Buracos Negros: Grandes Sorvedouros Cósmicos

Buracos Negros: Grandes
Sorvedouros Cósmicos
Thaisa Storchi Bergmann
Instituto de Física, UFRGS, Brasil
www.if.ufrgs.br/~thaisa/bn
www.if.ufrgs.br/astronews
Illust. credit: CXC/A. Hobart
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
BURACOS NEGROS: O QUE SÃO
• Força gravitacional:
GMm
F=
R2
• Velocidade de escape:
vesc
•
2
2GM
=
= c2
RSch
Raio de Schwarschild:
mvesc 2 GMm
=
2
R
RSch =
2GM
c
2
• 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!
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 estrelas
Maillard (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 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
Porque BN’s são necessários?
• Quasares emitem
3.3x1046 ergs s-1
• Em 108 anos: 1062
ergs≡
≡1011 SN’s
(energia nuclear)
• Energia
gravitacional de
acreção:
E=0.1Mc2
M=5x108Mo
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
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:
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 2x106
MSol
(Genzel et
al. Out.
2002)
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
captura e destruição de uma estrela
Instrumentos utilizados para “observar” BNs
CTIO 4m
Gemini 8m
Telescópios Espaciais
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 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)
Efeito Doppler:
Fonte se aproxima
Observador
⇐
Fonte se afasta
Dimensões
Modelling
results
p
Horizonte de eventos=RSch=2GM/c2
M=1 massa solar
RSch= 3 km
M=106 massas solares
RSch= 3 x 106 km = 4 Rsol=10 seg.-luz
M=109 massas solares RSch= 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 RSch< 3 x 1012 km=3 meses-luz
Distância estrela mais próxima=4,2 anos-luz
Diâmetro da Via-Láctea=100 000 anos-luz
Distância de Andrômeda=2,2 milhões de anos-luz
Perfis modelados
Modelling results
Acompanhamos evolução do disco enquanto material cai
para dentro do buraco negro
Modelo:
disco com results
braço espiral
Modelling
(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
médio do disco=11 dias-luz
Observações recentes com o Gemini: sugerem que disco de
acreção está sendo alimentado por braços espirais nucleares:
Braços espirais nucleares alimentando disco de acreção:
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
Um Simpósio
Internacional
dedicado ao
estudo de
Buracos Negros
Supermassivos:
!
March, 1-5, 2004, Hotel Serrano, Gramado, Brasil
International Conference: www.if.ufrgs.br/bhsign/
Figure Credits: Weiss (CXC), Figer, O´Dell & Wong (HST)
Futuro: Novo Telescópio Espacial (2012):
James Webb Space Telescope
Espelho de 6m e blindagem do Sol; órbita no ponto de Lagrange L2
Giant (30m) Segmented Mirror Telescope
(NOAO & Gemini)