Astrofísica relativista

Relativistic Astrophysics. The author summarizes the main lines of research the Relativistic Astrophysics Group is involved in. Relativistic Jets, Accretion onto Compact Objects and the Physics of Neutron and Protoneutron Stars are some of the topics where relevant scientific contributions have been made.

Al desembre de 1962 Maarten Schmidt va aconseguir identificar, en l’espectre de la radiofont 3C273, la presència d’hidrogen. Les línies espectrals corresponents (línies d’emissió de la sèrie de Balmer) estaven desplaçades al roig en un 16%, respecte als seus valors al laboratori. Al desembre de l’any següent, Robinson, Schild i Schücking van convocar un congrés a Dallas (Texas) amb l’objectiu d’analitzar la informació que es començava a acumular sobre uns enigmàtics objectes denominats quàsars (quasi-stellar radio sources) i proposar models capaços d’explicar els mecanismes generadors d’una emissió d’energia a un ritme equivalent al d’un bilió de vegades el del nostre Sol (10¹²LO) i, a més, en una regió relativament petita (de fet 3C273 apareixia en les plaques fotogràfiques com una font puntual, el que explica el terme quasiestellar). Aquest congrés va ser batejat com Texas Symposium on Relativistic Astrophysics i els resultats els va publicar la Universitat de Chicago el 1965 sota el títol Quasi-Stellar Sources and Gravitational Collapse. El terme «astrofísica relativista» quedava, doncs, encunyat entre la comunitat científica. Pels mateixos anys, Zeldovich i Novikov treballaven en la seua obra Relativistic Astrophysics, el primer volum de la qual (Stars and Relativity) va aparèixer, en rus, l’any 1967. Al desembre passat tingué lloc, a París, la dinovena edició del Texas Symposium on Relativistic Astrophysics. Més de 900 participants i quinze minisimpòsiums paral·lels donen idea de l’extraordinària vitalitat, actualitat i importància d’aquest camp de l’astronomia moderna que és l’astrofísica relativista.

L’equip d’investigació definit, actualment, pel projecte de la DGES «Fluids relativistes en astrofísica i física d’objectes compactes» es va començar a gestar el 1986 quan dos dels seus membres, els doctors Martí i Miralles –actualment professors titulars de la Universitat de València– treballaven en les seues respectives tesis doctorals i als quals es va unir, posteriorment, el doctor Armando Pérez (professor titular del Departament de Física Teòrica). En el si d’aquest equip ens hem anat interessant per problemes que s’inscriuen en el marc de l’astrofísica relativista i mantenim, en aquesta disciplina, relacions científiques estables amb prestigiosos grups a Europa i als EUA: Instituto de Astrofísica de Andalucía, Max-Planck Institut für Astrophysic (Garching, Alemanya), Max-Planck Institut für Gravitationsphysik (Postdam, Alemanya), Observatoire de Paris-Meudon (França), Department of Astronomy (Boston University, EUA), Department of Physics and Astronomy (State University of New York, EUA). En la nostra mateixa universitat mantenim estrets vincles científics amb el Grup de Recerca d’Anàlisi Numèrica, liderat pel professor Marquina (Departament de Matemàtica Aplicada) i amb professors del Departament de Física Teòrica.

«L’acreció sobre un objecte compacte és el mecanisme més eficient per generar energia; per exemple l’eficiència en la síntesi de l’heli a partir de l’hidrogen és, a penes, una dècima part d’aquell»

Un dels eixos orientadors de la nostra activitat investigadora és el que hem titulat «Física d’objectes compactes» (nans blancs, estels de neutrons i forats negres). Les contribucions principals del grup s’inscriuen en el camp de les propietats, tant físiques com observacionals, dels estels de neutrons. Els diferents treballs científics publicats es poden aplegar en dues categories: a) anàlisi de les propietats macroscòpiques i observacionals dels estels de neutrons amb camps magnètics intensos i, b) estudi de les primeres etapes en l’evolució dels estels de neutrons acabats de formar pel col·lapse de l’estel progenitor. El refredament d’un protoestel de neutrons constitueix, en l’actualitat i en ell mateix, una especialitat dins d’aquest camp, donat que, com es comenta en la contribució a aquest volum de Miralles i Pons, és possible contrastar amb les observacions –detecció de neutrins– els models que es proposen per a explicar els primers cinquanta segons de la seua vida. Altres aportacions rellevants en aquest camp són les relatives a l’anàlisi de les propietats de la matèria a les densitats típiques que s’aconsegueixen en l’interior dels estels de neutrons. En aquesta direcció cal destacar el paper clau representat per la investigació desenvolupada per Armando Pérez, alguns dels resultats del qual són fonamentals per al coneixement de l’equació d’estat que descriu la matèria en les condicions extremes ja esmentades.

El segon eix orientador de la nostra activitat investigadora és el que hem denominat «Fluids relativistes en astrofísica». Estudiem certs processos hidrodinàmics en què la matèria arriba a velocitats pròximes a la de la llum i/o evoluciona en presència d’un camp gravitatori –del qual, fins i tot, pot ser la font– tan intens que la ja mencionada evolució ha de ser descrita en el quadre de la teoria de gravitació deguda a Einstein. Encara que el dit títol pot resultar, a primera vista, poc atractiu, és difícil resumir en tan poques paraules la diversitat i interès dels diferents escenaris astrofísics implicats:

1) «Dolls relativistes extragalàctics», associats a galàxies amb activitat nuclear, o galàctics, associats a objectes compactes d’origen estel·lar. En la contribució a aquest volum de Martí i Aloy es desenvolupa amb detall tant l’escenari astrofísic com les aportacions a aquest camp del grup. Aquesta línia de treball ha estat valorada molt positivament, entre altres, per la Societat Max-Planck (com queda reflectit en les corresponents memòries d’aquesta societat) i ha estat destacada per la Direcció General XII (Science, Research & Development) de la Comissió Europea (que va seleccionar el doctor Martí, amb quinze científics més, entre tots aquells que han gaudit de beques i/o contractes concedits per l’esmentada direcció durant els dos darrers plans quadriennals).

2) «Acreció sobre objectes compactes». L’acreció sobre un objecte compacte és el mecanisme més eficient, de tots els coneguts, per generar energia; per exemple, l’eficiència en la síntesi de l’heli a partir de l’hidrogen (mecanisme que té lloc en estels de seqüència principal, com ara el Sol) és, a penes, una dècima part d’aquell. Els corresponents articles científics, desenvolupats en el si d’una col·laboració amb els doctors Font i Papadopulos (del Max-Planck Institut für Gravitationsphysik), són pioners en l’anàlisi de les propietats morfodinàmiques del gas que és acretat per un forat negre de Kerr.

Cal subratllar que en els dos candidats a forats negres supermassius que suposadament existeixen en el nucli central de les respectives galàxies, NGC 4261 i M87, s’ha observat l’associació dolls-discos d’acreció. El lector pot mirar d’imaginar un escenari tan fascinant com el d’un gegantesc terbolí (de gas), d’uns quants centenars d’anys-llum (distància recorreguda per la llum en un any) de diàmetre, girant, a velocitats d’una dècima part de la de la llum, al voltant d’un objecte la presència del qual solament és “detectable” indirectament (per la seua influència gravitatòria) i la massa del qual és l’equivalent a la de milions de vegades la del Sol, i, a més, en direccions perpendiculars al plànol del terbolí, i al llarg de l’eix central, n’emergeixen uns dolls de plasma a velocitats de fins un 99,9% la de la llum que s’estenen fins a distàncies de centenars de milers d’anys-llum. Mai no va ser tan certa l’afirmació que la realitat supera la fantasia.

Altres escenaris astrofísics d’importància extraordinària en què treballem són els del col·lapse gravitacional de nuclis estel·lars (precursor de les supernoves de tipus II), les erupcions de raigs gamma i, a termini mitjà, el de les col·lisions de binàries compactes.

Com es dedueix de tot el que hem exposat, els dos grans eixos orientadors de la nostra activitat investigadora –els «Fluids relativistes en astrofísica» i la «Física d’objectes compactes»– no solament estan estretament relacionats –els processos hidrodinàmics relativistes en astrofísica exigeixen la presència d’un objecte compacte– sinó que, a més a més, defineixen un ambiciós pla de treball en l’apassionant camp de l’astrofísica relativista.

© Mètode 1999 - 21. Comprendre l'univers - Número 21. Primavera 1999

Departament d’Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València.