Agujeros negros astrofísicos Sergio Mendoza <sergio@mendozza.org> http://www.mendozza.org/sergio Instituto de Astronomía Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) Plática disponible en: http://www.astroscu.unam.mx/~sergio/talks Lugar: Escuela Nacional Preparatoria 2 Distrito Federal, México Febrero 21, 2010 1
1. Antecedentes históricos En 1781, Charles Messier descubrió opticamente a la galaxia M87 (NGC 4486, 3C 274 o Virgo A). En 1918, Heber Curtis observó un curioso rayo de emisión óptica... que parece conectar el núcleo con una línea delgada de materia. Desafortunadamente las observaciones de Curtis no fueron seguidas hasta los años 1950 s y 1960 s con el desarrollo de la radio astronomía. Walter Baade reportó que la radiación proveniente de M87 estaba fuertemente polarizada. M87 es la galaxia mas grande del cúmulo de galaxias Virgo, el cúmulo mas cercano al Grupo Local donde pertenece nuestra galaxia. Las siguientes décadas mostraron que diversas galaxias (sobre todo a corrimientos al rojo grandes) poseían jets observables en radio. 2
M87 en el óptico. 3
M87 a diversas escalas y en diversas longitudes de onda 4
5 (Video: m87)
2. Maquinaria central En 1964, el duo dinámico, Igor Novikov y Yakov Zeldovich lograron calcular algunos valores de la región de donde provenían algunos jets de objetos como la radio galaxia 3C 273: Núcleo de la galaxia tiene masa 10 8 M. La energía del objeto proviene de la acreción de materia hacia el objeto central. Para producir la luminosidad observada es necesario que se acrete 3 M año 1 Esto aunado con las observaciones de Shklovskii (1964), i.e. que la radiación es producida por un objeto cuyo tamaño es 2 10 16 cm implica que: Objeto central es un agujero negro supermasivo! 6
3. Colapso gravitacional La presión de un fluido (gas o líquido) se define como la cantidad de fuerza por unidad de área que un fluido suficientemente pequeño realiza sobre sus alrededores: p = Fuerza Área. (1) Principio de Pascal. la presión que se ejerce sobre una porción del fluido es la misma en todas direcciones y es perpendicular a la superficie sobre la que actúa. 7
Equilibrio hidrostático es el equilibrio mecánico (balance de fuerzas) entre la presión de un objeto gaseoso (como una estrella) y su gravedad propia Nebulosa gigante de la laguna (m8). Tamaño 140 160 años luz. Fza de presión > Fza de gravedad Expansión de la nube Fza de gravedad > Fza de presión Colapso gravitacional de la nube formación de estrellas. Criterio de Jeans de estabilidad gravitacional. Cuantas estrellas se forman de un colapso gravitacional? Detalles del colapso? No lo sabemos. Lo único que podemos decir (gracias a las observaciones) es que probablemente se forme más de una estrella cuando se produce un colapso gravitacional. 8
4. Estrellas Una estrella es un objeto gaseoso cuya temperatura es tan elevada que genera reacciones termonucleares en su interior. Tamaños: de 0.01M hasta 100M Radios: de 0.001R hasta 1000R Temperatura: de 10 3 K hasta 10 5 K. El sol es una estrella típica, con masa 10 30 kg y radio 6000 km. Reacciones importantes: Cadena pp (H He), CNO (C N O), triple-α (H Be C) Estrella más masiva es Melnik 42 en la nube grande de Magallanes. Su masa es de 60 100 M y su luminosidad es 10 6 L. Enanas blancas. M < 0.08M. Nunca tienen fusión nuclear de H en su interior. Son como júpiter. 9
Estrellas medias (como el sol). 0.4 M < M < 3 M. Queman H, He y crean núcleo de C y O. Su temperatura no es elevada y por tanto no queman el núcleo expansión Gigante roja. Después forman nebulosa planetaria y enana blanca. Estrellas masivas M 3M. Son como las estrellas de masa media y son capaces de quemar el núcleo de C y O. Terminan su vida como supernovas y dejan residuos de estrellas de neutrones o agujeros negros. 10
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5. Objetos gravitacionales más compactos en el universo Los objetos más compactos en el universo están soportados NO por presión térmica sino por presión degenerativa. Aumento de densidad generación de una presión degenerativa debida a efectos cuánticos (física del micromundo). Fermiones son partículas con spin 1/2, e.g. p, e, n. Fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli: Únicamente dos fermiones con spins opuestos pueden ocupar el mismo nivel de energía. Debido a que: presión = Energía Volumen, (2) entonces el punto cero de energía aumenta y esto genera una presión adicional llamada presión degenerativa. La presión degenerativa es capaz de mantener equilibrio con objetos sumamente condensados, e.g. enanas blancas y estrellas de neutrones. 12
Objetos tienen una masa máxima M max. Si esta masa es excedida, entonces la gravedad domina a la presión degenerativa y se produce un colapso gravitacional. Enanas blancas (descubiertas por S. Chandrasekhar): M max = M Ch = 1.3M. Su radio es del tamaño del radio de la tierra. Estrellas de neutrones (descubiertas por L. Landau): M max 3M. Su radio es del orden de 10 km y su densidad 10 10 kg m 3. Mas allá de estos límites NO existe energía alguna que pueda detener un colapso gravitacional. Por lo tanto, el objeto se colapsa hasta formar un punto, una singularidad en el espacio tiempo con una frontera bien definida. A este tipo de objetos se les denomina agujeros negros. 13
6. Agujeros negros Rev. John Michell 1783. Geólogo y astrónomo británico, padre de la sismología. Ideo concepto de estrellas binarias, inventó balanza de torsión, ideo la ley del cuadrado inverso de repulsión de cargas, comenzó con el experimento de medir la masa de la tierra utilizando una balanza (terminado por Cavendish). Hipótesis de Michell: la radiación electromagnética es atraída por la fuerza gravitacional. 14
Velocidad de escape: E tot = 1 2 mv2 GmM r = 0 (3) Si v = c entonces: 2GM/rc 2 = 1. Es decir: r s := 2GM c 2 (4) En un objeto de masa M con radio menor a r s, ni siquiera la luz puede escapar. John Wheeler bautizó a estos objetos como: agujeros negros (1960 s) Negro porque ningún observador externo puede observarlos. Agujero porque ni siquiera la luz es capaz de escapar a la gran atracción gravitacional. Tipos de agujeros negros: (i) Unas cuantas masas solares (ii) Supermasivos (masas 10 9 10 12 M ) (iii) Agujeros negros primordiales (masas < 10 12 kg) 15
7. Agujeros negros supermasivos Se localizan en el centro de las galaxias. No se sabe perfectamente como se formaron. Posible colapso gravitacional por imperfecciones en la distribución de densidad en el universo temprano. Posible que se acrete masa hacia el centro de una región de alta densidad y eventualmente se convierta en agujero. Justo en el centro de nuestra galaxia se localiza un agujero negro! de 2 10 6 M. 16
Orbitas de estrellas alrededor de Sgr-A. 17
Agujeros negros primordiales formados en el universo temprano por altas presiones y temperaturas. Colapso gravitacional de pequeños grumos de densidad. 18
Un agujero negro en el universo 19
Y... Cómo se ven los agujeros negros en el universo? En un día común y corriente de observación dos científicos comentan... es negro y se ve como un agujero. Yo apuesto a que es un agujero negro!!!. 20
8. Acreción: forma de observar agujeros negros Fórmula: objeto gravitacional compacto sumergido en gas Acreción esférica (Bondi Hoyle). Gas cae de manera rectilínea hacia un objeto condensado (estrella o agujero negro). Acreción + rotación disco de acreción 1 0-1 -1 0 1 R Acreción en línea: materia de una estrella es gravitacionalmente capturado por una compañera. 21
P Acrecio n tambie n puede arrastrar a compan era de sistema binario (Video: black-hole-binary) 22
9. Modelo estándard de expansión de jets. El modelo básico que se tiene de las radio galaxias se debe a Peter Scheuer (1974). En este se asume que hay una alimentación continua de partículas (par electrón positrón muy probablemente) que se colima para formar jets. Los jets terminan en regiones de alta luminosidad denominadas manchas calientes o hot spots. Las partículas a lo largo de los jets se mueven a velocidades supersónicas y en algunos casos llegan a ser del orden de la velocidad de la luz en el vacío. Cygnus A (3C 405): La radio galaxia. Observación en radio a 5 GHz. Tamaño 150 kpc 23
24 (Video: AGN)
10. Cygnus X-1. El agujero negro Cygnus X-1 es fuente de rayos X, detectada en 1965. Sistema binario a 7 10 3 años luz de distancia de la tierra. Una de las estrellas (HDE 226868) es una supergigante. La otra es un objeto compacto. Periodo de rotación del sistema 5.6 días masa 5M Emisión en rayos X presenta variabilidad del orden de milisegundos (estado bajo) y del orden de años (estado alto). Cygnus X 1 pasa casi todo su tiempo (80 %) en el estado bajo. Debido a que la información no puede viajar más rápido que la luz, entonces un objeto celestial no puede cambiar su luminosidad (al menos por un factor de 2 digamos) en escalas de tiempo menores que el tiempo que tarda la luz en cruzar de un lado al otro. radio del objeto compacto en Cygnus X 1 unos cuantos km. Hoy en día estamos seguros con un 95 % de confiabilidad que Cygnus X 1 es un agujero negro. 25
11. Cuasares y radio galaxias En el caso de jets provenientes de galaxias (jets extragalácticos) las fuentes se denominan Núcleos Activos de Galaxias (NAG). Los jets de radio galaxias emanan de galaxias elípticas. Existe un toro (dona) de partículas alrededor de los NAG s. Cuando los jets se encuentran dentro de 30 de la línea de visión, la fuente se denomina cuasar. Cuando los jets se encuentran dentro de 30 del plano del cielo, la fuente se identifica como una radio galaxia Cuando los jets hacen un ángulo de 0 la fuente se identifica como blazar. En el caso de cuasares y mas para blazares, el hoyo central del toro de polvo permite la observación de las partes centrales del NAG. (Video: qsr-nucleus) 26
12. Seyfert I y Seyfert II Existen jets que emanan de galaxias espirales. Estos jets no son tan energéticos como los de cuasares y radio galaxias. Estas galaxias se denominan Seyfert I y Seyfert II. Existe un modelo de unificación también para galaxias Seyfert I y Seyfert II. 27
Modelo unificado de galaxias Seyfert I y Seyfert II. (Video: seyfert) 28
13. Movimientos superlumínicos en astrofísica Predicción teórica de Martin Rees (1966). Existen fuentes en el cielo que se mueven aparentemente a velocidades mayores que la de la luz. Problema: astrónomos miden velocidad como distancia observada entre tiempo observado Solución: un problema de proyección en el cielo debido a movimientos relativistas (v 0.99c). 29
ct ct D t 2 C t 1 t=t 2 B PSfrag replacements Light signals Observer s worldline t = t 1 =0 A x=d x vt cos θ Movimientos superluminícos en un diagrama espacio tiempo 30
Movimientos superlumínicos en el jet de M87 31 (Video: m87-superlum )
El hecho de que los movimientos de las partículas de gas dentro de jets sea relativista implica que la maquinaria que los genera debe ser un objeto relativista. Las variabilidad en la intensidad de los cuasares es lo que ha dado a los astrónomos la posibilidad de medir el tamaño de la región de emisión. Pero... Qué mecanismo físico genera los jets que emanan del centro de algunas galaxias? Está claro que la fuerte acreción hacia el agujero es responsable en alguna forma. El problema es saber que mecanismo es el que produce la eyección bipolar de estos objetos. 32
La respuesta es simple: REALMENTE NO SABEMOS EL MECANISMO QUE PRODUCE LOS JETS!! Sin embargo existen muy buenas pistas: El efecto mas improbable es la extracción de energía del agujero mediante el proceso de Penrose. El efecto mas elegante es la extracción de energía rotacional del agujero por medio de campos magnéticos: proceso Blandford Znajek. Formación de jets debido al torcimiento de líneas de campo magnético amarradas al disco de acreción. Tensión incrementa (proceso de Blandford Payne). 33
14. Jets en micro cuasares En 1979, Margon y colaboradores descubrieron la fuente de radio SS 433 en nuestra galaxia. Esta fuente fue inmediatamente interpretada por Fabian y Rees como un par de jets en precesión. Estas fuentes denominadas micro cuasares (por su gran similitud con cuasares) tienen como maquinaria central una estrella de neutrones o un agujero negro de unas decenas de masa solar. Los micro cuasares se encuentran siempre en sistemas binarios. De hecho, el material en acreción que cae hacia el objeto compacto proviene de la compañera menos evolucionada. Cygnus X 3 observado en rayos X: el agujero negro mas estudiado. 34
Observaciones de la fuente superluminica (micro cuasar) GRS 1915+105 por L.F. Rodríguez (IAUNAM) 35 (Video: Black hole binary accretion)
La similitud entre los cuasares y los micro cuasares es maravillosa. La ventaja es que los micro cuasares están a la vuelta de la esquina, en nuestra galaxia. Sin embargo... De verdad es la misma física para estos objetos la que actúa? 36
15. Jets asociados a objetos Herbig Haro En 1951 Guillermo Haro (IAUNAM) y Herbig de manera independiente observaron lo que hoy en día se conoce como objetos Herbig Haro. La interpretación de estos objetos fue que existe un par de canales sobre los cuales se mueve gas de manera supersónica (no relativista) y los lóbulos son regiones de material chocado que se denomina objeto Herbig Haro. La maquinaria central es una estrella recién formada (sobre la cual existe un flujo de acreción considerable). Aquí no hay agujero negro central. Longitud de jets de 3 años luz 37
16. Destellos de rayos γ En la década de los 1970 s, los satélites militares Vela fueron enviados al espacio para monitorear explosiones nucleares en la tierra o en la luna mediante la observación de rayos γ. Lo único que detectaron los satélites fueron destellos de rayos γ de manera isotrópica provenientes del espacio exterior. En la década de los 1990 s el observatorio espacial de rayos γ Compton logró un gran avance en la detección de estos flashes de rayos γ que típicamente duran unos cuantos segundos. Estos destellos de rayos γ se encuentran a distancias cosmológicas. Los flujos observados implican que la energía que genera a estos destellos es del orden de 10 54 erg. Causalidad región de producción (maquinaria central) mide unos cuantos kilómetros. Todo esto indica que una explosión de pares e e + y rayos γ se genera y expande relativisticamente. 38
Debido a que la energía de los fotones llega a tener hasta 10 54 erg se piensa (y algunas observaciones lo sugieren) que existe un jet en expansión dentro de la explosión. 39
17. Unificación de jets Existen jets relativistas y no relativistas que van desde tamaños extragalácticos (unos cuantos Mpc) hasta jets galácticos (unos cuantos pc). En todos los casos existe un disco de acreción y un flujo de acreción que cae hacia el mismo. Los mecanismos de generación de jets no son bien conocidos pero necesariamente la acreción y los campos magnéticos deben jugar un papel importante. Todo esto aunado al hecho de que para jets relativistas se observan movimientos superlumínicos parece indicar que la misma física ocurre en todos los jets del universo. 40
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18. Termodinámica de agujeros negros Horizonte de eventos es la frontera entre el agujero y nosotros. Violación de la segunda ley de la termodinámica? Arrojar una caja de gas desordenado (mucha entropía) a un agujero Entropía del universo disminuye! Solución: Entropía total = entropía fuera + entropía dentro. Como medirla? El nacido en la ciudad de México, Bekenstein obtuvo la solución: El área del agujero relacionada con la entropía del agujero ( Salvados!) Entropía existe Temperatura Agujero es capaz de radiar! 42
Temperatura de Zeldovich Hawking: T 10 7 M M K (5) Temperatura? Es un espectro formado por pares de partículas virtuales formadas cerca del horizonte de eventos. 43
19. Tragan todo los agujeros negros? Conclusión: no! Ejemplo: un haz de luz. Caracterizado por una logitud de onda λ. Recuerda que la radiación electromagnética es de caracter ondulatorio. 44
Radiación con longitud de onda menores al radio del agujero entran. Radiación con longitud de onda mayores al radio del agujero rebotan. Funkhouser (2010) probo esta validez también para partículas. 45
20. Resumen NAG Herbig Haro µ qsr dest. rayos γ M/M 10 6 10 10 1 unas cuantas unas cuantas vel c 0.001c c c L/L 10 43 10 48 10 4 10 (radio) 10 20 tamaño 300kpc 1pc 1pc 1AU Obj cen. AN (solo) Estrella (solo) AN o EN (bin) AN o EN (solo) τ(años) 10 6 10 9 10 3-10 5 100 algunos seg. Los agujeros negros... NO son tan negros como lo predice la teoría: Radían a la manera de Zeldovich Hawking. Acretan gas de su alrededor el cual se calienta y emite radiación electromagnética. Los agujeros negros son los objetos macroscópicos más sencillos del universo. Están descritos por: masa, carga y rotación. Los agujeros negros no tragan todo, ni partculas ni luz. 46
21. Bibliografia Begelman, M & Rees, M Gravity s fatal attraction : black holes in the universe, 1998, 1era edición, Ed. Freeman Longair, M.S., Our Evolving Universe, 1996, 1era edición, Ed. Cambridge University Press. Esta platica está disponible en: http://www.astroscu.unam.mx/~sergio/talks 47