Buracos Negros: Grandes Sorvedouros Cósmicos

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Yago Canejo Festas
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1 Buracos Negros: Grandes Sorvedouros Cósmicos Thaisa Storchi Bergmann Instituto de Física, UFRGS, Brasil Illust. credit: CXC/A. Hobart

UFRGS, Brasil www.if.ufrgs.br/~thaisa/bn www.

2 Sumário O que são Buracos Negros? Tipos de Buracos Negros Quem tem medo deles? Gamma Ray Bursts BN s supermassivos no núcleo de galáxias ( e uma viagem até uma galáxia próxima) Acreção de matéria a um BN supermassivo

3 BURACOS NEGROS: O QUE SÃO Força gravitacional: Velocidade de escape: v GM R 2 2 esc = = Sch Raio de Schwarschild: c 2 F = GMm 2 R RSch = 2 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! 2 2GM c 2 = GMm R

Schwarschild se transforma em um buraco negro, uma vez que nenhuma força da natureza pode resistir ao seu

4 Como se formam? Tipos de Buracos Negros: Estelares & Supermassivos Estelares: final da vida de estrelas massivas: a) explosão como supernova tipo II (sozinha) ou tipo I, com companheira. Núcleo se transforma em BN. Exemplo: SS433 - Concepção artística a partir de observações com o satélite Chandra de Raios-X em Jan. 2004; disco de acresção se forma para conservação de momentum angular

massivas: a) explosão como supernova tipo II (sozinha) ou tipo I, com companheira.

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. Simulação:

destróem camada de ozônio: hipótese favorecida para explicar a

6 Drestruição da camada de ozônio (concepção artística)

7 2) Buracos negros de massa intermediária: associados a aglomerados de estrelas Maillard (Nov. 2004), em imagens de ótica adaptativa com Telescópio Gemini: BN de massa 1300 M Sol próximo ao centro da Via Láctea

2004), em imagens de ótica adaptativa com Telescópio

8 3) Buracos negros supermassivos: No centro das galáxias, com massas de milhões a bilhões de vezes a massa do Sol. Exemplo: Centaurus A: imagem composta Perspectiva: Viagem ao Aglomerado de galáxias de Virgem

9 Porque BN s são necessários? Quasares emitem 3.3x10 46 ergs s -1 Em 10 8 anos: ergs SN s (energia nuclear) Energia gravitacional de acreção: E=0.1Mc 2 M=5x10 8 M o

3x10 46 ergs s -1 Em 10 8 anos: 10 62 ergs

10 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

11 Como pode ocorrer o crescimento do bojo junto com o do BN:

12 Época da formação dos BNs supermassivos: junto com as galáxias, quando o Universo tinha uns 2 bilhões de anos de idade (idade atual 13 bilhões de anos). Quasares (observados muito longe, e portanto no passado) são os BN supermassivos em formação: grandes quantidades de energia emitida pela captura de matéria pelo BN.

Quasares (observados muito longe, e portanto no passado) são os BN

13 Jornada para um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia, começando a anos-luz de distância, chegando no disco de acresção que tem raio de minutos a dias-luz e acabando no horizonte de eventos:

14 BN supermassivo mais próximo: no núcleo da nossa galáxia, a Via Láctea Observação de órbita completa de estrela (S2) em torno de Sgr A*: BN com 2x10 6 M Sol (Genzel et al. Out. 2002)

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

16 Simulação do BN supermassivo no centro da Via Láctea que está quase quieto, mas consome frequentemente pequenas quantidades de matéria

17 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

matéria capturada formando um disco ou anel que fica orbitando o BN até ser engolida por ele (Rees 1988).

18 Concepção artística (Chandra, Komossa 2004) que mostra captura e destruição de uma estrela

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

20 Telescópios Espaciais

21 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 revstas de divulgação científica saiu: cientista captura gritos de despedida de uma estrela sendo engolida por um buraco negro supermassivo!

22 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

23 Modelling Dimensões results p Horizonte de eventos=r Sch =2GM/c 2 M=1 massa solar R Sch = 3 km M=10 6 massas solaresr Sch = 3 x 10 6 km = 4 R sol =10 seg.-luz M=10 9 massas solaresr Sch = 3 x 10 9 km = 20 U.A.= raio da órbita de Urano=2,5 horas-luz Raio discos de acresção: 3 x 10 9 km = 2,5 horas-luz < 1000 R Sch < 3 x km=3 meses-luz Distância estrela mais próxima=4,2 anos-luz Diâmetro da Via-Láctea= anos-luz Distância de Andrômeda=2,2 milhões de anos-luz

24 Perfis modelados Modelling results Acompanhamos evolução do disco enquanto material cai para dentro do buraco negro

25 Modelo: Modelling disco com results braço espiral (Figuras: R. Nemmen) Luminosidade do disco está mudando com o tempo, permitindo determinar massa do BN e dimensões do disco: M BN =100 milhões de sóis; R Sch =300 milhões de km=16min-luz (órbita de Marte); Raio médio do disco=11 dias-luz

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

27 Braços espirais nucleares alimentando disco de acreção:

28 Conclusões Quasares, rádio-galáxias: fase na vida de uma galáxia, em que um BN central está engolindo grandes quantidades 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 pode ser: uma estrela que passa perto do BN; ou gás que escorre para o centro ao longo de braços espirais, dando origem a um disco de acreção; Implicações da existência de BNs para nós: (1) podem ser danosos se formarem-se muito perto, pela explosão de uma supernova, por exemplo; (2) mas poderiam ser úteis se conseguíssemos domesticá-los : fornecem energia de forma muito eficiente, a partir de qualquer coisa que jogarmos lá dentro;

29 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...

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

31 Um Simpósio Internacional dedicado ao estudo de Buracos Negros Supermassivos:! March, 1-5, 2004, Hotel Serrano, Gramado, Brasil International Conference: Figure Credits: Weiss (CXC), Figer, O Dell & Wong (HST)

32 Futuro: Novo Telescópio Espacial (2012): James Webb Space Telescope Espelho de 6m e blindagem do Sol; órbita no ponto de Lagrange L2

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

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