Un viatge (inter)galàctic a través del catàleg de Charles Messier: M87, la galàxia el•líptica gegant que fa de centre al Cúmul de Virgo

Com ja avançàvem la setmana passada, el nostre proper destí és especialment “atractiu”. Efectivament, l’M87 és la galàxia el•líptica gegant més propera al centre de masses del Sector A del Cúmul de Virgo i, de retruc, la més propera també al centre de masses de tot el Cúmul de Virgo i, en conseqüència, de tot el Supercúmul Local. En aquest nostre viatge observem únicament la matèria que interactua amb la radiació, bé emetent-ne, reflectint-ne o absorbint-ne, i ja per aquest sentit l’M87 és del tot espectacular. Però també sentim, més indirectament, l’acció de l’altra matèria gravitatòria, la matèria fosca, que fa d’autèntic esquelet d’aquest univers de cúmuls i cúmuls de galàxies. Ens adrecem, doncs, cap a l’M87, i ho fem des d’una galàxia relativament propera, com és l’M86, de manera que el contrast no és tant frapant com seria un viatge directe des de la Via Làctia (des d’un grup galàctic de la perifèria del Supercúmul Local, a més de 53 milions d’anys-llum de distància). Des de l’M86 a l’M87 tenim un trajecte de 1,9 milions d’anys-llum (581 kiloparsecs; 1,8•1022 m), a través d’una zona intergalàctica ben densa en materials, que ens empeny a parlar més de “medi intracumular” que no pas de “medi intergalàctic”. El centre de gravetat de l’M87 queda a menys d’1 milió d’anys-llum del centre de gravetat del Cúmul de Virgo, i de fet en el nostre trajecte hem hagut de gairebé passar a través d’aquest segon punt.

Descoberta i coneixement de l’M87

Ja ens hem referit a la nit del 18 de març del 1781 com la més fecunda en l’aportació de nous objectes al catàleg de Charles Messier. Messier ja sabia que la zona de les constel•lacions de la Verge i de la Cabellera de Berenice contenia diversos objectes nebulosos, però les observacions d’aquesta nit, en part orientades per observacions prèvies de Pierre Méchain, demostren que es trobava realment davant d’un camp de nebuloses.

L’M87 és un dels objectes que Messier descobreix personalment en aquella nit, sense que hi hagin esments previs ni en Méchain ni en cap altre astrònom contemporani o anterior. En el catàleg, l’objecte es consignarà d’aquesta manera:

Nebulosa sense estel, en la Verge, per sota i molt a prop d’un estel de magnitud +8. L’estel té la mateixa ascensió recta que la nebulosa (184º57’06’’) mentre que té una declinació nord de 13º42’21’’ (que contrasta amb la de la nebulosa, de 13º38’01’’). Aquesta nebulosa apareix amb la mateixa lluminositat que les nebuloses M84 i M86”.

Mapa de l’agregat de nebuloses de les constel•lacions de la Verge i de la Cabellera de Berenice, en el que s’assenyalen alguns dels objectes de Messier d’aquesta regió del cel

William Herschel observà l’M87 a partir de les dades del catàleg de Messier:
– el 12 d’abril del 1784, consigna la presència de dues nebuloses petites i febles i una (l’M87) gran i brillant. L’M87 és descrita com rodona i molt més brillant cap al centre.
– el 17 d’abril del 1784, torna a parlar de les tres nebuloses. En comprovar que les dues primeres no apareixen en el catàleg de Messier, les cataloga ell mateix com a II.123 i II.124. Completa la descripció de l’M87 en dir que no té una vora precisa, sinó que disminueix molt gradualment en lluminositat.

Dibuix de Jeremy Perez, en el centre del qual apareix de l’M87. Al costat hi ha les nebuloses NGC 4478 i NGC 4476, catalogades respectivament per William Herschel com a II.124 i II.123

En el catàleg de John Herschel del 1833, l’M87 apareix en l’entrada 1301, d’acord amb les següents observacions:
– 10 de març del 1826. Ascensió recta de 12h22m17,7s i distància al pol nord de 76º41’34’’. Diu que és molt brillant, rodona, i més brillant cap al centre. Aquesta observació, Herschel la va fer quan la constel•lació de la Verge ja havia creuat el meridià, i per això aclareix que el valor de distància al pol nord pot ser més elevat que el real.
– 13 de març del 1826. Ascensió recta de 12h22m8,7s i distància al pol nord de 76º40’09’’. En els papers originals, Herschel afirma que aquesta “nebulosa molt brillant, rodona i de 60 segons d’arc de diàmetre” és la II.124, però en revisar anys després els papers atribueix l’observació a l’M87.
– 2 de maig del 1829. “Molt brillant, molt gran, rodona”.
– 4 de maig del 1829: “Força brillant, gran, rodona”.
– 23 de març del 1830: “Molt brillant, molt gran, rodona; força sobtadament molt més brillant cap al centre; de llum motejada; de 3 minuts d’arc de diàmetre”.

En el catàleg de Bedford, l’M87 no té entrada pròpia, però en l’entrada corresponent a l’M88 (la 448), William Henry Smyth presenta una carta del “veïnat nebulós immediat” en el qual es consigna la posició i preeminència de l’M87.

En el Catàleg General, John Herschel presenta l’M87 en l’entrada 3035, amb una ascensió recta de 12h23m44,0s i una distància al pol nord de 76º50’39,2’’. La descripció, basada en 7 observacions d’ell mateix i del seu pare, diu que és una nebulosa “molt brillant, molt gran, rodona i molt més brillant cap al centre”. Aquesta descripció és similar a la que fa el mateix catàleg per a molts cúmuls estel•lars globulars. Però, les observacions de l’M87, malgrat indicar una llum motejada, no escateixen estels individuals.

En el Nou Catàleg General, John Dreyer consigna l’M87 en l’entrada 4486. Aclareix que l’M87 és la “tercera de tres”, és a dir la més oriental d’un grup format per tres nebuloses: l’M87 (=NGC 4486), la II.124 (=NGC 4478) i la II.123 (=NGC 4476). Posteriorment, hom ha desdoblat l’entrada 4486 en NGC 4486A (l’M87 pròpiament dita) i l’NGC 4486B (una galàxia satèl•lit).

Els grans dibuixants astronòmics de la segona meitat del segle XIX i els primers astrofotògrafs no pogueren aportar gaire res més sobre l’estructura de l’M87. Però Heber Curtis, en el 1918, retratà l’M87 emprant el reflector Crossley de l’Observatori de Lick. Amb una exposició de 5 minuts podia fer-ne la següent descripció:

És un objecte extraordinàriament brillant, amb un nucli ben marcat. La porció central més brillant és de 0,5 minuts d’arc de diàmetre, i el diàmetre total és de 2 minuts d’arc. És de forma gairebé rodona. No s’hi discerneix cap estructura espiral. Hi ha un curiós raig recte en una interrupció de la nebulositat, amb un angle de posició de 20º, i que connecta aparentment amb el nucli a través d’una fina línia de matèria. El raig és més brillant cap a l’extrem interior, que es troba a 11 segons d’arc respecte el nucli.

Aquesta imatge de l’M87 obtinguda pel Telescopi Orbital Hubble no revela gaire estructura interna, llevat d’un raig que ja havia estat descrit per Heber Curtis. En el 1977, Halton C. Arp i J. Torre van trobar que el raig era conformat per una sèrie de nusos i núvols.

En el 1922, Innokentii A. Balanowski, mentre estudiava diverses imatges fotogràfiques preses al llarg dels anys de l’M87, identificà una supernova, que hauria aparegut en febrer del 1919 i que hauria assolit una magnitud màxima de +11,5 (corresponent a una magnitud absoluta de -20). És l’única supernova de l’M87 de la qual s’ha tingut notícia.

Les imatges fotogràfiques revelaven l’M87 com una de les “nebuloses globulars” més brillants del cel. Edwin Hubble ja havia demostrat el caràcter galàctic de la majoria de nebuloses espirals, però les nebuloses globulars eren de més difícil caracterització. En la classificació del 1926, no obstant, Hubble presenta l’M87 en la categoria E0, corresponents a “nebuloses extragalàctiques globulars sense elongació aparent”. El caràcter extragalàctic es va confirmar poc després, quan s’identificaren els primers estels individuals. En el 1931, Edwin Hubble presentava l’M87 com a membre comprovat del “cúmul de Virgo”, i estimava la distància d’aquest cúmul respecte de la Terra en 5,9 milions d’anys-llum. En anys posteriors, aquesta estimació s’amplià, i hom es consciencià del caràcter de “galàxia gegant” de l’M87. En la classificació de Gérard de Vaucouleurs, l’M87 és habitualment inclosa en la categoria E0p, és a dir de “galàxia esferoïdal” amb la pecularitat (“p”) del corrent descobert per Curtis. En la classificació de William W. Morgan, del 1958, se l’ha classificada com una galàxia de tipus cD o “galàxia el•líptica supergegant”.

En el 1947, hom descobrí una font astronòmica de radioones que, per ser la més potent de la constel•lació de la Verge, va rebre la designació de Virgo A. Les coordenades de Virgo A i de l’M87 coincidien i, en el 1953, hom assumí que Virgo A era el reflex en radioones del corrent lineal identificat per Curtis en el 1918. Walter Baade i R. Minkowski estudiaren la qüestió. El corrent visible tenia un angle de posició de 260º i s’estenia a una distància de 20 segons d’arc, amb una amplada de 2 segons d’arc. Baade comprovà que la llum del corrent era polaritzada en pla, la qual cosa indicaria que es correspondria a una acceleració d’electrons fins a velocitats properes a les de la llum en un camp magnètic. En el 1956, J. E. Baldwin i F. G. Smith identificaren un halo més feble de radiones al voltant d’aquesta font.

La presència d’un corrent d’ejecció ha suposat que l’M87 tingués entrada pròpia (152) en el Catàleg de Galàxies Peculiars, inaugurat per Halton C. Arp en el 1966. Arp, a més, havia descobert un segon corrent d’ejecció, en el sentit oposat al descobert per Curtis, per bé que menys conspicu.

L’abril del 1965, un cohet Aerobee equipat amb un parell de comptadors Geiger, detectà un total de set fonts astronòmics de raigs X, una de les quals, designada com a Virgo X-1, es correspondria a l’M87. Virgo X-1 era, doncs, la primera font extragalàctica detectada de raigs X. La identificació de l’M87 i Virgo X-1 fou reformada per un altre cohet Aerobee llençat el 7 de juliol del 1967. Avui sabem que la font de Virgo X-1 consisteix realment en un font complexa, en la qual participa el nucli galàctic actiu, però també algunes altres zones de l’M87.

Imatge del Telescopi Orbital Chandra que recull les emissions de raigs X de l’M87.

Per determinar la distància de l’M87, un dels mètodes més emprats ha estat la classificació dels cúmuls globulars de la galàxia en intervals de lluminositat. En el 1995, Whitmore et al. aplicaren aquesta metodologia sobre més de 1000 cúmuls globulars detectats a través d’imatges de l’M87 obtingudes pel Telescopi Orbital Hubble, obtenint una estimació de distància de 55 milions d’anys-llum, que alhora els servia per estimar també la constant de Hubble (i, de retruc, l’edat de l’univers).

L’M87 en xifres

Fotografia de David Malin, de l’Observatori Anglo-Australià. L’M87 és una galàxia el•líptica, amb un nucli enorme, i un halos que s’esvaeix progressivament en el medi intergalàctic.

Es fa difícil dir quin és el diàmetre de l’M87. El nucli central frega els 9.000 anys-llum de diàmetre mitjà. La primera corona galàctica té un diàmetre mitjà de 34.000 anys-llum. Si atenem als límits més externs, podríem parlar de 120.000 anys-llum de diàmetre. Una xifra ben elevada. Encara més si atenem que l’M87 és una galàxia el•líptica gairebé esfèrica (tipus E1 o E0), de manera que ateny un volum descomunal. La massa agregada de l’M87 és de 5,3•1042 kg, repartida de manera un xic desigual en un volum de 5•1063 m3, amb un cert gradient de concentració des del centre galàctic a la perifèria (r1,7). L’halo més extern, però, tendeix a perdre l’esfericitat, i és molt més el•lipsoïdal. Comptem-ho com ho comptem, la massa global de l’M87 és 200 vegades superior a la Via Làctia, i ja ens podem fer una idea del nombre de galàxies espirals que s’hi han fos al llarg de milers de milions d’anys per construir aquest monstre.

En astrofotografies d’exposició perllongada, com aquesta de David Malin, l’M87 apareix, ja no com un objecte esferoïdal, sinó com una el•lipsi enorme, de més de 20 minuts d’arc de llargada. Això reflecteix el fet que fins i tot a un radi de 495.000 anys-llum del centre de l’M87 encara hi ha força material galàctic. De fet, en la corona més perifèrica de l’M87 trobem agregacions corresponents a cúmuls globulars i a galàxies satel•litzades. El sistema de cúmuls globulars de l’M87 és particularment impressionant, amb més de 12.000 exemplars.

Aquesta imatge de l’M87, processada per Mark Elowitz, evidencia la riquesa en cúmuls estel•lars globulars que hi ha en l’halo d’aquesta galàxia

La magnitud absoluta de l’M87 és de -22. Els estels de l’M87 expliquen fins a una sisena part de la massa total de la galàxia. A diferència de la massa, el gradient de concentració estel•lar és molt marcat, de manera que la immensa majoria dels estels es concentren en el nucli més interior (amb radis galàctics inferiors a 5.000 anys-llum).

Vista de prop, la característica més notable de l’M87, és un torrent de llum que emergeix de les profunditats de la galàxia, i que se’ns apareix com una columna de material de 8.000 anys-llum d’alçada. És justament el corrent que ja havia identificat Curtis.

Hem vist ja estructures similars en altres galàxies el•líptiques o lenticulars, però aquest corrent de l’M87 és especialment pregon. Es tracta de material gasós ejectat des del centre galàctic

La forta emissió de raigs X procedent del centre de la galàxia és la responsable de la pobresa en partícules de pols del medi intragalàctic, que consisteix bàsicament en matèria gasosa (amb un índex de metal•licitat relativament elevat). L’M87 rep una aportació anual de matèria gasosa extragalàctica de l’ordre de 1023 kg cada segon. Ni que sigui imperceptiblement, l’M87 creix de dia en dia, gràcies a l’acreció que genera una massa immensa.

La major part del material que acreix l’M87 es concentra en el nucli. I és en el nucli on trobem un forat negre supermassiu, de 1,3•1040 kg, i de 6•1012 m de diàmetre. És un dels forats negres més supermassius dels quals es té notícia. Al voltant d’aquest forat negre hi ha un disc de gas ionitzant, de 3,7•1015 m de diàmetre, i amb un període de rotació de l’ordre de 1000 km•s-1. El corrent principal de matèria gasos de l’M87 segueix una orientació perpendicular a aquest disc, i alhora el corrent de gas desplaça el forat negre supermassiu respecte del centre de masses de l’M87 en uns 82 anys-llum. El forat negre central guanya massa a una taxa de l’ordre de 1030 kg per any.

Al voltant de l’M87 apareixen tot un seguici de galàxies satèl•lits, petites i mitjanes, de les quals destaquen l’NGC 4476, l’NGC 4478 i l’NGC 4486B. Aquestes constitueixen el primer entorn galàctic de l’M87. Hi segueixen, en un segon entorn, les altres galàxies del Sector A del Cúmul de Virgo (l’M58, l’M84, l’M85, etc.). En un tercer nivell trobaríem el Cúmul de Virgo sencer, amb els seus diferents sectors (el centrat en l’M86, el centrat en l’M49, etc.) i núvols galàctics, amb un total de 2000 galàxies . El quart nivell ja l’integra el conjunt de cúmuls i grups galàctics del Supercúmul de Virgo o Supercúmul Local. L’M87 no és el centre de l’univers, òbviament, però tenim la sensació justificada de ser en el lloc més important a 100 milions d’anys-llum a la rodona.

Tagged with: ,
Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: