L'energia dels quàsars

O de com les idees senzilles poden ser resposta i obrir camins

13
març
2023
Galàxies amb un quàsar al seu nucli

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...

Corriment al roig de les línies d'hidrogen detectades en el quàsar 3C273 i identificades per Maarten Schmidt. Veieu l'entrada anterior.

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/Rs. 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/Rs, veurem que el quocient M/Rs pot assolir valors més grans si M és gran i Rs  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.

El telescopi espacial Hubble va permetre associar el fenomen dels quàsars amb galàxies amb morfologies distorsionades causades per processos de col·lisió. Aquesta és una de les maneres en què la matèria pot ser aportada al forat negre súper-massiu del seu nucli.

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.

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.