Un viatge (inter)galàctic a través del catàleg de Charles Messier – M4, un dels cúmuls globulars més propers al nostre Sistema Solar

En aquest periple nostre, tornem a saltar d’un cúmul globular, l’M3, a un altre, el cúmul globular M4. En aquest salt recorrem uns 33.000 anys-llum (uns 10 kiloparsecs o 3,1•1019). És un viatge que ens durà des d’una posició relativament allunyada del pla galàctic a una de més propera. Alhora, és un viatge que ens apropa de nou al Sistema Solar. Des de l’M3 al Sistema Solar hi ha uns 33.900 anys-llum, mentre que la distància de l’M4 al Sistema Solar és de tan sols 7.200 anys-llum. Fet i fet, l’M4 és un dels cúmuls globulars més propers al Sistema Solar. En comparació a l’M3, el cúmul globular M4 és de dimensions més modestes. N’hi ha prou a recordar que tots dos objectes, vistos des de la Terra, tenen una lluminositat pareguda (en realitat, l’M4, amb una magnitud de +7,12 és encara menys pregon que l’M3, amb una magnitud aparent de +6.2). Així doncs, per força l’M4 ha de ser un objecte inferior a l’M3 en termes de diàmetre absolut i de quantitat d’estels. Ara bé, l’M4 és un cúmul globular més antic que l’M3. D’altra banda, l’M4 és un target astronòmic més interessant vist des de la Terra. En primer lloc, per tindre un diàmetre aparent més elevat (d’uns 36 minuts d’arc, el doble que l’M3, cosa lògica atenent a la seva situació més propera) i, en segon lloc, perquè el joc de perspectives astronòmiques, situa l’M4 a poc més d’1º d’Antares, l’estel principal de la constel·lació de l’Escorpí. El Sol, Antares i l’M4 formen gairebé una línia recta, en la qual la distància de Sol-Antares és de un 8% de la distància total entre el Sol i l’M4.

Les observacions històriques de l’M4

Amb una magnitud aparent de +7 i, situat a tan sols 1,3º de distància angular aparent respecte d’Antares, aquesta nebulosa fou segurament observada per diversos pioners de la telescopia. El diàmetre aparent de l’M4 és un xic superior al del disc solar o del disc lunar. El cas és que, quan Philippe Loys de Chéseaux va registrar aquest objecte en el 1746, va anotar en el dietari que no tenia coneixement que ningú no l’hagués registrada abans.

Jean-Philippe Loys de Chéseaux tenia llavors 28 anys. En el mateix 1746 va descobrir un cometa, el segon del seu registre (el primer havia estat en el 1743). Chéseaux, però, era quelcom més que un “caçador de cometes”. Treballant des de Lausanne, procurava estar el cas de les contribucions més teòriques. En el mateix 1746, va sotmetre a l’Académia Française de Sciences una llista de nebuloses fixes, entre les quals hi havia vuit que, segons la recerca bibliogràfica del propi Chéseaux, no havien descrites abans. El catàleg de Chéseaux, però, va prosperar tant com el del nostre Messier. Amb prou feines l’arriba a citar Guillaume Le Gentil, en el 1759, i no és reivindicada fins el 1892, en una revisió de Guillaume Bigourdan. Bigourdan necessitava les dades de Chéseaux i d’altres astrònoms de les generacions anteriors pel seu gran projecte d’estudiar el moviment propi de les nebuloses al llarg de gairebé dos segles. Els historiadors de la ciència també s’han interessat per una contribució teòrica de Chéseaux. Chéseaux refutava la idea d’un univers infinit, amb un nombre infinit d’estels, tot assenyalant que, si aquest fos el cas, no podria haver ni un sol punt del cel que no acabés en un estel, més a prop o més lluny, cosa incompatible amb la percepció de la foscúria del cel nocturn. Chéseaux, en aquesta argumentació, actuava mogut també per la seva pietat cristiana. Com Jesús, Chéseaux es va morir a 33 anys. Tres anys després, hom va publicar les Mémoires posthumes de M. de Chéseaux, en la qual s’incloïen els esforços per lligar la cronologia bíblica amb la d’altres obres de l’antiguitat.

La nebulosa número 19 de Chéseaux és la que ens ocupa en aquest relat. En la llista presentada a l’Acadèmia diu “19: una nebulosa propera a Antares, que he trobat enguany a una ascensió recta de 242 graus, 1 minut i 45 segons, i a una declinació de 25 graus, 23 minuts i 30 segons. És blanca, rodona i més petita que les anteriors. No en sé de ningú que l’hagués registrada prèviament”.

Observar i registrar són dues coses diferents. Els caçadors de cometes que van per feina no perden el temps amb objectes nebulosos que no mostren un moviment aparent de nit en nit. Per a molts astrònoms de l’època, una llista com la de Chéseaux era vàlida precisament per no confondre aquestes nebuloses fixes amb candidats cometaris. La llista de Chéseaux, tal com hem dit, va caure en un relatiu oblit.

El 13 d’abril del 1752, quan feia uns mesos del traspàs de Chéseaux, Nicholas Louis de Lacaille anotava de nou la nebulosa propera a Antares. També Lacaille consignava el fet que l’objecte no apareixia en cap dels llibres, catàlegs, mapes o monografies científiques que tenia a l’abast.

En aquella època Lacaille era en mig de la seva expedició astronòmic en el Cap de la Bona Esperança, en el punt més austral d’Àfrica. Antares, és cert, és una constel·lació austral, si bé per la seva latitud és visible en la major part de l’hemisferi nord. Però moltes altres constel·lacions australs són invisibles. La tasca de Lacaille a Sud-àfrica era estudiar telescòpicament totes aquestes constel·lacions insuficientment conegudes per l’astronomia europea. També va fer contribucions a l’estudi de l’esfericitat de la Terra (amb la mesura d’una secció d’arc de meridià). Mitjançant observacions de Mart, la Lluna i del Sol, fetes en combinació amb els seus col•legues europeus, va estudiar el paral·latge latitudinal del Sol i de la Lluna. En el 1754, Lacaille tornava a París, on es moria el 21 de març del 1762.

Giovanni Domenico Maraldi es va encarregar de l’edició de la que havia de ser la gran obra pòstuma de Lacaille, Coelum Australe Stelliferum, en el 1763. En aquesta obra, trobem referit (Lac. I. 9) el cúmul globular proper a Antares, amb una breu referència (“sembla el nucli petit d’un feble cometa”), datada en el 13 d’abril del 1752.

Malgrat la rellevància de l’obra pòstuma de Lacaille, Charles Messier, el 8 de maig del 1764, anota la nebulosa d’Antares com una descoberta pròpia. L’anotació diu “ascensió recta de 242º16’56’’ i declinació austral de 25º55’40’’, diàmetre 0. 2 ½”. El més notable és el fet que Messier ja sembla reconèixer l’objecte com “una nebulosa de nombrosos estels petits”. A diferència d’altres cúmuls globulars, no cal esperar als Herschell, per resoldre els petits estels que l’integren.

Messier va afegir més tard a les anotacions que l’objecte “Messier 4” havia estat descrit prèviament per Lacaille. En les successives observacions que en va fer al llarg dels anys, Messier ja assenyala que l’objecte sembla una “nebulosa sense estels” quan se’l mira a través de telescopis poc potents, però que amb un “bon telescopi, hom pot percebre estels molt petits”. Les millors observacions de Messier les fa el 30 de gener i el 22 de març de l’any 1781, amb un telescopi de 2,5 peus de diàmetre.

En el catàleg de Johann Elert Bode, l’objecte “Messier 4” o “Chéseaux 19” apareix amb el número 31 (“Bode 31”). Bode reitera la impressió de Chéseaux o de Lacaille quan diu que és “una nebulosa com el nucli d’un cometa”.

Els Herschel tingueren un paper cabdal en el fet que el catàleg de Messier predominés per damunt dels altres. En els seus escrits, els objectes nebulosos són denominats d’acord amb la llista de la “Connoissance des Temps” per al 1783 que havia publicat Messier. L’anuari serveix de guia a Caroline Herschel en les seves observacions. La nit del 5 de maig del 1783, Caroline observa tres dels objectes corresponents a les veïnes constel•lacions de l’Escorpí, del Serpentari i del Sagitari, respectivament M4, M9 i M23.

William Herschell observa l’M4 amb un telescopi de 10 peus en el 1783. Comprova, efectivament, que és un cúmul d’estels en la seva integritat, i afegeix: “puc comptar-ne un gran nombre, mentre que d’altres se m’escapen dels ulls per la petitesa”. En el mateix 1783, fa servir un primer telescopi de 20 peus, per refermar aquesta observació. En el 1784, amb un telescopi de 20 peus millorat, pot assenyalar majors detalls:

El cúmul conté una cresta d’estels en la meitat, que discorre des del sud-oest fins al nord-est.

William Herschel, sota la premisa que tots els estels tenen una magnitud absoluta més o menys equivalent, gosa fins i tot de calcular la distància de l’M4. Així doncs, raona que un telescopi de 10 peus “té la capacitat de mostrar estels que depassa la de l’ull en 28,67 vegades”, de manera que el cúmul M4 ha de tindre una “profunditat d’ordre 344”. És a dir, que els estels del cúmul M4, per terme mitjà es troben a una distància 344 vegades superior a la que puguin tindre estels de primera magnitud aparent. Dit d’una altra manera, Herschel suposava que la distància de l’M4 era 344 vegades superior a la distància d’Antares. Encara que no és cert aquesta proporció pel que fa al cas concret d’Antares, sí que ho és a grans trets per al perfil mitjà d’estel de primera magnitud aparent.

Observacions posteriors, van permetre William Herschel de donar encara més detalls. En l’obra del 1814, diu de l’M4 que és “un cúmul ric d’estels considerablement atapeïts envoltats de molts altres de més escampats” i que “conté una cresta d’estels en la qual poden distingir-se entre 8 i 10 d’estels ben brillants”. També indica que “tots els estels són vermells”. La coloració dels estels, no obstant, cal contextualitzar-la en l’Anglaterra de Herschel. L’Escorpí és una de les constel•lacions que són observables durant una porció inferior de l’any i sempre amb poca elevació respecte de l’horitzó.

En l’abril del 1837, William Henry Smyth realitza diverses observacions de l’M4. Indica que és:

Una masa ben comprimida d’estels molt petits en el centre del cos de la formació, amb sorints i uns pocs petits companys estel·lars en el camp. La formació és clarament diferenciada d’Antares, de la qual tan sols dista 1 grau i mig cap a l’est. L’objecte s’elonga verticalment, i té l’aspecte d’una nebulosa gran, pàlida i granulada, que focaliza la lluminositat en el centre.

Smyth també considera que l’M4 és un exemple típic d’un principi general avançat per William Herschel i que Francesc Aragó va formular de la següent forma:

Connectem aquests fets amb l’observació que s’ha fet segons la qual els estels es condensen enormement cap al centre de les nebuloses esfèriques, la qual cosa ens ha fornit la prova que aquests estels obeeixen aparentment una certa força de concentració (o poder d’acumulació), i ens sentirem disposat a admetre amb Herschel que les nebuloses es formen sovint per l’operació inacabable d’un gran nombre d’eres, a expenses dels estels dispersats que originalment ocupaven les regions del voltant; i l’existència d’espais buits o saquejats, per emprar l’expressió pintoresca del gran astrònom, no presentarà ja res que hagi de confondre la nostra imagnació.

En un mot, Herschel, Aragó i Smyth ens conviden a veure els cúmuls globulars o nebuloses esfèrics, com llocs d’agregació d’estels prèviament dispersos.

En el Catàleg General de John Herschel, l’M4 apareix amb el nombre 4183 (GC 4183). Una altra referència de catàleg és la BAC 5455. En el Nou Catàleg General apareix sota el nombre 6121 (NGC 6121). En el catàleg de Melotte, del 1915, apareix amb el nombre 144 (Mel 144).

L’M4 en xifres

Si seguim la història de les observacions de l’M4 veurem com fou la primera nebulosa esfèrica d’estels (o cúmul globular) en ésser descrit com a tal, ja d’acord amb el propi Messier en el 1764. Per als astrònoms aficionats dels nostres dies, potser un dels cúmuls globulars més fàcils de trobar, ja que l’estel que en fa de guia, Antares, es troba, com hem dit a 1º i escaig de distància. Amb un telescopi de poca potència podem veure en el mateix camp Antares i aquesta nebulosa que ens semblarà un estel difús o un cometa sense cua. Si bé, la magnitud aparent de l’M4 és de 7, cal recordar que la magnitud aparent dels estels més brillants és d’11, de forma que caldrà emprar un telescopi més potent com per resoldre els 8-10 estels més brillants que indicava William Herschel.

Amb un instrument un xic més potent, podrem la barra o “cresta” que esmentava William Herschel. Si l’objecte és d’un diàmetre aparent de 36 minuts d’arc, la cresta té una longitud de 2,5 minuts.

El diàmetre real de l’M4 és de 70 anys-llum. Per fer-se una idea del que això suposa podríem fer una ullada a un mapa dels estels que es troben a menys de 50 anys-llum del Sol. L’M4 ocuparia bona part d’aquest mapa si se’l representés a la mateixa escala. Amb un radi de 35 anys-llum, M4 no és pas dels cúmuls globulars més grossos (l’M3 tenia un radi de 90 anys-llum).

Al llarg del segle XX, l’M4 ha estat un dels cúmuls globulars més estudiats des de la Terra. L’avançament de l’astroquímica, basada en les línies espectrals, ha permès esbrinar la composició elemental d’aquests estels. Són estels de baixa metal•licitat, és a dir amb pocs components de pes atòmics superior al de l’heli i l’hidrogen. Per exemple, es calcula que l’abundància relativa de ferro en relació a l’hidrogen és tan sols del 8,5% respecte la del Sol. Això s’explica per l’antiguitat dels estels que integren l’M4. Els elements més pesants que l’heli tendeixen a formar-se en les supernoves, i cal una gran sèrie de supernoves per poder arribar a valors de metal•licitat com els que trobem en el Sol. A partir d’això, podem deduir que l’edat típica dels estels de l’M4 és de 12.200 milions d’anys (més del doble que l’edat del Sol).

I com ha tractat el segle XX la suposició de Herschel tan celebrada per Aragó i per Smyth? De fet, en el segle XX ha dominat la idea que l’origen dels cúmuls globulars no és per agregació, sinó per l’expulsió gravitatòria d’estels originàriament situats en el pla galàctic. La idea és que tots els estels d’un cúmul globular tenen una edat i unes característiques comunes. De fet, la majoria d’estels de l’M4 tenen una magnitud aparent d’11. No obstant això, a mesura que s’han fet observacions més acurades, hom ha pogut identificar diferents subpoblacions d’estels.

A. F. Marino et al. (2008) estudiaren l’espectre una mostra de 105 estels tipificats com a “gegants vermells”, arribant a la conclusió que els estels de l’M4 pertanyen a dues generacions diferents. Així doncs, si més no, en el decurs de la història de l’M4 hi hauria hagut un esdeveniment d’agregació. Alternativament, és possible que hi hagi hagut dos cicles separats de formació estel•lar dins del mateix cúmul globular. Això s’explicaria per dues fases històriques:
– en la primera, es forma la primera generació d’estels, que constitueixen pròpiament el cúmul globular.
– en la segona fase, el cúmul globular creua una regió del pla galàctic rica en núvols moleculars gegants. L’acció gravitatòria dels estels de la primera generació fomenta el col•lapse d’aquests núvols i la formació d’una segona generació d’estels que són assimilats gravitatòria pel cúmul.

Els epònims de Bigourdan han fet possible de descriure les òrbites dels cúmuls globulars al voltant del centre galàctic, tal com feien en el 1999, Dana Dinescu, Terrence Girard i William van Altena. En l’actualitat, l’M4 es troba a uns 20.000 anys-llum del centre de la Via Làctia (nosaltres ens trobem a uns 27.000 anys-llum, és a dir en la mateixa direcció però a uns 7.000 anys-llum més enfora). Fet i fet, l’M4 es troba ara en l’apoapsis orbital, és a dir en la part de l’òrbita més allunyada del centre galàctic. En el periapsi la distància al centre galàctic es redueix a 2.000 anys-llum. El període orbital es calcula en 116 milions d’anys. La inclinació de l’òrbita és d’uns 20º respecte del pla galàctic, amb la qual cosa durant bona part de l’òrbita es troba dins del pla galàctic i, a més, en regions properes al centre més dens. En cada passada per aquestes regions, és a de suposar que perdi estels. Això explicaria les dimensions relativament modestes de l’M4 en relació amb els altres dos cúmuls globulars que hem vist abans.

En total, s’han descrit 43 estels variables en l’M4. Els diferents tipus d’estels variables juguen un paper central en l’avaluació astronòmica de distàncies i edats en l’univers. Per exemple, a través dels variables del tipus RR Lyra, Caputo et al. (1985) avaluaven l’edat de l’M4 en 12.200 milions d’anys. Però també hi ha altres estels interessants en l’M4. En el 1987, hom hi descobrí un pulsar amb un dels períodes de rotació més breus coneguts, de 3 ms. Recordem que el pulsar que vam veure en l’M1 (la Nebulosa del Cranc) tenia un període de rotació 10 vegades superior. També han tingut interès els nans blancs detectats en les imatges del Telescopi Espacial Hubble. Al voltant d’un d’aquestes nans blancs, hom trobà un altre púlsar, PSR B1620-26, i al voltant del púlsar hom ha detectar un planeta gegant de 2,5 vegades més massa que Júpiter.

El telescopi Hubble ha contribuït a un major coneixement d’estructures com l’M4.

Els dos cúmuls globulars que hem vist fins ara, M2 i M3, pertanyen a classes relativament concentrades (II i VI, respectivament). L’estructura de l’M4 és menys concentrada, possiblement pel seu caràcter composicional i per la interferència gravitatòria que suposa creuar les àrees més denses del pla galàctic cada 60 milions d’anys. L’M4 pertany a la classe IX. Més que haver-hi un centre definit, cal parlar de l’agregació que Herschel definia com a “cresta” (ridge).

Arxivat a Ciència i Tecnologia
One comment on “Un viatge (inter)galàctic a través del catàleg de Charles Messier – M4, un dels cúmuls globulars més propers al nostre Sistema Solar
  1. Oriol López ha dit:

    I el viatge continua…

Els comentaris estan tancats.

%d bloggers like this: