bns Thaisa 2016 - UFRGS · 6/16/16+ Thaisa+Storchi+Bergmann,+Explorando+o+Universo+2016+ 19...

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...


•  Efeito sobre a luz: imagens vindo de trás do BN ficam distorcidas -‐> Lente gravitacional


•  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

6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016

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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


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


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


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,

Explorando o Universo 2016 26

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

⋅⋅±+±=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−1200

log)32.0(02.4)06.0(13.8logskmM

M

sol

BN σ


Acretion disk


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:


Horizonte de eventos e disco são muito pequenos, minutos-‐luz, ainda não é possível resolver espacialmente: modelo teórico


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:


Simulações: de Springel et al. 2005 – para reproduzir observações é preciso levar em conta feedback


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

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...


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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