Galáxias Ativas e Buracos Negros Supermassivos

Transcrição

1 Galáxias Ativas e Buracos Negros Supermassivos Thaisa Storchi Bergmann Instituto de Física, UFRGS, Brasil Illust. credit: CXC/A. Hobart

2 Sumário O que são Buracos Negros? Tipos de Buracos Negros Quem tem medo deles? Gamma Ray Bursts BN s supermassivos A acreção de matéria como fonte de energia Galáxias Ativas Acreção de matéria a BNs supermassivos Conclusões

3 BURACOS NEGROS (BN): O QUE SÃO Força gravitacional: Velocidade de escape: v GM R esc = = Sch Raio de Schwarschild: c F = GMm R RSch = mvesc Qualquer objeto que atinge um raio menor do que o raio de Schwarschild se transforma em um buraco negro, uma vez que nenhuma força da natureza pode resistir ao seu colapso gravitacional, pois velocidade de escape = c! Para a Terra: R Sch =9 mm! Para o Sol: 3 km! GMm R Para o BN no centro da Via Láctea: 3x10 6 km=4 R Sol GM c =

4 Como se formam? Depende do tipo: 1) Estelares: final da vida de estrelas massivas: explosão como supernova

5 Possível influência dos buracos negros na nossa civilização: Se explosão de hipernova acontecer perto do Sol: raios-gamma destróem camada de ozônio: hipótese favorecida para explicar a extinção de 60% da vida na terra há 450 milhões de anos atrás. Concepção artística: jato de raios gamma na direção da Terra

6 Drestruição da camada de ozônio (concepção artística)

7 ) Buracos negros de massa intermediária: associados a aglomerados de estrelas Maillard (Nov. 004), em imagens de ótica adaptativa com Telescópio Gemini: BN de massa 1300 M Sol próximo ao centro da Via Láctea

8 3) Buracos negros supermassivos: No centro das galáxias, com massas de milhões a bilhões de vezes a massa do Sol. Exemplo: galáxia ativa (rádio-galáxia) Centaurus A: imagem composta

9 Porque BN s são necessários? Quasares emitem 3.3x10 46 ergs s -1 Em 10 8 anos: 10 6 ergs SN s (energia nuclear) Precisaríamos a energia da explosão de todas as estrelas de uma galáxia como supernovas: isto não se observa!

10 A Energia Modelling dos Núcleos Ativos results de Galáxias (AGN) p A energia dos AGNs vem da acreção de matéria ao Buraco Negro central: transformação de energia potencial gravitacional em energia radiativa + cinética dos jatos A acreção se dá através de um disco de acreção, que se forma para conservação do momentum angular Energia nuclear E N =0.007mc = ergs para m=1g; numa estrela, fusão nuclear ocorre com 10% da massa; 10 6 ergs= ergs/g g/estrela estrelas Energia gravitacional E G =GMm/R; para m=1g: E G (Sol)=x10 15 ergs; E G (Anã branca)=10 17 ergs; Mas para objetos compactos (Estrela de nêutrons ou BN): E G (BN)=10 0 ergs/g; 10 6 ergs=10 0 ergs/g g/estrela estrelas

11 A Energia Modelling dos Núcleos Ativos results de Galáxias (AGN) Energia nuclear p E = mc = mc = N ε ε Energia gravitacional GMm EG = R G 10GM GMm R = 5RSch = E G = c c 10GM E 0.1 E G = mc G GMm = R 10GM GMm Luminosidade R = 5RSch = E (potência) G = c dos AGNs: E L 0.1 c G = mc GMm GMm E = EG = R R 10GM GMm R = 5RSch = E G = c c 10 10GME G = 0.1mc GMm R = 5RSch = E G = c c 10GM E = 0.1mc ε = 0.1 G 10GM de dm dm dt dt dt = = 0.1 c = Taxa de acreção de matéria

12 ParadigmaModelling atual dos Núcleos Ativos results de Galáxias (AGN) p Luminosidade dos AGNs: transformação da taxa de energia potencial da matéria acretada em potência radiativa e jatos GMm EG = R 10GM GMm R = 5RSch = E G = c c 10GM E 0.1 G = mc GMm EG = R 10GM GMm R = 5RSch = E G = c c 10GM E 0.1 G = mc GMm EG = R 10GM GMm R = 5RSch = E G = c c 10GM E 0.1 Agente da transformação: disco de acreção G = mc

13 Galáxias Ativas: Quasares: Distantes, têm as mais altas luminosidades, que dominam a luminosidade da galáxia; com os telescópios mais antigos, não se observava a galáxia, só o núcleo brilhante; hoje sabemos que 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); são raras, habitam galáxias elípticas (fusão de galáxias); Ex. : Centaurus A (página anterior) Galáxias Seyfert: galáxias mais próximas, cujo espectro nuclear é semelhante aos dos Quasares, mas menos luminoso; observa-se a galáxia hospedeira com facilidade Objetos BL Lac: galáxias ativas (rádio-galáxias na sua maioria) observadas ao longo do jato: efeitos de amplificação relativísticos fazem que o espectro seja dominado pelo espectro do jato. LINERs: galáxias com atividade nuclear fraca; quase 50% das galáxias pode ter esta atividade, observação com boa resolução espectral e espacial é necessária para ver emissão não-térmica do núcleo

14 Quasares observados com o Telescópio Hubble

15 Modelo Unificado para os AGNs O toro de poeira: (concepção artística)

16 Calculando a Massa dos BN s supermassivos Se há um BN no centro de uma galáxia, uma massa m (estrelas ou gás) em equilíbrio virial no seu potencial gravitacional obedece a relação: GMm T + U = 0 mv = M = R Rv G onde M=massa do BN; v=velocidade da massa de prova m; R=raio de sua órbita. Observações com o Telescópio Espacial Hubble mostraram que todas galáxias vizinhas que possuem bojo, possuem BNSM, mesmo sendo não-ativas

17 Buracos negros no núcleo de todas as galáxias? Ferrarese and Merrit (000) e Gebhardt et al. (000) encontraram que massa do BN é proporcional à massa do bojo sempre que há bojo há BNSM! Tremaine et al. (00): M log M BN sol σ = 8.13( ± 0.06) + 4.0( ± 0.3) log 00 km s 1

18 Resultado de observações com o Telescópio Espacial Hubble: massa dos BNs supermassivos é proporcional à massa do bojo da galáxia Fig BN propto massa bojo

19 BN supermassivo mais próximo: no núcleo da nossa galáxia, a Via Láctea Observação de órbita completa de estrela (S) em torno de Sgr A*: BN com x10 6 M Sol (Genzel et al. Out. 00)

20 Imagem do núcleo da Via Láctea observada com satélite Chandra de raios-x: emissões de energia produzidas por acreção de matéria ao BN supermassivo.

21 Consequências da presença de um BN no centro de uma galáxia, uma vez que todas parecem ter um: Quando uma estrela chegar a uma distância menor do que o raio de maré r T será destruída, sendo parte da matéria capturada formando um disco ou anel que fica orbitando o BN até ser engolida por ele (Rees 1988). Para a densidade típica de estrelas no centro das galáxias, frequência destes eventos é de 1 a cada anos

22 Instrumentos utilizados para observar BNs CTIO 4m Gemini 8m

23 O caso de NGC 1097: estou com sorte? Numa observação em 1991 da galáxia NGC1097 (ao fundo), que está a 50 milhões de anos luz de distância detectei por acaso o disco de acreção que pode ter sido formado pelos restos de uma estrela capturada pelo buraco negro central. Próximo episódio talvez só daqui a anos! Nas revistas de divulgação científica saiu: cientista captura gritos de despedida de uma estrela sendo engolida por um buraco negro supermassivo!

24 Observação: Não dá para resolver disco de acresção espacialmente, mas no espaço de velocidades: Perfil da linha de emissão Hα do H largo e de duplo pico. Efeito Doppler: Interpretação: Disco de gás girando a alta velocidade (~10000 km/s) Fonte se aproxima Observador Fonte se afasta

25 11 anos de observação de NGC1097: Storchi-Bergmann et al. 1993, 1995, 1997, 003; Nemmen et al. 006: disco tem braços espirais que precessam; brilho dimimuiu com o tempo; estrutura do disco de acreção: RIAF

26 Cartoon para a região central de NGC1097: Storchi-Bergmann et al. 005; Nemmen et al. 006

27 Trabalho atual 1) Feeding: mass inflow toward Active Galactic Nuclei (AGN); never observed! Instrument: GMOS IFU Collaborators: Barbosa, Riffel, Dors Jr., Winge, Axon, Robinson, Fathi, Ostlin, Marconi Jon Lomberg: mass inflow along nuclear spiral arms ) Feedback: mass outflow in the Narrow-Line Region (NLR); always observed! Instruments: GMOS & GNIRS IFUs, NIFS Collaborators: Barbosa, Riffel, Lopes, Winge, McGregor, Beck, Dopita Outflow in NLR of Seyfert galaxy

28 Feeding: Motivation AGN paradigm: Nuclear activity phase in galaxy evolution triggered by mass accretion to the nuclear supermassive blackhole (SMBH) (Ferrarese & Merrit 000; Tremaine 00; Marconi & Hunt 003, Peterson & collabs )). Origin of fuel and nature of triggering mechanism: two of the main unsolved questions in AGN research (Martini 004) Theory: (1) galaxy interactions can send gas inwards to trigger the activity (Hernquist 1989; Barnes & Hernquist 199); () non-axisymmetric galactic pontentials (bars, ovals) can promote gas inflow from galaxy disk towards nuclear region (e.g. Shlosman 1989, 1990, 1993); (3) nuclear gaseous spirals formed in response to non-axisymmetric pontentials can send gas all the way to the nucleus if a SMBH is present (Englmeier & Shlosman 000; Maciejewski 004)

29 Signatures of feeding: morphology: Simões Lopes, Storchi-Bergmann, Martini 007: Structure maps for 34 early-type galaxies pairs (T<0) Active Non-active Active Non-active Active Non-active

30 Lopes et al. 007: Results for 34 early-type pairs: Dust structures in inner kpc much more frequent in active than in non-active galaxies (100% vs 7%): feeding material on its way in? Other works: Van Dokkum & Franx 1995, Pogge & Martini, 00; Martini et al. 003, Xilouris & Papadakis 00, Ferrarese et al. 006, Lauer et al. 005 Active Non-active Active Non-active

31 Signatures of feeding: gas kinematics Inner kpc morphology support nuclear spirals (~100 pc scales) as means to feed the AGN. But: kinematic signatures still missing! Storchi-Bergmann, Fathi, Axon, Robinson, Marconi, : proposed GMOS IFU observations to look for streaming motions along nuclear spirals in AGN hosts. Sample extracted from Simões Lopes et al. 007 (structure maps). Observational (tricky) constraints: intermediate inclination to allow measurement of kinematics, presence of emitting gas, low-activity to avoid too much outflow. NEW: Already found two cases: NGC1097 and NGC6951

32 NGC 1097 Luminous (M B =-1.) SBb galaxy at 17 Mpc with nuclear ring (700 pc); LLAGN with double-peaked Balmer lines (Storchi-Bergmann et al ) HST ACS FR656N images of inner 500 pc: gas/dust filaments (Prieto et al. 005; Fathi et al. 006) Fathi et al. 006:

33 Fathi et al. 006: Gemini IFU GMOS spectra of H region covering 7 15 (3 fields; 3000 spectra) Near side Far side Results: (1) Distorted rotation: residuals relative to circular rotation of ~50 km/s delineate spiral arms (dots); () redshifts in the near side, blueshifts in the far side streaming motions along spiral arms towards the nucleus

34 NGC6951 SABbc galaxy at 4 Mpc with LLAGN Galaxy (LINER/Sy ), with starforming ring at ~ 500 pc from nucleus Has radio, CO and HCN emission

35 Storchi-Bergmann et al. 007: NGC6951 kinematics Far side Near side Streaming motions along nuclear spirals Plus: outflow produced by radio jet (Saikia et al. 00)

36 Observações recentes com o Gemini: sugerem que disco de acreção está também sendo alimentado por braços espirais nucleares:

37 Conclusões Quasares, rádio-galáxias, galáxias ativas em geral: fase na vida de uma galáxia, em que um BN central está engolindo matéria; Atividade mais intensa maior taxa de acreção de matéria BNs supermassivos presentes em toda as galáxias, crescedo junto com elas; na maior parte do tempo estão quietos, pois estão sem combustível ; Combustível: matéra que flui para dentro de alguma forma: (a) Acreção episódica, resultando em baixa atividade: por exemplo, captura de uma estrela que passa perto do BN; (b) Observações recentes e inéditas com IFU: gás escorre para o centro ao longo de braços espirais; inflow nunca antes observado, somente outflow! Mais observações necessárias para estabelecer universalidade do mecanismo.

38 Implicações para o Universo: No futuro as estrelas vão evoluir e esgotar sua fonte de energia, o Universo vai se tornar um lugar frio e escuro, onde as últimas estruturas que vão sobreviver serão os BNs supermassivos...

39 Equipe: Rodrigo Nemmen, Carlos Brandt, Patricia Spinelli, Rogemar Riffel, Fausto K. B. Barbosa, Ramiro D. S. Lopes, H. Fraquelli, D. Raimann Para saber mais:

40 Um Simpósio Internacional dedicado ao estudo de Buracos Negros Supermassivos:! March, 1-5, 004, Hotel Serrano, Gramado, Brasil International Conference: Figure Credits: Weiss (CXC), Figer, O Dell & Wong (HST)

41 Futuro: Novo Telescópio Espacial (01): James Webb Space Telescope Espelho de 6m e blindagem do Sol; órbita no ponto de Lagrange L

42 Giant (30m) Segmented Mirror Telescope (NOAO & Gemini)