Buracos Negros: Grandes
Sorvedouros Cósmicos
Thaisa Storchi Bergmann
Instituto de Física, UFRGS, Brasilwww.if.ufrgs.br/~thaisa/bn www.if.ufrgs.br/astronews
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)
BURACOS NEGROS: 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: RSch=9 mm! Para o Sol: 3 km!
2
R
GMm
F
=
R
GMm
mv
esc=
2
2 2 22
c
R
GM
v
Sch esc=
=
22
c
GM
R
Sch=
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
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:
Drestruição da camada de
ozônio
(concepção artística)
2) Buracos negros de massa intermediária:
associados a aglomerados de estrelasMaillard (Nov. 2004), em imagens de ótica adaptativa com Telescópio Gemini: BN de massa 1300 MSol próximo ao centro da Via Láctea
3) Buracos
negros
supermassivos:
No centro dasgaláxias, 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
•
Quasares emitem
3.3x10
46ergs s
-1•
Em 10
8anos: 10
62ergs≡≡≡≡10
11SN’s
(energia nuclear)
•
Energia
gravitacional de
acreção:
E=0.1Mc
2M=5x10
8M
oFig BN propto massa bojo
Resultado de observações com o Telescópio Espacial Hubble: massa dos BNs supermassivos é proporcional à massa do bojo da galáxia
Como pode ocorrer
o crescimento do
bojo junto com o
do BN:
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.Jornada para um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia, começando a 50 000 anos-luz de distância, chegando no disco de
acresção que tem raio de minutos a dias-luz e acabando no horizonte de eventos:
Observação
de órbita
completa de
estrela (S2)
em torno de
Sgr A*: BN
com 2x10
6M
Sol(Genzel et
al. Out.
2002)
BN supermassivo mais próximo: no núcleo da
nossa galáxia, a Via Láctea
Imagem do núcleo da Via Láctea observada com satélite Chandra de raios-X: emissões de energia produzidas por acreção de matéria ao BN supermassivo.
Simulação do BN supermassivo no centro da Via Láctea que está quase “quieto”, mas consome frequentemente pequenas quantidades de matéria
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 rT 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
Concepção artística (Chandra, Komossa 2004) que mostra
Instrumentos utilizados para “observar” BNs
CTIO 4m Gemini 8m• 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 revstas de divulgação científica saiu: cientista captura “gritos de despedida” de uma estrela sendo engolida por um buraco negro supermassivo!
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: ⇐ ⇐ ⇐ ⇐
p
Modelling results
Dimensões
Horizonte de eventos=RSch=2GM/c2
M=1 massa solar RSch= 3 km M=106 massas solares R
Sch= 3 x 106 km = 4 Rsol=10 seg.-luz
M=109 massas solares R
Sch= 3 x 109 km = 20 U.A.= raio da órbita
de Urano=2,5 horas-luz Raio discos de acresção:
3 x 109 km = 2,5 horas-luz < 1000 R
Sch< 3 x 1012 km=3 meses-luz
Distância estrela mais próxima=4,2 anos-luz Diâmetro da Via-Láctea=100 000 anos-luz
Modelling results
Perfis modelados
Acompanhamos evolução do disco enquanto material cai para dentro do buraco negro
Modelling results
Modelo: disco com braço espiral
(Figuras: R. Nemmen)
Luminosidade do disco está mudando com o tempo, permitindo
determinar massa do BN e dimensões do disco: MBN=100 milhões de sóis; RSch=300 milhões de km=16min-luz (órbita de Marte); Raio
Observações recentes com o Gemini: sugerem que disco de acreção está sendo alimentado por braços espirais nucleares:
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;
•
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....
Equipe: Rodrigo Nemmen, Carlos Brandt, Patricia Spinelli, Rogemar Riffel, Fausto K. B. Barbosa, Ramiro D. S. Lopes, H. Fraquelli, D. Raimann
Para saber mais: www.if.ufrgs.br/astronews www.if.ufrgs.br/~thaisa/bn
!
March, 1-5, 2004, Hotel Serrano, Gramado, Brasil International Conference: www.if.ufrgs.br/bhsign/
Figure Credits: Weiss (CXC), Figer, O´Dell & Wong (HST)
Um Simpósio Internacional dedicado ao estudo de Buracos Negros Supermassivos: