L'ASTRONÒMICA

Conferència de l'Astronòmica de Sabadell. José Miquel Rodríguez-Espinosa, 4 d'abril de 2018.

Avui us explicaré un treball sobre forats negres dobles que he realitzat en col·laboració amb dos astrònoms de la Universitat Nacional Autònoma de Mèxic.

La majoria de les galàxies tenen un forat negre central. A més les col·lisions entre galàxies són relativament freqüents. Això vol dir que hi ha d'haver bastantes galàxies amb dos forats negres centrals. Sabem que al final del procés els dos forats negres acabaran fusionant-se però fins que això no passi, durant uns milions d'anys, les galàxies resultants han de tenir forats negres dobles. Per tant hauríem de veure un nombre important de forats negres dobles, però la veritat és que s'han detectat molt pocs.

A la nostra galàxia també hi ha un forat negre central. És relativament petit, d'uns 4 milions de masses solars. Ho hem descobert i estudiat observant les estrelles centrals. Estudiem les seves òrbites, que són molt allargades, i podem mesurar la massa central del forat negre.

El nostre forat negre no es pot veure directament perquè no està absorbint matèria. La nostra no és una galàxia activa, però en altres galàxies els forats negres són molt actius. Això vol dir que estan atraient gas i estrelles del seu voltant, i formen un disc d'acreció que és molt brillant. Es pot observar amb llum visible però també amb raigs X, ones de ràdio, etc. També emeten dolls de gas a velocitats relativistes. Un exemple és la galàxia M82 (figura 1).

Figura 1. Galàxia M82

A més d'aquests forats negres en el centre de les galàxies, sabem que hi ha també molts forats negres estel·lars. Aquests són molt més petits que els anteriors. Els veiem sobretot en sistemes dobles estel·lars formats per una estrella més un forat negre. Veiem l'estrella i el disc de gas que cau cap al forat negre, i podem mesurar com és aquest.

En altres ocasions veiem deformacions de la llum que formen arcs, anells, etc. El que estem veient és una galàxia molt llunyana, la llum de la qual apareix deformada per un cúmul galàctic més proper. Haureu sentit a parlar de la creu d'Einstein. Es tracta de quatre punts que són la mateixa galàxia, ho sabem perquè l'espectre dels quatre punts és idèntic. Els forats negres també deformen la llum quan passa a prop seu.

L'altre ingredient que ens interessa són les col·lisions de galàxies. Veiem que hi ha molts xocs entre galàxies a l'Univers. Per exemple les galàxies de les antenes. D'aquesta manera dues galàxies es fusionen i formen una galàxia més gran.

Però, si això és així, per què no hi ha més galàxies actives dobles, amb dos forats negres? Només es coneixen una dotzena. I a més la majoria són forats negres duals, no dobles, ja que estan molt lluny entre si. De forats negres binaris només en coneixem un. Es tracta d'un sistema doble de forats negres separats menys de 100 parsecs. S'ha pogut observar amb el Telescopi Espacial Hubble i s'ha pogut separar amb interferometria de ràdio.

El telescopi Sloan ha realitzat un mapa molt complet del cel. Ha pres mesures fotomètriques i espectroscòpiques de milions de galàxies. Es tracta d'un dels projectes més reeixits de l'astronomia moderna.

Amb els meus col·legues mexicans hem vam buscar, al catàleg Sloan, galàxies actives amb línies dobles. La idea era que aquestes línies dobles serien una pista important per trobar forats negres dobles. A més, mentre que les galàxies normals només tenen línies d'absorció, les galàxies actives (amb un forat negre central actiu) també tenen línies d'emissió.

Aquestes línies dobles poden procedir dels discos d'acreció, dels raigs de material expulsats per la galàxia activa o per l'existència d'un forat negre doble. O sigui que l'existència de línies dobles no sempre vol dir que hi ha un forat negre doble, però sí que és una condició necessària.

En les dades de Sloan vam trobar una galàxia amb línies triples, que era molt sospitosa de contenir un forat negre doble: la galàxia Markarian 622. Per assegurar-nos vam anar al telescopi William Herschel i amb ell vam obtenir un nou espectre d'aquesta galàxia. Vam comparar els dos espectres (Sloan i William Herschel) i vam veure que eren idèntics. En tretze anys l'espectre no havia canviat gens (figura 2)

Figura 2. Espectre de la galàxia Markarian 622

Hi ha un tipus de diagnòstic per saber si una galàxia és activa perquè té un forat negre central o per altres raons, com per exemple per tenir una important formació estel·lar. Per a això s'utilitza el diagrama BPT (Baldwin-Phillips-Terlevich) (figura 3). A l'eix horitzontal d'aquest diagrama es posa el quocient entre N2 / Halfa i en l'eix vertical el quocient entre O3 / Hbeta. Normalment Halfa és típic de les galàxies amb formació estel·lar, mentre que el NII és típic de les galàxies actives. I igualment Hbeta és típic de les galàxies amb formació estel·lar i el OIII és típic de les galàxies actives. Si la línia espectral d'una galàxia (que en el diagrama és un punt) es troba per sobre de la línia discontínua, es tracta d'una galàxia activa i si es troba per sota és una galàxia amb alta formació estel·lar.

Figura 3. Diagrama BPT de diferents línies espectrals

En el cas de la nostra galàxia amb línies triples, vam posar les tres línies en un diagrama BPT i vam obtenir el següent resultat(figura 4): La línia central va quedar per sota de la línia discontínua, el que significa que es tracta d'una regió HII, amb formació estel·lar; però en canvi, les altres dues línies (la més blava i la més vermella) van quedar per sobre de la línia discontínua, el que significa que hi ha un forat negre per a cada línia. La conclusió a la qual vam arribar és la següent: tenim dos forats negres girant (ballant) al voltant d'una zona central de formació estel·lar.

Figura 4. Les tres línies espectrals de Markarian 622 en el diagrama BPT

Vam publicar aquests resultats però ens va costar molt perquè no són uns resultats concloents, cal estudiar aquesta galàxia amb més resolució. Vam buscar en els arxius de radiotelescopis com el VLA i vam trobar una imatge ràdio on es veuen 3 taques intenses, però encara faltava  més resolució, i a més és una imatge única.

Per obtenir millors dades hem fet una proposta d'observació d'interferometria de major resolució, amb l'interferòmetre europeu, que fa servir radiotelescopis de diverses parts del món (Europa, Amèrica i Àfrica). La idea no és fer només una imatge d'aquesta galàxia sinó també obtenir el seu espectre. La distància entre aquests dos forats negres ha de ser d'uns 76 pc. La propera vegada que vingui aquí espero poder-vos explicar les conclusions a què hem arribat amb aquestes noves dades.

Col·loqui

És veritat que és possible fer interferometria amb satèl·lits a l'espai?
Sí, és possible i s'està fent. Nosaltres amb la interferometria terrestre en tenim més que suficient.

Què passa quan es fusionen dos forats negres centrals?
Sí, això no ho he explicat. En fusionar-se dos forats negres centrals es produeixen ones gravitacionals. Quan els dos forats negres són supermassius, aquestes ones han de ser molt intenses. Encara no n’hem captat cap d'aquest tipus. Només hem captat ones gravitatòries de la fusió de dos forats negres estel·lars.