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Thaisa Storchi Bergmann Instituto de Física, UFRGS, Porto Alegre, RS, Brazil
Membro ABC, TWAS, Prêmio L’Oreal/UNESCO Mulheres na Ciência 2015
¡ Introdução: Buracos Negros (BN)
¡ BNs estelares e supermassivos (BNS)
¡ Experimento LIGO: colisão de BNs
¡ BNS em galáxias ativas: o mais eficiente gerador de energia
¡ Descoberta: disco de acreção em torno de um BNS
¡ BNS no núcleo da maioria das galáxias
¡ Relevância para evolução de galáxias: Feedback
¡ Conclusões
6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 2
• John Michell, padre e filósofo ingles, 1783: corpo com campo gravitacional tão intenso que nem luz escapa
• Chandrasekhar, astrofísico, 1931: Equações de Einstein têm esta solução
• Jocelyn Bell, 1967: pulsares -‐ estrelas de Nêutrons
• 1972, Cygnus X-‐1: primeiro candidato a buraco negro estelar
• 1960-‐1970, Quasares: núcleo de galáxia com luminosidade >> própria galáxia -‐> energia não estelar: BNS
O Que é um BN? Um pouco de história
• Velocidade de escape:
• Para vesc = c: • Raio de Schwarschild:
• Terra: RSch=9 mm; Sol: RSch=3 km
2
2cGMRSch =
Caracterizando um BN: Raio de Schwarzschild
Concepção artística
RGMmmvesc =
2
2
22 2 cRGMvSch
esc ==M
Horizonte de eventos: RSch
m
• Formulação da relatividade geral: massa curva o espaço; mesmo a luz percorre trajetórias curvas
O que acontece nas vizinhanças de um BN
• À medida que você se aproxima do horizonte de eventos, o espaço e o tempo se dilatam. Para quem olha de longe, parece que você nunca chega lá...
O que acontece nas vizinhanças de um BN
• Efeito sobre a luz: imagens vindo de trás do BN ficam distorcidas -‐> Lente gravitacional
O que acontece nas vizinhanças de um BN
• Estelares (~ 10 MSol):
Explosão de Supernovas (aula do Prof. Kepler)
• BNS (106-‐109 MSol): centro das
galáxias, formados há ~ 12 billhões de anos
• De massa intermediária:
Em aglomerados de estrelas
Como se formam os BNs? Depende da massa!
BN estelar Cygnus X-‐1: matéria capturada de companheira
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15 M¤, a ~ 6000 anos-‐luz observações do movimento da estrela azul companheira Estima-‐se ~ 100 milhões deles na Via Láctea
Descoberta (11/02/16): ondas gravitacionais (em 14/09/15) -‐ colisão de 2 BNs estelares (~30 M¤) numa galáxia a 1.2 bilhões de anos-‐luz
• file:///.file/id=6571367.20635153
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Saindo da Via Láctea… para encontrar BNs Supermassivos
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Buracos Negros Supermassivos
Para explicar Quasares e Rádio-‐galáxias: enorme potência emitida do núcleo
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§ Potência dos jatos: L=3.3x1046 ergs s-‐1= 1013 Sóis! § Fonte de energia: não estelar -‐> captura de matéria por BNS
Exemplo de Rádio Galáxia
Rádio-galáxia
Lobo rádio
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Massa caindo num BNS
• Massa que cai forma disco de acreção; energia potencial -‐> energia radiativa do disco e cinética dos jatos • Energia gravitacional liberada pela queda de massa m a 5 RSch:
EG =GMm/5RSch=(GMm)/(10GM) c2 ≈ 0.1 mc2 -‐> Muito eficiente! • Comparação com fusão nuclear (estrelas):
EN= 0.007 mc2
Disco de acreção
jato
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Massa caindo num BNS
• Massa que cai forma disco de acreção; energia potencial -‐> energia radiativa do disco e cinética dos jatos • Energia gravitacional liberada pela queda de massa m a 5 RSch:
EG =GMm/5RSch=(GMm)/(10GM) c2 ≈ 0.1 mc2 -‐> Muito eficiente! • Comparação com fusão nuclear (estrelas):
EN= 0.007 mc2
Disco de acreção
jato
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BN + disco de acreção: Mais eficiente gerador de energia do Universo!
Analogia: hidroelétrica
6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Engenharia Mecânica, UFRGS, Maio 2016
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Disco de acreção <-‐>turbina + gerador
Rádio-‐galáxias e Quasares são galáxias ativas: BNS no núcleo acretando matéria e transformando energia potencial da acreção em radiação e jatos.
Exemplo: galáxia ativa Centaurus A: imagem composta
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Exemplos de Active Galactic Nuclei (AGN): núcleos ativos de galáxias
Quasares: Distantes, altas luminosidades, nos telescópios terrestres mais antigos,
não se observava a galáxia, só o núcleo brilhante; são núcleos ativos de galáxias com alta taxa de acreção; Telescópio Espacial mostrou a galáxia em torno
Rádio-‐galáxias: galáxias ativas muito luminosas em rádio (jatos de partículas relativísticas); raras, habitam galáxias elípticas (fusão de galáxias); Ex. : Centaurus A (página anterior)
Galáxias Seyfert: galáxias mais próximas, espectro nuclear semelhante aos dos Quasares, mas menos luminoso; observa-‐se a galáxia “hospedeira” com facilidade
LINERs: galáxias com atividade nuclear fraca; quase 50% das galáxias pode ter esta atividade.
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Argumento de Soltan (1982): densidade de Quasares no Universo distante -‐> se todos os Quasares hospedam BNS e eles não desaparecem -‐> ~ 1 BNS/Mpc3 no Universo próximo (atual) <-‐> densidade de galáxias grandes, tipo Via Láctea.
Cenário:
§ No início havia muito mais gás livre para alimentar os BNS nos Quasares
§ Os Quasares foram “apagando” pela ausência de “combustível” pois gás foi formando estrelas à medida que Universo evolui
§ Os BNS ficaram “quiescentes” no centro da maioria galáxias
§ Quanto matéria é capturada por um BNS, inicia uma fase de Atividade Nuclear.
�
Disco de acreção: formado quando massa é capturada pelo BNS -‐> núcleo ativo -‐> jatos, radiação, ventos -‐> feedback
Galáxia: 100 bilhões de estrelas 100 000 a.l. BNS no centro: “não-‐resolvido”, 100 000 000 MSol
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Um BNS no centro de uma galáxia próxima
30 000 l.y.
0.1 l.y.
• A partir da luz emitida por objetos em órbita -‐ estrelas e gás
Como observamos BNSs em galáxias não-‐ativas?
Só na Via Láctea pode-‐se observar (no infravermelho) órbitas de estrelas individuais em torno do BNS no centro -‐> massa de 4 milhões de Sóis (M¤)
• A partir da luz emitida por objetos em órbita -‐ estrelas e gás
Como observamos BNSs em galáxias não-‐ativas?
Via Láctea: BNS com determinação mais precisa de sua massa (grupos de Genzel e Ghez)
Outras galáxias: movimento coletivo das estrelas
BNS de massa M no núcleo de uma galáxia: estrelas de massa m orbitando a uma distância média R do BNS com velocidade média v: “Teorema do Virial”
GRvM
RGMmmvUT
2202 =⇒=⇒=+
onde T= energia cinética e U é energia potencial gravitacional
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Dispersão de velocidades: mede movimento coletivo das estrelas
Dispersão de velocidades é medida a partir do alargamento das linhas de absorção estelares
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Se o raio de influência do BNS é resolvido: onde s: dispersão média de velocidades do bojo da galáxia -‐> aumento da dispersão de velocidades σ em direção ao centro. Medidas com Telescópio Espacial Hubble: ~50 galáxias próximas, todas com aumento de σ para o centro
Rh = 2GMs2
Fig BN propto massa bojo
Medindo velocidade coletiva de estrelas no potencial do BNS para ~50 galáxias próximas (Ferrarese & Merrit e Gebhardt et al. 2000): correlação entre M(BNS) e M do bojo
Tremaine et al (2002): 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann,
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⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
⋅⋅±+±=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−1200
log)32.0(02.4)06.0(13.8logskmM
M
sol
BN σ
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Acretion disk
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Descoberta da emissão de um disco de acreção (Storchi-‐Bergmann et al. 1993) Técnica: espectroscopia de fenda longa
Espectroscopia: linha Halpha: gás em rotação no disco de acreção, com v ~ 10.000 km/s
Fonte se aproxima
Fonte se afasta
Efeito Doppler:
è
ç
Observador
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Interpretação: observação no espaço de velocidades:
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Horizonte de eventos e disco são muito pequenos, minutos-‐luz, ainda não é possível resolver espacialmente: modelo teórico
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Gargântua
§ Massa = 100 milhões de Sóis
§ Horizonte de eventos tem tamanho da órbita da Terra
§ Disco de acreção emite luz com temperatura igual à da superfície do Sol
§ Imagem da parte de trás do disco forma um “halo” em torno do BNS devido ao efeito de lente gravitacional
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Bulk of galaxy formation occurred in the first 3 Gyr of the Universe:
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Simulações: de Springel et al. 2005 – para reproduzir observações é preciso levar em conta feedback
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Observações: § Menos galáxias anãs do que
preditas pela teoria
§ Menos galáxias gigantes massivas do que preditas
Solução: Feedback de SN e AGN SN: supernova AGN: Active Galactic Nuclei
§ Ex: Bower et al. 2012
“Madau” plot Credit J. Silk
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Illustris (Harvard/SAO Center for Astrophysics)
Época da formação dos BNs supermassivos: junto com as galáxias, quando o Universo tinha ~1 bilhão de anos de idade (idade atual 13,7 bilhões de anos). Quasares (observados muito longe, e portanto no passado) são os BN supermassivos em formação: grandes quantidades de energia emitida pela captura de matéria pelo BN.
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Conclusões: o paradigma da atividade nuclear
• Atividade nuclear é uma fase na evolução das galáxias na qual o BNS está sendo alimentado:
• Maior atividade ↔ maior taxa de acreção de matéria
• BNS presente no núcleo da maioria das galáxias, crescendo junto com os bojos; na maior parte do tempo estão não-‐ativos, por falta de “alimento”. Podem ocorrer várias fases de atividade durante a evolução de uma galáxia.
BNS “alimentado: galáxia ativa BNS “sem alimento”: não ativa
Concepção artística
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O Futuro do Universo:
No futuro, estrelas vão evoluir e esgotar sua fonte de energia. Universo vai se tornar frio e escuro, e os últimos objetos a persistir neste Universo serão os Buracos Negros Supermassivos...
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Dimensões típicas Horizonte de eventos=RSch=2GM/c2
M=1 massa solar: RSch= 3 km
M=106 massas solares: RSch= 3 x 106 km = 4 Rsol=10 seg.-‐luz
M=109 massas solares: RSch= 3 x 109 km = 20 U.A.= raio da órbita de Urano=2,5 horas-‐luz
Raio discos de acreção:
3 x 109 km = 2,5 horas-‐luz < 1000 RSch< 3 x 1012 km=3 meses-‐luz
Distância estrela mais próxima=4,2 anos-‐luz
Diâmetro da Via-‐Láctea=100 000 anos-‐luz
Distância de Andrômeda=3 milhões de anos-‐luz
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