los rayos x y el universo oculto francisco carrera departamento de física moderna instituto de...

Los rayos X y

el Universo oculto

Francisco CarreraDepartamento de Física ModernaInstituto de Física de Cantabria

(CSIC-Univ de Cantabria)

Valladolid, 29 de Marzo de 2001Valladolid, 29 de Marzo de 2001

Índice

• Astronomía de rayos X• Núcleos Galácticos Activos• El Fondo de Rayos X• XMM-Newton

– SSC– AXIS– Lockman Hole

• XEUS

• Rayos cósmicos• Ondas gravitatorias• Neutrinos

• Ondas electromagnéticas (luz):

Radio IR Opt UV RX R

1m 1mm 1 1Å

Lo que recibimos del Universo

Efectos de la atmósferaEfectos de la atmósfera

Espejos de rayos X

¿Y merece la pena?

• Los rayos X son >1000 veces más energéticos que la luz visible– Vienen de regiones más energéticas– Vienen de regiones más calientes– Son más penetrantes

Procesos de emisión de rayos X en el Universo

• Plasmas (gases ionizados) a temperaturas de millones de grados

• Electrones muy energéticos en campos magnéticos intensos

• Acreción a objetos compactos

Agujeros negros: ¿Qué son?

• Agujero negro: Superficie donde velocidad de escape = velocidad de la luz

• Radio de Schwarzschild RS=2GM/c2: nada puede escapar de ese radio.

RR vv

MM

V=V=2GM/R2GM/R

Acreción: ¿Qué es?

Objeto EficienciaSol 0.0002%Agujero negro 10-40%Reacciones Nucl. 0.7%

Caída de materia a la superficie de un astro, liberando la energía que poseía

Discos de acreción

• La materia que cae a un agujero negro, toma la forma de un disco de acreción, por conservación del momento angular

• Este disco se calienta a temperaturas superiores a los cien mil grados, emitiendo luz ultravioleta

• La luz ultravioleta acaba convirtiéndose en rayos X

La luna (y el fondo)

• Rayos X del sol reflejados

• Fondo difuso “por detrás”

El Fondo de rayos X

El Sol

• Óptico ~6000 K

• Rayos X ~1000000 K

Sco X-1

FRX

Estrellas Binariascon transferencia de masa

• Enanas blancas • Estrellas de

neutrones • Agujeros negros

La galaxia de Andrómeda

Cúmulos de galaxias

Cúmulo de Cúmulo de VirgoVirgo

CúmulCúmulo de o de ComaComa

Núcleos galácticos activos

Núcleos galácticos activos

M87

Índice

• Astronomía de rayos X• Núcleos Galácticos Activos• El Fondo de Rayos X• XMM-Newton

– SSC– AXIS– Lockman Hole

• XEUS

Núcleos Galácticos Activos (AGN): El modelo estándar

• Agujero Negro supermasivo (M=106-109 Masas Solares)

• Disco de acreción (T=105 grados)

• Jet (chorro) de electrones muy energéticos colimados por el disco

Núcleos Galácticos Activos (AGN): El modelo estándar

NGC4261

Chris Done (University of Durham)

Espectro óptico de un Núcleo Galáctico Activo

Espectro de rayos X de un Núcleo Galáctico Activo

Radiación del disco deacreción reprocesada

Reflexión (líneas del Fe + y joroba Compton)

Exceso blando (disco de acreción)

Umbrales de absorción

Absorción fotoeléctrica

La línea de fluorescencia del Hierro (Fe K a 6.4

keV)

Línea de emisión muy ancha Los rayos X pierden energía para poder escapar del agujero negro

Confirmación del Confirmación del

corrimiento al rojo gravitatoriocorrimiento al rojo gravitatorio

predicho por la predicho por la RelatividadRelatividad

GeneralGeneral de Einstein de Einstein

Nandra 2001

Índice

• Astronomía de rayos X• Núcleos Galácticos Activos• El Fondo de Rayos X• XMM-Newton

– SSC– AXIS– Lockman Hole

• XEUS

El cielo en rayos Xblandos ~0.1-2.4 keV(ROSAT)

El cielo en rayos Xduros 2-10 keV(HEAO-1 A2)

El fondo de rayos X (FRX)

El origen del FRX

• Las únicas fuentes lo bastante brillantes y abundantes son los AGN

• Su espectro promedio es muy distinto al del FRX

Paradoja espectral

Absorción fotoeléctrica y oscurecimiento

Elimina los rayos X más blandos

A menudo el gas está acompañado de polvo que elimina la luz óptica y ultravioleta

Chandra/XMMROSATlogNH

La fuente puede serLa fuente puede ser

invisible, salvo eninvisible, salvo en

rayos X rayos X durosduros

El modelo unificado de los AGN

(Chris Done, Univ of Durham)

AGNabsorbido

Turner et al. (2001)

El modelo unificado de los AGN

como fuentes del FRX

• La mayor parte de los AGN se observan a través del toro, por lo que la emisión de rayos X está muy absorbida: se puede reproducir el espectro del FRX (Setti & Woltjer 1989)

Se consigue un buen ajuste suponiendo una relación de 3 a 1 entre AGN absorbidos/no absorbidos (Madau et al 1994, Comastri et al 1995)

Gilli et al 2000

¡¡¡Deberían encontrarse ¡¡¡Deberían encontrarse

muchos AGN absorbidos en muchos AGN absorbidos en

observaciones de rayos X observaciones de rayos X

duros duros !!!!!!

La población dominante de AGN

• Los AGN producen la mayor parte (~90%) del FRX • La mayoría (~90%) de los AGN que producen el FRX

presentan absorción (y están sin detectar)• Los AGN son fuentes brillantes en rayos X

La mayoría de los AGN presentan absorción y están sin detectar

Los rayos X duros son la forma más eficiente de detectar la población dominante de AGN

(algunos sólo en esa banda -y submm-)

Índice

• Astronomía de rayos X• Núcleos Galácticos Activos• El Fondo de Rayos X• XMM-Newton

– SSC– AXIS– Lockman Hole

• XEUS

XMM-Newton

ESA, 10-Diciembre-1999

¿Qué observará XMM-Newton?

• Todo tipo de fuentes de rayos X, especialmente duros (2-10 keV)

• En cada observación de XMM se descubrirán entre 50 y 200 nuevas fuentes de propina 100000 nuevas fuentes/año

OY Car

Survey Science Centre (SSC)

• El SSC es un consorcio con tres objetivos principales:– el procesado sistemático de todas las observaciones

de XMM-Newton – el desarrollo de programas de análisis científico para

los datos de XMM-Newton– el programa de seguimiento:

• identificaciones• identificaciones estadísticas

• El IFCA es miembro del SSC

El Proyecto AXIS

• Proyecto de identificación de fuentes descubiertas por XMM-Newton

• ~90 noches de observación en el Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma)

• 13 centros europeos• 35 investigadores• Columna vertebral del programa de seguimiento

del SSC• Liderado por el Instituto de Física de Cantabria

(I.P.: X. Barcons)

http://www.ifca.unican.es/~xray/AXIS

El Observatorio del Roque de los Muchachos

JKT (1.0)

GTC (10)

TNG (3.5)

INT (2.5)WHT (4.2)

NOT (2.5)

AGN con líneas anchas

Cuásares con líneas anchas de absorción

z=0.789

Sólo hay ~6 en rayos X hasta ahora ¡y nosotros tenemos dos!

¿Un AGN oscurecido?

z=1.224

Galaxias inofensivas que contienen agujeros negros

Mkn 205

NELGs

Galaxias “normales”

z=0.255

LX~ 1043 erg s-1

G21.5-09: Un remanente de Supernova y más

cosas...

Expectativas sobre AXIS

• Identificación de varios cientos de fuentes extragalácticas y otras tantas galácticas

• Imagen de ~80 campos de XMM-Newton

Caracterización de la población de AGN

Identificaciones estadísticas

Identificaciones Estadísticas

AGN

Estrellas

Cúmulos

NELGs

Galaxias

AGN

Estrellas

Cúmulos

NELGs

Galaxias

El cielo profundo en rayos X: el Lockman Hole

ROSAT: 0.1-2 keV XMM-Newton: 2-10 keV

El cielo profundo en rayos X: el Lockman Hole

Simulación de 350 ks en el Lockman Hole

0.5-2 keV: blandos 2-10 keV: duros

12 7 6 5 4 3 (Giga-años)

tiempo

Índice

• Astronomía de rayos X• Núcleos Galácticos Activos• El Fondo de Rayos X• XMM-Newton

– SSC– AXIS– Lockman Hole

• XEUS

XEUS (X-ray Evolving Universe Spectroscopy

mission)

XEUS: El telescopio

XEUS: Estudiando los primeros agujeros negros

t=5 Gat=3 Gat=2 Gat=1 Ga

XMM-NewtonXEUS

Los rayos X y el Universo oculto

La astronomía de rayos X estudia los fenómenos más energéticos del Universo

• La mayor parte de la radiación emitida por acreción en el Universo es absorbida

La formación de los núcleos activos está probablemente ligada a la formación de galaxias

• Los rayos X duros permiten observar estos procesos casi en exclusiva

(junto con infrarrojo lejano y submilimétricas)