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Material disponible digitalmente
• Ir a http://www.crya.unam.mx/~l.rodriguez
• De ahí a “Otros Temas” y luego a “Astrofísica de Altas Energías”
• Ahí colocaré las presentaciones PowerPoint así como artículos y otros textos.
HOYOS NEGROS EN EL UNIVERSO
Luis F. Rodríguez, CRyA, UNAM, Morelia
Velocidades de impacto
Objeto Velocidad (km/s)
Tierra 11.2
Sol 620
Enana blanca 5,000
Estrella de neutrones 100,000
Hoyo negro 300,000
La gravedad es la más familiar de las fuerzas de la Naturaleza
Isaac Newton fué el primero en dar una descripción exitosa de la gravedad
2RmMG
F
En la gravitación Newtoniana no hay ninguna escala característica…
2RmMG
F
Pero, algo está mal con esta fórmula porque los fotones tienen m=0 y sin embargo sí son desviados en su trayectoria por la presencia de una masa M.
La materia le dice al espacio como curvarse, el espacio le dice a la materia como moverse
RmMG
vm 2
21
cv
2
2c
MGR
Radio de Schwarszchild:Define región del espacio de la cual nada, ni siquiera la luz, puede salir
)(0.3
SolMM
kmR
Si la velocidad de escape alcanza a la velocidad de la luz…
Si quisiéramos transformar a la Tierra en un hoyo negro...
...habría que comprimirla al tamaño de una canica.
En la actualidad es imposible crear un hoyo negro en el laboratorio...
Sin embargo, la naturaleza tenía ya un mecanismo para transformar estrellas en hoyos negros
Las estrellas mantienen su tamaño gracias a un equilibrio de fuerzas...
¿Qué ocurrirá cuando la estrella “muera” y ya no tenga presión que contenga a la gravedad?
El triunfo final de la gravedad
Una vez que la estrella consume su combustible termonuclear (o sea “muere”), su propia gravedad la comprime a un tamaño mucho menor que el que tuvo anteriormente.
El tamaño final del cadáver estelar dependerá de la masa de la estrella.
Arthur Eddington
Enanas blancas: etapa final de la vida de las estrellas como el Sol.
IC 418
La “muerte” de una estrella generalmente consiste de la contracción de una parte interna y de la expulsión al medio circundante de una parte externa.
Si la masa de la estrella excede 1.4 veces la masa del Sol (el límite de Chandrasekhar), el colapso continuará más allá de la etapa de enana blanca.
J. Robert Oppenheimer
Un hoyo negro sin rotación sólo tiene un “centro” y una “superficie”
• El hoyo negro está rodeado por el horizonte de eventos el cual es una superficie esférica de la cual ni la luz puede escapar
• La distancia entre el hoyo negro y el horizonte de eventos es el radio de Schwarzschild (RSch= 2GM/c2)
• El centro del hoyo negro es un punto de densidad infinita y volumen cero, llamado singularidad
Hoyos negros con rotación
• Un hoyo negro con rotación (o sea con momento angular) tiene una ergosfera afuera del horizonte de eventos
• En la ergoregión, el espacio y el tiempo son arrastrados por la rotación del hoyo negro
Pero, ¿existen los hoyos negros?
Intrínsecamente, los hoyos negros no emiten nada (hay que recordar que ni la luz puede escapar de ellos).
Entonces, hay que tratar de detectarlos indirectamente, por su efecto sobre otros cuerpos cósmicos que estén cerca de ellos.
Radiación de Hawking
Interesante teóricamente, pero imposible de detectar en la práctica por su debilidad…
Los hoyos negros se evaporan
¿Cómo podemos buscar a los hoyos negros astronómicamente?
• La astronomía de rayos X jugó en esto un papel clave.
Si podemos medir la velocidad de un cuerpo y su distancia al hoyo negro, podemos estimar la masa del hoyo negro.
Satélite UHURU
Binaria de Rayos X
Riccardo Giacconi
Premio Nobel de Física 2002 por sus aportaciones a la astronomía de rayos X y por el desarrollo de telescopios y misiones espaciales
Masa de objectos compactos en sistemas binarios.
En la actualidad se conocen más de 20 sistemas binarios de rayos X en los que la masa de la estrella “muerta” excede 3 veces la masa del Sol y por lo tanto se cree que es un hoyo negro.
La presencia del hoyo negro se deduce de manera indirecta: a través de los movimientos de la estrella compañera y de las características del disco de acreción.
Al mismo tiempo que se establecía la existencia en nuestra Galaxia de hoyos negros con masas de entre 3 y 20 veces la masa del Sol, en los centros de otras galaxias comenzaba a consolidarse la necesidad de hoyos negros, pero éstos con una masa de millones a miles de millones de veces la masa del Sol: los llamados hoyos negros supermasivos.
Chorro en la galaxia M87
NGC 4258
La Vía Láctea, nuestra Galaxia
Del estudio de líneas provenientes de nubes de gas alrededor del centro de nuestra Galaxia se infirió la presencia de “...una masa puntual de 5 millones de veces la del Sol.”
Melia et al.
Cinco preguntas sobre hoyos negros.
¿Qué tan similar es la Física alrededor de los hoyos negros de masa estelar y de los hoyos negros supermasivos?
Una diferencia parecía ser que hasta los 1990´s solo los supermasivos parecían tener chorros relativistas asociados.
Heber Curtis (1918): “...a curious straight ray... apparently connected with the nucleus by a thin line of matter.”
EL CHORRO DE M87 EN RADIO
Emisión sincrotrónica
Observaciones del HST
Biretta et al. (1999)
Cygnus A
GRANAT-SIGMA
Very Large Array Nuevo Mexico, EUA
¡La componente a la izquierda se mueve en el cielo más rápido que la luz!
Desplazamiento aparente = vt sin
Tiempo aparente = t [1 – (v/c)cos ]
Velocidad aparente= v sin /[1 – (v/c)cos ] ; ¡puede exceder c!
Una ilusión relativista…
Shakura & Sunyaev (1973)
El nuevo paradigma
La componente que se acerca a nosotros no solo parece moverse más rápido sino que parece ser más brillante (en realidad las dos componentes son iguales.
QUASARS MICROQUASARS
Mirabel et al. (1992)
Quasar 3C 223 Microquasar 1E1740.7-2942
radio (VLA) observations at 6 cm
VLA at 1477MHz ~ 20 cm
MICROCUASARESMICROCUASARES
Son binarias de rayos X con chorros relativistas en el radio.
El objeto compacto puede ser una estrella de neutrones o un hoyo negro.
En los hoyos negros, los tamaños y escalas de tiempo son proporcionales a la masa del hoyo negro (Sams, Eckart, & Sunyaev 1996)
La máxima temperatura de color del disco de acreción es Tcol 2107 M1/4.
(Mirabel & Rodríguez 1998)
Each source is interesting by itself.Only 15 confirmed cases with resolved jets, but probably all REXBs are microquasars!
Los chorros relativistas son un fenómeno importante en la naturaleza, los chorros clásicos (v<<c) existen en otros tipos de objetos astronómicos.
¿Cómo se aceleran y coliman?
Blandford & Payne (1982)
Esto ocurre en una escala tan pequeña que no es posible resolverla.
Mecanismo de Blandford y Payne (aceleración)
Mecanismo de Blandford y Payne (colimación)
¿Cómo se forman los hoyos negros supermasivos?
¿Porqué las masas de los hoyos negros parecen ser o bien estelares o bien supermasivas? ¿Hay hoyos negros de masa intermedia?
¿Hoyos negros de masa intermedia?
Satélite Chandra
¿HAY HOYOS NEGROS CERCA DE
NOSOTROS?
No que sepamos...
Sin embargo, estudios recientes han revelado la existencia de
hoyos negros errantes
¿Qué pasa cerca y adentro de un hoyo negro?
Efecto Lense-Thirring
¿Cómo podemos estar seguros de que estos objetos son hoyos negros?
Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory = LIGO
Formación de chorros relativistas
Evidencia del “horizonte” del hoyo negro
Búsqueda de hoyos negros de masa intermedia
Gravitación Cuántica