La Muerte de una Estrella y el Nacimiento de un Agujero Negro

Transcripción

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2 La Muerte de una Estrella y el Nacimiento de un Agujero Negro Eduard Alexis Larrañaga R. Universidad Nacional de Colombia Observatorio Astronómico Nacional

3 Relatividad General

4 Relatividad General La materia curva el espacio-tiempo & La curvatura del espacio-tiempo le dice a la materia como moverse.

5 Curvatura del Espacio-Tiempo D e a c u e r d o c o n l a Relatividad General, el espacio-tiempo se curva por la prescencia de cuerpos con masa. La curvatura es una medida de la gravedad.

6 Cerca de un objeto con masa el espacio-tiempo es curvo y por ello los objetos no se mueven en línea recta.

7 Trayectoria de partículas

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10 Estructura del Agujero Negro

11 Radio de Schwarzschild Masa (en masas solares) Radio de Schwarzschild Estrella km Estrella 3 9 km Estrella 2 6 km Sol 1 l km Tierra cm

12 60 kg Masa = 6 M S Circunferencia = 1.3x10 7 km 9x10 6 km

13 El espacio-tiempo se distorsiona drásticamente dentro del horizonte 60 kg El espacio-tiempo fuera de la estrella es el mismo de antes Masa = 6 M S Circunferencia = 111 km 9x10 6 km

14 Los agujeros negros se dividen en tres grandes clases 1. Los agujeros negros de masas estelares ( entre 5 y 20 masas solares ) Resultan de la explosión supernova de una estrella. 2. Los agujeros negros de masas intermedias ( cientos o miles de masas solares ). Recientemente descubiertos 3. Los agujeros negros supermasivos (galaxias activas) con millones de masas solares. Se encuentran en el centro de algunas galaxias.

15 Agujeros Negros Estelares

16 Colapso Gravitacional

17 En las estrellas existe un equilibrio entre el colapso gravitacional y el proceso nuclear en su interior

18 E l p r o c e s o n u c l e a r convierte Hidrogeno en Helio. Al disminiuir la cantidad de Hidrogeno, el colapso gravitacional comprime la estrella aumentando su temperatura y permitiendo l a c re a c i ó n d e o t ro s elementos

19 Cuando la estrella tiene muchas capas, el proceso nuclear comienza a detenerse y el colapso gravitacional comprime la estrella. El final de este colapso depende de la masa inicial de la estrella.

20 Colapso Final de una estrella La presión de degeneración de electrones puede soportar una estrella con masa de hasta 1.4 masas solares contra su propio peso (Límite de Chandrasekhar). Este tipo de estrellas terminan su vida convirtiendose en enanas blancas. A los electrones no pueden tener el mismo estado cuántico (Principio de Exclusión)

21 Colapso Final de una estrella Estrellas con una masa mayor continuan su colapso, venciendo la degeneración de electrones. Cuando la estrella alcanza un tamaño del orden de los cientos de metros los electrones y los protones estan tan juntos que se combinan para formar neutrones y neutrinos.

22 Colapso Final de una estrella Eventualmente, el colapso se detiene debido a la presión de degeneración de neutrones. La estrella se ha convertido en una estrella de neutrones. O p p e n h e i m e r y Vo l ko f f mostraron para estrellas con más de 3 masas solares, la presión de degeneración de neutrones no puede soportar el colapso

23 Supernovas Cuando se supera la degeneración de electrones y los electrones y protones se combinan para formar neutrones, la estrella puede colapsar rápidamente (ya que la degenración de neutrones se da cuando el confinamiento es de aproximadamente 1000 veces mayor que para la degeneración de electrones). El nucleo colapsa, pero las capas externas rebotan de este nucleo, explotando con gran violencia.

24 Supernovas 1.2 segundos Nucleo: circunferencia del orden de km. Se forman los neutrones Nucleo: circunferencia del orden de 70 km. La degeneración de neutrones detiene el colapso

25 Supernovas Las capas superiores siguen moviendose con velcoidades relativistas para encontrarse con un nucleo ultradenso y rebotar.

26 Supernovas El material que rebota hace que las capas más externas exploten.

27 Supernovas Esta explosión es la Supernova. En el centro queda el remanente (estrella de neutrones)

28 Supernova 1987A Tarantula Nebula en la Gran Nube de Magallanes...

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30 Pulsar Esta supernova tuvo lugar en 1054 en la constelación de Tauro

31 Gamma Ray Burst GRB Fuentes de rayos gamma muy brillantes pero corta duracion (algunos segundos) Tal vez estan relacionados con la muerte de una estrella muy masivas (mayores a 25 masas solares)...

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33 Detección (Como observar un agujero negro?)

34 Efecto de Lente Gravitacional Posicion Aparente de la Estrella Posición Real de la Estrella

35 El efecto de lente produce deformación de las imagenes

36 El efecto de lente produce deformación de las imagenes...

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38 Observando un agujero negro de masa estelar Si un objeto compacto invisible es parte de un sistema binario, se puede estimar su masa a partir del periodo orbital y de l a v e l o c i d a d r a d i a l d e l compañero visible. Si la masa es superior a 3 m a s a s s o l a r e s, e s t e s e convierte en un candidato a agujero negro.

39 Discos de Acreción en sistemas binarios Las fuerza de marea pueden despedazar a la compañera, creando un flujo de material hacia el agujero. Fuentes de rayos X fuertes Algunas veces: Oscilaciones cuasiperiodicas Algunas veces: Emisión de jets...

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41 Cygnus X-1 El ejemplo más conocido

42 Cygnus X-1

43 Cygnus X-1 HD es una estrella azul s u p e r g i g a n t e t í p i c a e n l a constelación de Cygnus...

44 Cygnus X-1 HD Cygnus X-1

45 Cygnus X-1... pero al observar en la frecuencia de rayos X,algo emite con una energía del orden de veces la energía del Sol! este objeto tiene una circunferencia de aproximadamente 940 km.

46 Cygnus X-1 HD se encuentra a 60 añosluz de nosotros y tiene un periodo de revolución de 5,6 dias en una 7 orbita de 6,3 x 10 km. Se estima que Cygnus X-1 tiene una masa entre 5 y 11 masas solares....

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48 Características Distintivas de un Agujero Negro Observación de dos o mas de las siguientes características Deflección gravitacional de la luz (con una masa estimada suficiente) Emisiones de rayos X y/o rayos gama (debido a un disco de acreción) Movimiento orbital de una compañera visible o de una nube de gas Observación directa de un disco de acreción

49 Otro ejemplo GRO J

50 GRO J Fuente de rayos X descubierta por el Observatorio de Rayos Gamma (GRO) de la NASA en 1994 Emision de rayos X rápidamente variables (la fuente tiene un diametro de unos pocos kilometros) Existe una compañera visible de aproximadamente 1.1 masas solares. El periodo de movimiento de la fuente de rayos X y la estrella es de 2.92 dias y la distancia a nosotros es de 6500 años-luz Es un sistema eclipsante ( la orbita del sistema nos muestra su lado) La masa de la fuente de rayos X es de 5.5 a 7.9 masas solares. Presenta jets relativistas

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52 Rayos X y arrastre del sistema En el sistema binario GRO J , se encontró un periodo de 2.2 ms debido a la precesion del disco de acreción. Este efecto concuerda con lo esperado para un agujero negro rotante....

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54 Agujeros Negros Supermasivos

55 El proceso de formación de un agujero negro supermasivo es aún desconocido. Se especula que se forma debido a la atracción gravitacional de muchas estrellas individuales en el centro galáctico o por material que cae en un agujero negro estelar incial.

56 Observando un agujero negro en una galaxia activa El material cae en espiral hacia el agujero negro central. El gas se calienta hasta producir radiacion UV y X. La radiación calienta el gas que se encuentra alrededor del disco de acreción y por ello ilumina en el optico.

57 Jets de radio Muchos de estos agujeros negros e m i t e n j e t s c o m p u e s t o s principalmente por electrones y positrones. Estas particulas son aceleradas a velocidades de cerca de 0.9c. Las particulas se aceleran debido a la i n t e r a c c i ó n c o n l o s c a m p o s magnéticos que rodean al agujero negro. La interacción del material con el campo magnético produce además emision en radio.

58 Modelo Unificado de las galaxias activas...

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60 Sagitario A*

61 El centro de la Via Lactea esta oculto por polvo, por lo que no puede observarse en visible. Si embargo es brillante en infrarojo, radio y rayos X fuertes. Sagitario A es la fuente más brillante en radio en la constelación de Sagitario (descubierto en 1933). Sagitario A* es una fuente de radio pequeña que se ubica en el centro de la galaxia y que emite en rayos X (Chandra).

62 Imagen en rayos X de sagitario A. La fuente mas brillante es Sgr A* Chandra X-ray Observatory (CXO)...

63 Estrellas moviendose alrededor de Sagitario A* (marcado con la cruz roja)

64 El agujero negro tiene una masa estimada de 2.6± masas solares. Se presume que la emision en radio y rayos X corresponde a la parte exterior e interior del disco de acreción, respectivamente. Al parecer no existe suficiente material de acreción, por lo que no posee la luminosidad de los cuasares. No posee jets.

65 Imágenes reales de candidatos a agujeros negros

66 Via Lactea - Visible W. Keel (U. Alabama), et al m Telescope, Chile

67 Via Lactea - Rayos X NASA / U.Mass / D. Wang, et al.

68 M74 - Visible NOAO / AURA / NSF/ T. Boroson

69 M74 - Rayos X NASA/CXC / U. Michigan / J. Liu et al.

70 M74 - Visible+Rayos X NASA/CXC / U. Michigan / J. Liu et al. NOAO / AURA / NSF/ T. Boroson

71 Fotos del CHANDRA - Rayos X NASA / CXC / SAO / R. DiStefano, et al.

72 Galaxia Eliptica NGC Visible+Rayos X Digital Sky Survey NASA / CXC / UVA / C. Sarazin, et al.

73 Centaurus A - Visible M. Rejkuba (ESO-Garching) et al., ISAAC, VLT ANTU telescope, ESO Paranal Observatory

74 Centaurus A - Rayos X NASA / SAO / R. Kraft, et al.

75 NGC Visible+ Radio

76 NGC 7052

77 M87. El mayor agujero negro hasta ahora Visible+ Rayos X Palomar Observatory, Digitized Sky Survey NASA / CXC / M. Forman, et al.

78 M87. El mayor agujero negro hasta ahora

79 M87. El mayor agujero negro hasta ahora Visible+ Radio...

80 Colisión de Agujeros Negros? Dos Agujeros negros supermasivos en NGC 6240 NASA / CXC / MPE / S. Komossa, et al.

81 Lista de candidatos a agujeros negros

82 Agujeros negros supermasivos Nombre Masa (solares) Distancia (años-luz) Sgr A* 2 millones M millones 2.5 millones M millones NGC millones 79 millones M millones 49 millones NGC billon 32 millones M millones 35 millones Mkn millones 370 millones NGC millones 50 millones NGC millones 52 millones 3C billon 2146 millones NGC millones 51 millones M 87 3 billones 52 millones NGC millones 55 millones M millones 30 millones NGC millones 61 millones NGC millones 84 millones NGC millones 300 millones Mkn billones 420 millones 3C millones 620 millones NGC millones 190 millones BL Lac 1 billon 937 millones NGC millones 43 millones

83 Agujeros negros con masas estelares en la Via Lactea Nombre Masa (solares) Distancia (años-luz) V518 Per V616 Mon MM Vel Nova Sco Nova Oph Binario R-X compañera con poca masa Binario R-X compañera con poca masa Binario R-X compañera con poca masa Binario R-X compañera con poca masa Binario R-X compañera con poca masa MACHO-98-BLG Lente gravitacional V4641 Sgr agujero negro con jet SS agujero negro con jet V1487 Aql Cygnus X Nova Vul V404 Cyg Binario R-X compañera con poca masa Binario R-X compañera con gran masa Binario R-X compañera con poca masa Binario R-X compañera con poca masa

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85 Gracias por su atención.

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