Thaisa Storchi Bergmann Instituto de Física, UFRGS, Porto Alegre, RS, Brazil Membro ABC, TWAS, Prêmio L Oreal/UNESCO Mulheres na Ciência 2015

Thaisa Storchi Bergmann Instituto de Física, UFRGS, Porto Alegre, RS, Brazil Membro ABC, TWAS, Prêmio L Oreal/UNESCO Mulheres na Ciência 2015

Introdução: Buracos Negros (BN) BNs estelares e supermassivos (BNS) Experimento LIGO: colisão de BNs BNS em galáxias ativas: o mais eficiente gerador de energia Descoberta: disco de acreção em torno de um BNS BNS no núcleo da maioria das galáxias Relevância para evolução de galáxias: Feedback Conclusões 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 2

O Que é um BN? Um pouco de história John Michell, padre e filósofo ingles, 1783: corpo com campo gravitacional tão intenso que nem luz escapa Chandrasekhar, astrofísico, 1931: Equações de Einstein têm esta solução Jocelyn Bell, 1967: pulsares - estrelas de Nêutrons 1972, Cygnus X- 1: primeiro candidato a buraco negro estelar 1960-1970, Quasares: núcleo de galáxia com luminosidade >> própria galáxia - > energia não estelar: BNS

Caracterizando um BN: Raio de Schwarzschild Velocidade de escape: 2 mvesc 2 = GMm R m Horizonte de eventos: R Sch Para v esc = c: v 2 2GM esc = = Sch R c 2 M Raio de Schwarschild: RSch = 2GM c 2 Terra: R Sch =9 mm; Sol: R Sch =3 km Concepção artística

O que acontece nas vizinhanças de um BN Formulação da relatividade geral: massa curva o espaço; mesmo a luz percorre trajetórias curvas

O que acontece nas vizinhanças de um BN À medida que você se aproxima do horizonte de eventos, o espaço e o tempo se dilatam. Para quem olha de longe, parece que você nunca chega lá...

O que acontece nas vizinhanças de um BN Efeito sobre a luz: imagens vindo de trás do BN ficam distorcidas - > Lente gravitacional

Como se formam os BNs? Depende da massa! Estelares (~ 10 M Sol ): Explosão de Supernovas (aula do Prof. Kepler) BNS (10 6-10 9 M Sol ): centro das galáxias, formados há ~ 12 billhões de anos De massa intermediária: Em aglomerados de estrelas

BN estelar Cygnus X- 1: matéria capturada de companheira 15 M, a ~ 6000 anos- luz observações do movimento da estrela azul companheira Estima- se ~ 100 milhões deles na Via Láctea 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 9

Descoberta (11/02/16): ondas gravitacionais (em 14/09/15) - colisão de 2 BNs estelares (~30 M ) numa galáxia a 1.2 bilhões de anos- luz file:///.file/id=6571367.20635153 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 10

Saindo da Via Láctea para encontrar BNs Supermassivos 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 11

Buracos Negros Supermassivos Para explicar Quasares e Rádio- galáxias: enorme potência emitida do núcleo 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 12

Exemplo de Rádio Galáxia Lobo rádio Potência dos jatos: L=3.3x10 46 ergs s - 1 = 10 13 Sóis! Rádio-galáxia Fonte de energia: não estelar - > captura de matéria por BNS 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 13

Massa caindo num BNS Disco de acreção jato Massa que cai forma disco de acreção; energia potencial - > energia radiativa do disco e cinética dos jatos Energia gravitacional liberada pela queda de massa m a 5 R Sch : E G =GMm/5R Sch =(GMm)/(10GM) c 2 0.1 mc 2 - > Muito eficiente! Comparação com fusão nuclear (estrelas): E N = 0.007 mc 2 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 14

Massa caindo num BNS Disco de acreção jato Massa que cai forma disco de acreção; energia potencial - > energia radiativa do disco e cinética dos jatos Energia gravitacional liberada pela queda de massa m a 5 R Sch : E G =GMm/5R Sch =(GMm)/(10GM) c 2 0.1 mc 2 - > Muito eficiente! BN + disco de acreção: Mais eficiente Egerador N = 0.007 de mc energia 2 do Universo! Comparação com fusão nuclear (estrelas): 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 15

Analogia: hidroelétrica Disco de acreção <- >turbina + gerador 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Engenharia Mecânica, UFRGS, Maio 2016 16

Rádio- galáxias e Quasares são galáxias ativas: BNS no núcleo acretando matéria e transformando energia potencial da acreção em radiação e jatos. Exemplo: galáxia ativa Centaurus A: imagem composta 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 17

Exemplos de Active Galactic Nuclei (AGN): núcleos ativos de galáxias Quasares: Distantes, altas luminosidades, nos telescópios terrestres mais antigos, não se observava a galáxia, só o núcleo brilhante; 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); raras, habitam galáxias elípticas (fusão de galáxias); Ex. : Centaurus A (página anterior) Galáxias Seyfert: galáxias mais próximas, espectro nuclear semelhante aos dos Quasares, mas menos luminoso; observa- se a galáxia hospedeira com facilidade LINERs: galáxias com atividade nuclear fraca; quase 50% das galáxias pode ter esta atividade. 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 18

Argumento de Soltan (1982): densidade de Quasares no Universo distante - > se todos os Quasares hospedam BNS e eles não desaparecem - > ~ 1 BNS/Mpc 3 no Universo próximo (atual) <- > densidade de galáxias grandes, tipo Via Láctea. Cenário: No início havia muito mais gás livre para alimentar os BNS nos Quasares Os Quasares foram apagando pela ausência de combustível pois gás foi formando estrelas à medida que Universo evolui Os BNS ficaram quiescentes no centro da maioria galáxias Quanto matéria é capturada por um BNS, inicia uma fase de Atividade Nuclear. 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 19

Um BNS no centro de uma galáxia próxima 30 000 l.y. Galáxia: 100 bilhões de estrelas 100 000 a.l. BNS no centro: não- resolvido, 100 000 000 M Sol Disco de acreção: formado quando massa é capturada pelo BNS - > núcleo ativo - > jatos, radiação, ventos - > feedback 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 20 0.1 l.y.

Como observamos BNSs em galáxias não- ativas? A partir da luz emitida por objetos em órbita - estrelas e gás Só na Via Láctea pode- se observar (no infravermelho) órbitas de estrelas individuais em torno do BNS no centro - > massa de 4 milhões de Sóis (M )

Como observamos BNSs em galáxias não- ativas? A partir da luz emitida por objetos em órbita - estrelas e gás Via Láctea: BNS com determinação mais precisa de sua massa (grupos de Genzel e Ghez)

Outras galáxias: movimento coletivo das estrelas BNS de massa M no núcleo de uma galáxia: estrelas de massa m orbitando a uma distância média R do BNS com velocidade média v: Teorema do Virial 2 GMm 2 T + U = 0 mv = M = R Rv G 2 onde T= energia cinética e U é energia potencial gravitacional 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 23

Dispersão de velocidades: mede movimento coletivo das estrelas Dispersão de velocidades é medida a partir do alargamento das linhas de absorção estelares 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 24

Se o raio de influência do BNS é resolvido: Rh = 2GM s 2 onde s: dispersão média de velocidades do bojo da galáxia - > aumento da dispersão de velocidades σ em direção ao centro. Medidas com Telescópio Espacial Hubble: ~50 galáxias próximas, todas com aumento de σ para o centro 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 25

Medindo velocidade coletiva de estrelas no potencial do BNS para ~50 galáxias próximas (Ferrarese & Merrit e Gebhardt et al. 2000): correlação entre M(BNS) e M do bojo Fig BN propto massa bojo Tremaine et al (2002): M log M 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 BN sol σ = 8.13( ± 0.06) + 4.02( ± 0.32)log 200 km s 26 1

Acretion disk 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 27

Descoberta da emissão de um disco de acreção (Storchi- Bergmann et al. 1993) Técnica: espectroscopia de fenda longa 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 28

Interpretação: observação no espaço de velocidades: Espectroscopia: linha Halpha: gás em rotação no disco de acreção, com v ~ 10.000 km/s Efeito Doppler: è Fonte se aproxima Observador ç Fonte se afasta 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 29

Horizonte de eventos e disco são muito pequenos, minutos- luz, ainda não é possível resolver espacialmente: modelo teórico 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 30

Gargântua Massa = 100 milhões de Sóis Horizonte de eventos tem tamanho da órbita da Terra Disco de acreção emite luz com temperatura igual à da superfície do Sol Imagem da parte de trás do disco forma um halo em torno do BNS devido ao efeito de lente gravitacional 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 31

Bulk of galaxy formation occurred in the first 3 Gyr of the Universe: 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 32

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Simulações: de Springel et al. 2005 para reproduzir observações é preciso levar em conta feedback 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 34

Observações: Menos galáxias anãs do que preditas pela teoria Menos galáxias gigantes massivas do que preditas Solução: Feedback de SN e AGN SN: supernova AGN: Active Galactic Nuclei Madau plot Credit J. Silk Ex: Bower et al. 2012 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 35

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Illustris (Harvard/SAO Center for Astrophysics)

Época da formação dos BNs supermassivos: junto com as galáxias, quando o Universo tinha ~1 bilhão de anos de idade (idade atual 13,7 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. 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 38

Conclusões: o paradigma da atividade nuclear Atividade nuclear é uma fase na evolução das galáxias na qual o BNS está sendo alimentado: Concepção artística BNS alimentado: galáxia ativa BNS sem alimento : não ativa Maior atividade maior taxa de acreção de matéria BNS presente no núcleo da maioria das galáxias, crescendo junto com os bojos; na maior parte do tempo estão não- ativos, por falta de alimento. Podem ocorrer várias fases de atividade durante a evolução de uma galáxia. 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 39

O Futuro do Universo: No futuro, estrelas vão evoluir e esgotar sua fonte de energia. Universo vai se tornar frio e escuro, e os últimos objetos a persistir neste Universo serão os Buracos Negros Supermassivos... 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 40

Dimensões típicas Horizonte de eventos=r Sch =2GM/c 2 M=1 massa solar: R Sch = 3 km M=10 6 massas solares: R Sch = 3 x 10 6 km = 4 R sol =10 seg.- luz M=10 9 massas solares: R Sch = 3 x 10 9 km = 20 U.A.= raio da órbita de Urano=2,5 horas- luz Raio discos de acreção: 3 x 10 9 km = 2,5 horas- luz < 1000 R Sch < 3 x 10 12 km=3 meses- luz Distância estrela mais próxima=4,2 anos- luz Diâmetro da Via- Láctea=100 000 anos- luz Distância de Andrômeda=3 milhões de anos- luz 6/16/16 Thaisa Storchi Bergmann, Explorando o Universo 2016 41