La fusió de 2 estrelles de neutrons fa 130 milions d'anys obre la porta a conèixer millor l'univers

El passat 17 d'octubre es va fer públic un dels descobriments més importants de l'astronomia dels darrers temps. L'anunci, fet en roda de premsa oberta per internet, es va produir just 2 mesos després dels esdeveniments que varen conduir a aquest descobriment.

El 17 d'agost es va rebre, de forma quasi simultània als 2 grans detectors d'ones gravitacionals existents, una vibració de l'espai provocada per la fusió de 2 estrelles de neutrons fa uns 130 milions d'anys. Poc després, fins a 17 telescopis arreu del món rebien la llum d'aquest esdeveniment.

Si sou lectors generalistes, sense gaires coneixements científics, potser la descripció que acabo de fer no us dirà res. Deixeu-me, doncs, que intenti explicar on radica la importància del fet.

Tot el que sabem del cosmos, de l'univers, ho sabem gràcies a la llum. Aquesta és el missatger que ens porta informació dels objectes que habiten allà fora, així com dels processos que hi tenen lloc.

Els nostres avantpassats contemplaven el cel amb l'ull nu, l'únic instrument del que disposaven per rebre la llum que emetien les estrelles i els planetes (en aquest cas llum del Sol reflectida). Nosaltres també processem llum quan mirem, embadalits, el firmament. Però des del segle XVII, l'home disposa d'un potent instrument que ha permès tot el desenvolupament de l'astronomia moderna: el telescopi.

Inicialment, i fins fa relativament poc temps, els telescopis observaven de forma similar als nostres ulls. Amb pupil·les molt més grans, recullen llum d'objectes molt llunyans. Llum visible, que els nostres ulls no poden captar perquè no tenen el poder de recol·lecció necessari com per a poder apreciar aquesta radiació tan feble.

Actualment, disposem de telescopis, però, que són capaços de veure llum de la que anomenem no visible. Poden observar rajos gamma, o rajos X, que són les formes de llum més energètiques que existeixen (telescopis fora de l'atmosfera). També tenim instruments que miren en llum infraroja (també fora de l'atmosfera). O en microones (sí, microones, les mateixes que utilitzem a la cuina!). O en ones de ràdio. També formes de llum, però en aquest cas amb menys energia que la llum visible.

I és que el que anomenem llum és un missatger potentíssim. Els objectes de l'univers, i els processos físics i químics que ens expliquen com funcionen aquests objectes, emeten llum, en tota la seva varietat. El Sol, la nostre estrella, per suposat emet llum visible (la que descompon un prisma, del blau al vermell). Però també emet infrarojos (que ens escalfen la cara), o microones, i ones de ràdio. Només que els nostres ulls no han estat fets per veure tots aquests tipus de llum.

Ha estat estudiant el conjunt de totes aquestes emissions de llum que la ciència ha pogut assolir el coneixement actual. Ho hem fet amb telescopis visuals. Amb telescopis de rajos gamma i X. Amb telescopis d'infrarojos. Amb radiotelescopis.

Però, en definitiva, emprant sempre llum.

Fins a que hem començat a descobrir les ones gravitacionals.

Predites per la relativitat general d'Einstein, fa 100 anys, aquestes ones són vibracions de l'espai (temps) que certs esdeveniments provoquen. Normalment per objectes molt massius movent-se ràpida i acceleradament. Vindrien a ser com ones sobre un llac quan hi cau una pedra. I si ens imaginem que l'espai és com una tela elàstica, serien tremolors que es propaguen al llarg de la tela quan boles molt pesades es mouen per sobre.

Les ones gravitacionals no són llum, tot i que viatgen també a la velocitat d'aquesta. Al no ser llum, ens obren una nova finestra per estudiar l'univers. Es converteixen en uns missatgers nous, que ens poden portar informació diferent, complementària. Alguns ho comparem amb el so: si som capaços de detectar ones gravitacionals i estudiar-les, passem de tenir només llum a tenir també "so" (l'exemple del so és una llicència poètica, és clar).

De la mateixa forma que necessitem telescopis que observin llum, les ones gravitacionals requereixen detectors. En aquest cas no en diem telescopis. Són uns equips molt complexos, que bàsicament intenten detectar com les distàncies entre 2 objectes varien subtilment quan ens creua una ona gravitacional. Quan la petita ona sobre el llac fa que la nostra barca es bellugui.

La dificultat, i el que ha fet que fins fa a penes 2 anys no haguem detectat les primeres ones gravitacionals, és que aquestes vibracions són ínfimes, minúscules. Increïblement petites. Sabeu com de petites? Les ones que estem començant a detectar (que serien, per tant, les més fàcils de detectar) variarien la distància que ens separa de l'estrella més propera (que està a 4,2 anys llum de distància, que us recordo que són quasi 40 bilions de quilòmetres) en l'equivalent a... el gruix d'un cabell humà!!! Sí, ho has llegit bé.

És impressionant que tinguem avui aquesta capacitat de detecció. Us podeu imaginar la complexitat dels equips, que lògicament no poden mesurar bilions de quilòmetres, i ho fan sobre distàncies de tan sols alguns quilòmetres (com es veu a la fotografia). En aquestes distàncies, arriben a detectar variacions de l'ordre de la mida d'un protó (més petites que un àtom!). Qualsevol petita vibració de l'entorn, des d'un tremolor de terra, fins al caminar d'una persona, o el pas d'un cotxe quilòmetres lluny, provoca variacions, tremolors, molt i molt més grans. La tecnologia implicada aïlla els detectors de la majoria d'aquestes vibracions, diguem-ne quotidianes. Addicionalment, la utilització de més d'un detector, situats en llocs diferents del planeta, permet facilitar la identificació de senyals autèntics i separar-los de les vibracions mundanals.

Des de la detecció de la primera ona gravitacional, el 14 de setembre de 2015, se n'han pogut identificar 5. Totes elles corresponents als darrers instants de la fusió de forats negres o d'estrelles de neutrons, els objectes més compactes que coneixem.

Orbitant un al voltant de l'altre, parelles de forats negres, o d'estrelles de neutrons, al llarg de milions d'anys es van acostant, fins a que, en un sospir, cauen un sobre l'altre en una espiral boja a velocitats properes a la llum. Són esdeveniments apocalíptics, com cap altre. És la pedra que cau al llac.

La detecció del 17 d'agost correspon a la fusió de 2 estrelles de neutrons, com deia al començament. Més concretament, al darrer minut de la seva existència. Als darrers centenars de voltes abans de fusionar-se. Un esdeveniment que els astrònoms anomenen "kilonova", i que, entre d'altres coses, va fabricar, de cop, enormes quantitats d'or (milers de vegades tota la massa de la Terra!), de platí, o d'urani. Elements químics pesats que troben, a les gegantines temperatures provocades per la kilonova, el laboratori perfecte per ser forjats a partir d'elements més simples.

Però la rellevància de l'anunci, el que el fa extraordinari, és la detecció CONJUNTA d'ones gravitacionals i de llum, per primer cop a la història.

Això es va aconseguir gràcies a les alarmes disparades pels detectors d'ones gravitacionals i a la capacitat que varen tenir de posicionar de forma aproximada al cel l'origen d'aquest cataclisme. En poques hores, multitud de telescopis, emprant totes les formes de llum, miraven en aquesta direcció, i recollien valuosíssima informació.

És com l'exemple que us deia de la llum i del so. Per primer cop, hem observat un esdeveniment a l'univers rebent la seva llum i "escoltant el seu so".

Els articles que s'han sotmès a publicació a prestigioses revistes porten el nom de més de 3.500 científics d'arreu del món, en un esforç col·laboratiu segurament sense precedents.

Es trigarà mesos, si no anys, en analitzar tota la informació recollida. Combinant les observacions de llum (rajos X, visible, infraroja, microones, i ràdio), i ara també la informació proporcionada per les ones gravitacionals enregistrades, podrem entendre millor com funciona aquesta fusió d'estrelles de neutrons, que, de moment, sabem que va succeir fa 130 milions d'anys en una galàxia relativament propera (NGC 4993). També podrem completar el puzle de la formació dels elements químics. Tot i que sabem que som pols d'estrelles, nosaltres i tot el que ens envolta, forjats dins d'aquests astres o en el mateix moment de la seva mort, algunes de les incògnites que quedaven, relatives a les abundàncies que observem a l'univers dels elements més pesats que el ferro, podrien quedar definitivament resoltes.

I això només és el començament. No es tracta ja d'entendre la fusió de les estrelles de neutrons, o la formació dels elements químics pesats, sinó de disposar de la capacitat de rebre, i estudiar, més d'un missatger còsmic. La nostra comprensió dels forats negres, per exemple, podria revolucionar-se en els propers anys.

El premi gran, gran de debò, serà el mateix Big Bang, el moment de creació de l'univers. No ha existit esdeveniment en el nostre cosmos més poderós que aquest, i les vibracions que devia provocar varen ser immenses. Però aquestes enormes ones sobre el llac s'han anat afeblint lentament, i després de 13.800 milions d'anys són ara mateix a penes perceptibles. Però hi són. Han de ser-hi.

Anirem millorant, per suposat, la capacitat de detecció dels nostres instruments, i en un futur molt proper començarem a detectar, cada mes, cada setmana, multitud d'ones gravitacionals. Ens n'adonarem que el nostre espai vibra constantment, amb ones que provenen de totes les direccions, i provocades per gran nombre d'esdeveniments. I, algun dia detectarem les ones del Big Bang, de l'increïble moment zero.

Deixem, però, de pensar en el futur i assaborim de moment l'actualitat. Estem obrint una nova finestra per entendre l'univers. Una finestra complementària a la que ja teníem des de sempre. 

La llum seguirà sent, sens dubte, la font de coneixement més important, com ho ha estat al llarg de tota la història. Però ara s'unirà, poc a poc, un fascinant i extraordinari company. 

Les minúscules ones sobre el llac.

Els diamants són per sempre

Que el nostre univers és extraordinari, i ple de sorpreses, no és una novetat.

Avui parlarem d’un tipus de planeta una mica especial. Ni més ni menys que planetes amb el cor de diamant!

Durant temps s’ha especulat sobre l’existència d’aquests planetes, que, segons la teoria, estarien formats pràcticament només de carboni.

Element curiós el carboni, oi? Part vital en la vida tal i com l’entenem, forma l’esquelet de les proteïnes, dels aminoàcids, de les vitamines, dels lípids... de tot el que anomenem orgànic. A més, el carboni pren la forma del negre carbó. I, quan les condicions són les adequades, es converteix en el valuós diamant. Aquest és el camaleònic carboni.

Doncs bé, els planetes de carboni tindrien tanta pressió en el seu interior que el seu nucli estaria format per diamant pur. No pedretes de diamant, no. Un nucli de planeta sencer de diamant! El somni del col•leccionista de joies!

Recentment, un grup d’astrònoms ha anunciat el descobriment d’un candidat a inaugurar aquesta categoria de planetes. És una pedra enorme. Ni més ni menys que un planeta 125 vegades més voluminós que la Terra. Vaja tros de diamant, oi?

Com es formarien aquestes, mai millor dit, joies espacials?

Una de les teories diu que serien cadàvers d’estrelles, que haurien perdut les seves capes externes de gasos, i s’haurien quedat només amb el nucli, consumit, format per carboni i oxigen (aquest és el tipus de nucli que una estrella normaleta, com el nostre Sol, desenvoluparà un cop el procés de fusió nuclear vagi progressant). Segons aquesta teoria, l’estrella perdria els gasos per l’efecte gravitatori extrem d’un objecte super-massiu molt proper, i sense categoria ja d’estrella es convertiria en un “planeta” que giraria al voltant de l’objecte massiu que l’ha despullat. En el cas del candidat recent descobert, el company massiu seria una estrella de neutrons, que també s’ha identificat.

Bé, abans no correu a comprar-vos el proper bitllet a aquest planeta-diamant us haig de dir que trigareu un xic en arribar-hi, ja que es troba situada a uns 4.000 anys llum d’aquí.

I per aquells de vosaltres que, un cop llegit l’anterior paràgraf, decidiu esperar a que se’n trobi un de més proper, també us adverteixo que anar a una d’aquests planetes no deu ser gaire agradable, no.

En primer lloc, la gravetat ha de ser enorme. Amb masses considerables, i densitats de metall, la frase “tocar de peus a terra” adquiriria un nou significat per al pobret de nosaltres que hi arribés (comptant que el viatge d’aproximació no hagués ja rebentat la nau, ... amb nosaltres a dins).

Després, tenim el tema de com evitar al company assassí. Aquest objecte que ha estat capaç de robar els gasos a la pobre estrella moribunda. Un objecte voraç, de gravetat ingent.

En el millor dels casos, una estrella de neutrons, girant a centenars, o milers, de voltes per segon, que ens fascinarà mentre ens arrossega a la perdició. En el pitjor, un forat negre, que mai no veurem, però que ens convertirà en xiclet orgànic pocs instants abans no deixem aquest univers per sempre.


Aquest cop, doncs, els especuladors ho tindran un xic més difícil.

 
El zoològic de l’univers no para, ja veieu, de donar-nos nous espècimens, a quin més extravagant i extraordinari.

Amb més de 700 planetes extrasolars (és a dir, que orbiten altres estrelles) confirmats ja, i tenint en compte que la xifra de planetes, només a la nostra galàxia, ha de rondar pel voltant del centenar de miler de milions, a ben segur les sorpreses només han fet que començar.

L'objecte que gira més ràpid

El nostre univers no deix de sorprendre’ns. És un lloc magnífic, ple de coses extraordinàries.

Avui us parlaré d’un objecte increïble. Ni més ni menys que l’objecte macroscòpic que gira més ràpid en tot l’univers conegut.

Cordeu-vos el cinturó i agafeu-vos bé a la cadira!

L’objecte en qüestió és una estrella de neutrons, de les què ja hem parlat en el blog. Aquestes estrelles super-denses giren molt ràpid. Però la nostra protagonista, l’estrella PSR 11748-2446 bat tots els rècords de lluny, al girar 716 vegades per segon!!!

Les estrelles de neutrons es formen al morir una estrella gegant. Quan el seu cor nuclear deix de funcionar, i després de vàries fases, una de les quals porta aquesta estrella a l'estadi de supernova, l’enorme gravetat del material que la forma desencadena una catàstrofe impressionant.

Sense res que pugui parar aquesta força de gravetat, la matèria cau cap a dins. L’estrella es contrau en qüestió de segons. I com més densa es fa, més imparable es torna aquesta caiguda cap a dins.

En una estrella normal, tot es pararia quan la densitat de l’estrella resultant fos tan gran que els electrons dels àtoms ja no es poguessin comprimir més. Però en una estrella gegant, la massa és tan gran que ni els electrons poden parar el col·lapse. L’estrella segueix caient cap dins seu, comprimint la matèria fins a límits inimaginables.

Finalment, tot es para quan la matèria s’ha convertit en neutrons: en els àtoms, els electrons s’han vist comprimits contra els protons. Ja no queden elements químics. Ni rastre d’hidrogen, d’heli, o de ferro. Tot ara són neutrons.

En aquest procés de contracció passa una cosa molt interessant. Teniu present un patinador sobre gel quan gira amb els braços oberts? I el que li passa quan enganxa els braços contra el cos? En aquell moment, el patinador comença a girar molt més ràpid del que ho feia. Això és conseqüència d’una llei de la física, que obliga al patinador a girar més veloçment a l’ocupar menys espai.

Aquesta llei de la física és la que fa que la nostra protagonista estrella de neutrons giri tan ràpid.

Anem ara a les dades espectaculars.

El nostre objecte té una massa equivalent a varis milions de Terres, ... ocupant tan sols un espai d’uns 32 quilòmetres!

Ja hem vist que gira a un ritme de 716 cops per segon. Això és molt més ràpid que una batidora.

Us podeu imaginar una bola de 32 quilòmetres, que pesa milions de vegades més que el nostre planeta, i girant a aquest ritme? Jo no.

La gravetat és tan enorme en la seva superfície que qualsevol cosa que hi caigués, inclosos nosaltres, quedaria convertida immediatament en una capa finíssima de neutrons, ... d’un àtom d’alçada!

Contemplar-lo girar ha de ser tot un espectacle. Puc veure’m a mi mateix mirant-lo, fascinat. La seva llum intensa il·luminant-me els ulls. Hipnotitzat per aquesta meravella, incapaç de reaccionar, mentre atrau imparablement la meva nau cap a la destrucció.

Així també eren atrets els vaixells, pels encisadors cants de les sirenes, cap a la fi del món.

Aquest estrany univers: les estrelles de neutrons

L’Univers on vivim és un lloc extraordinari. Molts dels fenòmens que hi passen o de les coses que hi ha són quasi inimaginables per la nostra ment. Constantment ens sorprèn. És, simplement, fascinant.

Avui és el torn d’explicar les estrelles de neutrons.

Com bé sabeu, com a seguidors del blog, les estrelles grans, aquelles molt més massives que el Sol, es moren en mig d’un espectacle al•lucinant, una explosió coneguda com a supernova (de supernoves n’hi ha de varis tipus, però avui no ens complicarem amb això).

Aquestes explosions són inimaginables. Alliberen una enorme quantitat d’energia, i, per unes hores, aquella estrella moribunda emet més llum que el total de la galàxia on viu (és a dir, més llum que la llum del miler de milions d’estrelles veïnes!)

També coneixeu una mica el mecanisme pel qual es produeix això. L’estrella s’ha mantingut en equilibri durant centenars o milers de milions d’anys, gràcies al procés de fusió nuclear que es produeix en el seu interior. Aquesta fusió ha alliberat molta energia, que ha contrarestat la pressió de la gravetat que impulsa (“fa caure”) el gas cap el centre. Són dos forces en sentit contrari: el pes del gas de l’estrella contra l’energia alliberada per la fusió.

Però arriba el dia en el què la fusió ja no pot continuar: el combustible al voltant del nucli de l’estrella s’ha acabat. Les reaccions de fusió han “cremat” tot el que es podia “cremar”, i han anat convertint l’hidrogen, component inicial de l’estrella, en una seqüència d’elements, fins arribar al ferro.

Al no poder continuar la fusió es trenca l’equilibri: guanya la gravetat, i el gas cau, es comprimeix. La pressió sobre el centre de l’estrella és brutal, i la temperatura creix exponencialment.

Ja es veu que això acabarà malament, oi? Per algun lloc ha de petar, pensareu.

Quan la pressió i temperatura superen un determinat llindar, el nucli de ferro fa una cosa extraordinària. En pla rebel, decideix fissionar-se. Això és el contrari de la fusió: la fissió trenca els elements, els descomposa.

Això és més que el que qualsevol cosa pot suportar. És com descobrir que els remadors del teu vaixell no tan sols han deixat de remar... sinó que ara remen en sentit contrari! Motí a bord!

L’estrella es col•lapsa súbitament. En un procés que dura potser segons, l’enorme estrella (que té una dimensió de més de 10 vegades el nostre Sol) cau a velocitats enormes cap el seu centre. Res pot aturar ja aquesta caiguda. Si la pressió era gran, ara es dispara sense fre.

No m’agradaria estar en el centre de l’estrella. Bàsicament, el col•lapsa l’acaba parant l’única cosa que pot fer-ho: la densitat de la matèria. Les coses es poden comprimir molt (de vegades més del que ens pensem, sinó que ens ho preguntin als que hem hagut de treballar en multinacionals!), però tot té un límit (també el tema de les multinacionals).

Els àtoms deixen de ser-ho, sota tanta pressió. Protons i electrons es fusionen, com en una enorme premsa, i el resultat són neutrons.

L’estrella es converteix en una estrella formada només per neutrons. Ni hidrogen, ni ferro, ni cap element. Només neutrons.

La matèria ha estat tan comprimida que, prepareu-vos per això, una cullereta de cafè plena de material de l’estrella pesaria... més de 5 mil milions de tones!!!!!

Si deixéssim caure un objecte des d’una alçada d’un metre, tocaria “terra” a una velocitat de més de 7 milions de quilòmetres per hora! Això és gravetat!

I la temperatura? No ens quedarem ara curts en això, no? Estarem a l’alçada de l’espectacularitat de tot l’anterior. Ens conformarem amb un bilió de graus. Com per a posar-se moreno, no?

Però el més fascinant és el que ara us explicaré.

Imagineu-vos un patinador sobre gel, girant sobre ell mateix amb els braços estesos, en una de les seves piruetes. Quan de sobte enganxa els braços al cos, la seva velocitat de rotació augmenta, sembla que hagi de marejar-se i caure a terra.

La nostra estrella no vol ser menys. Abans girava sobre ella mateixa, com qualsevol altre estrella o planeta. Però ara ha disminuït brutalment la seva dimensió (sabeu quan ocupa una estrella de neutrons? Només uns quants quilòmetres de radi!!!! I veníem d’una estrella més gran que el Sol), i, igual que el patinador, passa a girar amb moltíssima més velocitat. Acaba girant a centenars de vegades per segon!

Us ho imagineu? Una bola, de varis quilòmetres de grandària, que pesa com varis Sols, i que gira extraordinàriament ràpid. I jo pensava que amb la Belén Esteban ho havia vist tot!

El 4 de juliol de l’any 1054, mentre els europeus ens dedicàvem al noble ofici de barallar-nos a garrotades, els xinesos varen observar al cel una nova estrella que abans no existia. Va ser tan brillant que es podia veure de dia!

Avui, sabem que en aquell lloc del cel, que els astrònoms xinesos es van encarregar de documentar,hi ha una potent estrella de neutrons. El que varen veure va ser l’explosió de la supernova que la va originar.

Estrelles de neutrons. Culleres de cafè, patinadors sobre gel, i xinesos. El que dóna de si l’univers!