L’univers invisible del Herschel

Avui deixarem les teories sobre l’evolució de l’univers i passarem a comentar descobriments de fa pocs anys que van conformant la seva imatge. Tenim ben assentada la teoria del Big Bang, el començament de l’univers fa 13.800 milions d’anys, refermada experimentalment pel descobriment de la radiació de fons de microones, o radiació fòssil, residu dels fotons presents en els primers instants. La radiació de fons ha merescut ja dos premis Nobel, 1978 a Penzias i Wilson pel descobriment  i 2006 a  Mather i Smooth per l’elaboració del mapa de la radiació a escala de l’univers sencer, dels que hem parlat en las dues darreres xerrades.

Llançament del Herschel. Imatge ESA-CNES-Arianespace/Photo Optique Vidéo CSG – S. Martin

El passat 29 d’abril l’observatori espacial Herschel, llançat per l’ESA el 14 de maig de 2009, va tancar definitivament els seus ulls a l’univers. Havia exhaurit els 2.300 litres d’heli líquid que mantenien a prop del zero absolut de temperatura els instruments d’observació.
Segons la ESA (Agència Europea de l’Espai), ha estat el més gran telescopi reflector posat mai a l’espai, ha utilitzat noves tècniques criogèniques (de molt baixa temperatura) i els més sensibles detectors en la banda de l’infraroig llunyà. Segons Álvaro Gimenez, director de Ciència i Exploració Robòtica de la ESA, Herschel ha sobrepassat totes les expectatives, proporcionant dades que donaran feina als científics durants molts anys. (1) (2)

La revista Investigación y Ciencia publicava al seu número de febrer d’aquest any un article sobre la importància del Herschel i les seves observacions. Gran part dels processos que es produeixen a l’univers queden ocults darrera de núvols de pols, impenetrables a la llum visible però detectables en l’infraroig llunyà, que és a més a més la banda en la que es troba més de la meitat de la radiació generada després del Big Bang. Per aquesta raó l’ESA va decidir construir i llançar el telescopi Herschel, per operar en aquesta regió de l’espectre electromagnètic. El Herschel ha observat galàxies situades a diferents distàncies, fins i tot molt llunyanes, el que vol dir que les ha mostrat tal com eren en diferents èpoques de la història còsmica i per tant, el seu estudi ens pot permetre reconstruir el camí que va des dels primers instants fins a l’univers actual. Les imatges obtingudes de filaments de pols i gas en xarxa dins de la nostra galàxia, donen als astrònoms un nou punt de vista sobre el procés de formació de les estrelles. Els seus espectròmetres han analitzat la química del medi interestel·lar, on es creu que es podrien haver format les primeres molècules prebiòtiques. (1) (2) (3)

Observatori espacial Herschel. Imatge NASA.

Galàxies llunyanes:

Ja el 1995 l’ESA va llançar a l’espai l’Observatori Espacial Infraroig, un telescopi per a fer observacions a la banda de l’infraroig que, juntament amb les observacions del COBE, va permetre deduir l’existència de nombroses galàxies ocultes per núvols de pols, que s’hauria d’haver format al mateix temps que les primeres estrelles. Aquestes galàxies invisibles per els telescopis òptics eren però molt lluminoses en l’infraroig i aquí és on juga el seu paper Herschel, amb el seu gran poder de resolució, que permet veure ben definits objectes molt febles i llunyans. Fins i tot en alguns casos ha tingut importància en l’observació l’efecte de lent gravitacional, que permet engrandir una imatge quan els raigs passen al costat d’un objecte molt massiu. Es com si tinguéssim una lent al mig de l’espai que ens engrandeix la imatge que arriba al telescopi. D’aquesta manera s’han observat galàxies situades a més de 12.000 milions d’any llum de nosaltres, que es poden considerar com acabades de néixer. La seva lluminositat és milers de vegades major que la de la Via Làctia degut a la gran quantitat d’estrelles en formació que tenen.

L’estudi de les galàxies llunyanes, ha revelat que tenen una velocitat prodigiosa de formació d’estrelles, a raó de l’equivalent de milers de masses solars per any. Com a referència sabem que la nostra galàxia produeix l’equivalent a una massa solar per any. La galàxia HFLS3, situada a quasi 13 mil milions d’anys-llum, ens envia la seva llum mostrant com era només 880 milions d’anys després del Big Bang. A pesar de la seva “joventut” té una massa similar a la Via Làctia, aprox. 140 mil milions de vegades la massa del Sol en forma d’estrelles o estrelles en formació. Ara, amb 13 mil milions d’anys més, hauria d’haver crescut fins a ser com les galàxies més massives del nostre univers local. Segons la teoria actual de l’evolució de les galàxies, les primeres en formar-se després del Big Bang haurien de ser relativament petites, poc massives, d’uns pocs milers de milions de vegades la massa del Sol i formant estrelles a velocitat d’unes poques vegades la actual de la Via Làctia. Tota la galàxia HFLS3 sembla implicada en la formació d’estrelles fins el punt que la intensa radiació de les estrelles joves arrossega el material de formació d’estrelles de la galàxia.
Herschel ha detectat desenes de milers de galàxies massives i amb estrelles en formació. El repte ara es trobar les que siguin més interessants per estudiar-les amb detall.

En el futur potser podrem entendre els processos que van conduir a la formació de galàxies tan massives i lluminoses en una època tan a prop del Big Bang i podrem entendre una mica millor l’evolució de l’univers.
(2) (4)

Vivers estelars:

Quan es forma una estrella, la massa que arriba a tenir és el paràmetre que més influirà en la seva evolució posterior. A més massa, més temperatura interna i menys esperança de vida. Una temperatura interna molt alta permet la creació d’elements més pesats mitjançant les reaccions nuclears. Per exemple, el Sol només produeix heli i carboni. Una estrella 5 vegades més massiva   sintetitzarà tots els elements químics fins el ferro. El elements més pesats es generen a les estrelles encara més massives, que degut a la gran temperatura interna acabaran explotant com supernoves.

Els mecanismes de formació estel·lar ja eren coneguts des de les mesures realitzades per  l’Observatori Espacial Infraroig de l’ESA:
– la pols i el gas es condensen en núvols poc densos, transparents al visible, però detectables a l’infraroig,
– després es produeix la condensació per col·lapse gravitatori, reduint-se el volum en un factor de 10^10,
– aleshores el núvol ha de perdre el gran moment angular acumulat en el procés de contracció (efecte dels patinadors quan arronsen els braços per girar més ràpidament) i, per això, es fragmenta en núvols més petits formant un protocúmul i és en aquest moment on queda determinada la massa que tindrà el cúmul futur i cada estrella que el formarà,
– aquest conjunt de nuclis densos aniran evolucionant com a sistemes aïllats, convertint-se en protoestrelles, al voltant de les quals es formarà un disc de matèria que donarà lloc al sistema planetari.

Herschel ha observat, a la regió de formació estel·lar NGC 1333, a 815 anys llum de la constel·lació de Perseus, dins de la nostra galàxia, uns filaments que s’estenen entre els nuclis densos de les estrelles en formació i que formen com una gran teranyina, amb els nuclis situats en l’encreuament dels filaments. Aquests filaments semblen ser anteriors a la formació dels nuclis i es pensa que apareixen com a resultat de l’acció combinada de la gravetat, els camps magnètics estel·lars i la turbulència del medi. Herschel ha estudiat milers d’aquests objectes, l’estudi estadístic dels quals permetrà entendre millor com queda determinada la massa de cada estrella. Faltarà encara entendre el mecanisme a través del qual els discos protoplanetaris es converteixen en sistemes planetaris, per el que caldrà esperar a nous radiotelescopis espacials, amb una resolució encara més gran que la del Herschel

Espectroscopia:

L’espectre obtingut de la nebulosa d’Orió presenta milers de línies, algunes corresponents a molècules ja trobades al medi interestel·lar (aigua, monòxid de carboni, el grup hidroxil, formaldehid, metanol, eter dimetílic, àcid cianhídric, mono i diòxid de sofre i oxigen molecular) i altres que encara no han estat identificades i entre les que s’espera trobar algunes no trobades mai abans.  (5)

Espectre obtingut a la nebulosa Orió. Imatge ESA, HEXOS and the HIFI Consortium E. Bergin

També s’han obtingut espectres de medis interestel·lars de fora de la nostra galàxia. Un exemple és el de la galàxia Markarian 231, a 600 milions d’anys llum de la Terra. L’anàlisi Doppler dels espectre d’hidroxil i aigua mostren que el gas de la Markarian 231 es troba a molt alta temperatura per la gran quantitat d’estrelles en formació i la presència d’un forat negre supermassiu i s’està expandint a més de 1000 km/s. Això podria explicar les galàxies el·liptiques molt massives i sense pols que s’han trobat a la nostra època, que podrien ser el resultat final de l’evolució de les galàxies inicials hiperlluminoses que, un cop escombrat tot el gas i la pols, haurien frenat els processos de formació d’estrelles, reduït la seva lluminositat i adoptat la forma el·liptica actual. (3)

Fonts d’informació:

(1) http://herschel.esac.esa.int/
(2) http://www.esa.int/For_Media/Press_Releases/Herschel_closes_its_eyes_on_the_Universe
(3) El observatorio infrarrojo Herschel. Paolo Saraceno i Anna di Giorgio. Investigación y Ciencia, febrero 2013.
http://www.investigacionyciencia.es/investigacion-y-ciencia/numeros/2013/2/el-universo-invisible-de-herschel-10816         (breu resum, es pot comprar l’article sencer)
(4)http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Herschel/Star_factory_in_the_early_Universe_challenges_galaxy_evolution_theory
(5) http://www.herschel.caltech.edu/index.php?SiteSection=ImageGallery&ViewImage=nhsc2010-003a

Audio de la xerrada.

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
“Sopa d’estrelles” del 23 de maig de 2013.

Aquesta entrada ha esta publicada en cosmologia. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari