la llum emesa amb certs colors (longituds d'ona) i els àtoms que l'emetien. El que també s'anomena espectre d'un element. La paraula espectre, que podem associar a aparicions fantasmagòriques, fa referència precisament al rastre que deixa l'element en qüestió, a la seua aparició en les nostres deteccions de la llum emesa per un cos qualsevol, d'ací, o d'allà lluny.

A banda de la presència dels elements, les línies que observem ens donen informació ben valuosa, com la velocitat relativa a nosaltres de les regions emissores, o la seua distància, si parlem de fonts extragalàctiques.

De la mateixa manera que es produeix l'efecte Doppler en les ones de so, també ocorre amb els emissors de llum. Les ones electromagnètiques provinents d'un emissor que s'allunya s'estiren, 'enrogint-se'. En canvi, les d'un emissor que s'apropa s'acurten, fent-se més 'blaves'. L'origen d'aquesta nomenclatura es troba en el fet que la llum blava té una longitud d'ona menor –i major energia, que la roja en la banda visible. El concepte s'estén amb les mateixes paraules a tot l'espectre electromagnètic, encara que la radiació ja no siga blava, de l'ultraviolat enllà, ni roja, de l'infraroig enllà.

Hi ha dos aspectes fonamentals en què aquesta realitat ens pot ajudar. Pel que fa al primer, si en un cos celeste hi ha un element químic que és excitat per la radiació d'una font local, emet radiació a la longitud d'ona de la línia d'emissió corresponent. Tanmateix, si el cos s'allunya de nosaltres, aquesta radiació serà rebuda pels nostres detectors a longituds d'ona més llargues, enrogida. Així és com Edwin Hubble, per una banda, i Georges Lemaître, per l'altra, van descobrir que les emissions de les galàxies del nostre entorn s'allunyen de nosaltres, i que la seua velocitat és major com més lluny es troben. Aquests treballs es van realitzar dintre de la banda òptica de l'espectre electromagnètic.

Tres dècades després, hi havia un debat sobre la naturalesa d'uns certs objectes amb aparença estel·lar, però amb propietats espectrals –de distribució energètica de la seua emissió– impròpies de les estrelles, els quàsars. Les línies d'emissió observades en objectes com 3C 273 no corresponien a cap element conegut, ni tan sols amb un enrogiment extrem... dins de la banda visible. Va ser Maarten Schmidt qui es va adonar que les línies d'emissió detectades en aquest quàsar simplement estaven tan enrogides que realment corresponien a emissions en l'ultraviolat. La conseqüència directa és que l'emissió provenia d'una galàxia molt i molt llunyana, com en Star Wars. Ja en parlarem de l'origen i naturalesa d'aquesta radiació. Ara, però, no toca.

El segon aspecte amb què l'efecte Doppler ens ajuda és en el cas d'emissors que presenten línies deformades. Per exemple, els emissors en rotació, en què una part del gas es mou allunyant-se de l'observador, mentre que una altra s'hi apropa. En aquest cas, les línies s'eixamplen: la radiació emesa per la regió que s'apropa es desplaça cap a longituds d'ona més curtes, mentre la de la regió que s'allunya s'enrogeix. Així, la línia espectral, que hauria de ser emesa a la longitud d'ona determinada per la transició dels electrons entre nivells energètics d'àtoms o molècules, engreixa i s'estén a longituds d'ona majors i menors que la pròpia.

L'amable lector/a –amable per haver llegit fins ací i suportar aquests textos– entendrà la potencialitat que aquesta informació té pel que fa a la deducció d'allò que passa a distàncies astronòmiques de nosaltres. La llum, novament, eixa gran missatgera, transporta la informació que només cal saber llegir per revelar la realitat física darrere els espectres dels astres.