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Buracos Negros: Grandes Sorvedouros Cósmicos

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Academic year: 2021

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Buracos Negros: Grandes

Sorvedouros Cósmicos

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 no núcleo de galáxias ( e

uma viagem até uma galáxia próxima)

(3)

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 2

2

c

R

GM

v

Sch esc

=

=

2

2

c

GM

R

Sch

=

(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

(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:

(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 MSol 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: Centaurus A: imagem composta Perspectiva: Viagem ao Aglomerado de galáxias de Virgem

(9)

Quasares emitem

3.3x10

46

ergs s

-1

Em 10

8

anos: 10

62

ergs≡≡≡≡10

11

SN’s

(energia nuclear)

Energia

gravitacional de

acreção:

E=0.1Mc

2

M=5x10

8

M

o

(10)

Fig BN propto massa bojo

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

(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.

(13)

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:

(14)

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

(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 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

(18)

Concepção artística (Chandra, Komossa 2004) que mostra

(19)

Instrumentos utilizados para “observar” BNs

CTIO 4m Gemini 8m

(20)
(21)

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!

(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. Interpretação: Disco de gás girando a alta velocidade (~10000 km/s) Fonte se aproxima Observador Fonte se afasta Efeito Doppler: ⇐ ⇐ ⇐ ⇐

(23)

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

(24)

Modelling results

Perfis modelados

Acompanhamos evolução do disco enquanto material cai para dentro do buraco negro

(25)

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

(26)

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

(27)
(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: www.if.ufrgs.br/astronews www.if.ufrgs.br/~thaisa/bn

(31)

!

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:

(32)

Futuro: Novo Telescópio Espacial (2012):

James Webb Space Telescope

(33)

Giant (30m) Segmented Mirror Telescope

(NOAO & Gemini)

Referências

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