Galáxias Ativas e Buracos Negros Supermassivos

(1)

Galáxias Ativas e Buracos Negros

Supermassivos

Thaisa Storchi Bergmann

Instituto de Física, UFRGS, Brasil

www.if.ufrgs.br/~thaisa/bn

www.if.ufrgs.br/astronews

(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:

• Raio de Schwarschild:

• 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!

• Para o BN no centro da Via Láctea: 3x10

6

_{km=4 R}

Sol 2

R

GMm

F

=

R

GMm

mv

esc

=

2

2 2 2

2 _c

R

GM

v

Sch esc

=

2

2 c

GM

R

Sch

=

(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)

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

(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)

• Quasares emitem

3.3x10

46

_{ergs s}

-1

• Em 10

8

_{anos: 10}

62

ergs≡≡≡≡10

11

_SN’s

(energia nuclear)

• Precisaríamos a

energia da explosão

de todas as estrelas

de uma galáxia

como supernovas:

isto não se observa!

(10)

p

Modelling results

A Energia dos Núcleos Ativos de Galáxias (AGN)

• 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

2

_{=6.3××××10}

18

_{ergs para m=1g; numa}

estrela, fusão nuclear ocorre com 10% da massa; 10

62

_{ergs= 6.3×××× 10}

18

ergs/g×××× 0.1 ×××× 2××××10

33

_{g/estrela ×××× 10}

11

_estrelas

• Energia gravitacional

E

_G

=GMm/R; para m=1g:

E

_G

(Sol)=2x10

15

_{ergs; E}

G

(Anã branca)=10

17

ergs;

Mas para objetos compactos (Estrela de nêutrons ou BN):

E

_G

(BN)=10

20

_ergs/g;

(11)

p

2 2 2 10 5 10 0.1 G Sch G G GMm E R GM GMm R R E c c GM E mc = = = → = = → 2 2 2 10 5 10 0.1 G Sch G G GMm E R GM GMm R R E c c GM E mc = = = → = = → 2 2 2 10 5 10 0.1 G Sch G G GMm E R GM GMm R R E c c GM E mc = = = → = = →

Modelling results

A Energia dos Núcleos Ativos de Galáxias (AGN)

• Energia nuclear

• Energia

gravitacional

• Luminosidade (potência) dos AGNs:

2 2 2

10

5

10

0.1

G Sch G G

GMm

E

R

GM

GMm

R

E

c

GM

E

mc

ε

=

→

=

→ =

2 2

0.007

N

E

=

mc

=

ε

mc

→ =

ε

2

0.1 dE

dm

L

c

dt

(12)

p

2 2 2 10 5 10 0.1 G Sch G G GMm E R GM GMm R R E c c GM E mc = = = → = = → 2 2 2 10 5 10 0.1 G Sch G G GMm E R GM GMm R R E c c GM E mc = = = → = = → 2 2 2 10 5 10 0.1 G Sch G G GMm E R GM GMm R R E c c GM E mc = = = → = = →

Modelling results

Paradigma atual dos Núcleos Ativos de Galáxias (AGN)

• Luminosidade dos AGNs:

transformação da taxa de energia potencial

da matéria acretada em potência radiativa e jatos

(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)

(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:

onde M=massa do BN; v=velocidade da massa de prova m;

R=raio de sua órbita.

G

Rv

M

R

GMm

mv

U

T

0

2 2

2 +

=

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 (2000) e Gebhardt et al. (2000) encontraram que massa do BN é proporcional à massa do bojo sempre que há bojo há BNSM!

Tremaine et al. (2002):

log _M =8.13(±0.06)+4.02(±0.32)log ₂₀₀⋅_km⋅_s−1

M

sol

(18)

Fig BN propto massa bojo

Resultado de observações com o Telescópio Espacial Hubble: massa dos

(19)

Observação

de órbita

completa de

estrela (S2)

em torno de

Sgr A*: BN

com 2x10

6

M

_Sol

(Genzel et al.

Out. 2002)

BN supermassivo mais próximo: no núcleo da

nossa galáxia, a Via Láctea

(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 10.000 anos

(22)

Instrumentos utilizados para “observar” BNs

(23)

• _{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 10 000 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.

Interpretação:

Disco de gás girando a alta velocidade (~10000 km/s) Fonte se aproxima Observador Fonte se afasta

Efeito Doppler:

⇐

(25)

• _{Storchi-Bergmann et al. 1993, 1995, 1997, 2003; Nemmen et al.}

2006: 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:

(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

2) Feedback:

mass outflow in the Narrow-Line Region (NLR); always observed!

• Instruments: GMOS & GNIRS IFUs, NIFS

• Collaborators: Barbosa, Riffel, Lopes,

(28)

Feeding: Motivation

• AGN paradigm: Nuclear activity phase in galaxy evolution triggered by mass accretion to the nuclear supermassive blackhole (SMBH)

(Ferrarese & Merrit 2000; Tremaine 2002; Marconi & Hunt 2003, Peterson & collabs. 2000-2007)).

• Origin of fuel and nature of triggering mechanism: two of the main unsolved questions in AGN research (Martini 2004)

• Theory: (1) galaxy interactions can send gas inwards to trigger the activity (Hernquist 1989; Barnes & Hernquist 1992); (2) 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 2000; Maciejewski 2004)

(29)

Signatures of feeding: morphology:

Simões Lopes, Storchi-Bergmann, Martini 2007:

Structure maps for 34 early-type galaxies pairs (T<0)

(30)

Lopes et al. 2007: Results for 34 early-type pairs:

• Dust structures in inner kpc

much more frequent in active than in non-active galaxies (100% vs 27%): feeding material on its way in?

• Other works: Van Dokkum & Franx 1995, Pogge & Martini, 2002; Martini et al. 2003, Xilouris & Papadakis 2002, Ferrarese et al. 2006, Lauer et al. 2005

(31)

• 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, 2006-2007: proposed GMOS IFU observations to look for streaming motions along nuclear spirals in AGN hosts. Sample extracted from Simões Lopes et al. 2007 (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)

• Luminous (M_B=-21.2) SBb galaxy at 17 Mpc with nuclear ring (700 pc); LLAGN with

double-peaked Balmer lines (Storchi-Bergmann et al. 1993-2003)

• HST ACS FR656N images of inner 500 pc: gas/dust filaments (Prieto et al. 2005; Fathi et al. 2006)

NGC 1097

(33)

Results:

(1) Distorted rotation:

residuals relative to circular rotation of ~50 km/s

delineate spiral arms (dots); (2) redshifts in the near side, blueshifts in the far side

streaming motions along spiral arms towards the

nucleus Fathi et al. 2006: Gemini IFU GMOS spectra of

H region covering 7″×15″(3 fields; 3000 spectra)

N ea r s_id e Fa r s_id e

(34)

NGC6951

• Galaxy

• SABbc galaxy at 24 Mpc with LLAGN (LINER/Sy 2) , with star-forming ring at ~ 500 pc from nucleus • Has radio, CO and HCN emission

IF

U

fie

ld

s

Str

uc

tu

re

m

ap

s

ho

w

s

nu

cle

ar

sp

ira

ls

(35)

Storchi-Bergmann et al. 2007

:

NGC6951 kinematics

• Streaming motions along nuclear spirals • Plus: outflow produced by radio jet

(Saikia et al. 2002) Nea r sid e Far s ide

(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