Pulsares.
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Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Astrofísica Relativística: Pulsares. Manuel Malheiro Depto. de Física- ITA Projeto Temático FAPESP 2007/03633-3 Coordenador: Jorge Horvath (IAG-USP) German Lugones (UFABC) Revista Fapesp Agosto/2011 “Os Pesos Pesados do Universo”. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Os pioneiros (1932-34) Chadwick Landau Descoberta do nêutron Possibilidade da Estrela de nêutrons Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Mecânica Quântica vs. Mecânica Clássica PV NRT Quando T 0 , P 0 (agitação térmica) Num gás ideal (Boltzmann) Mas se aumentarmos a densidade, as partículas são forçadas a ocupar estados até que o Princípio de Pauli se manifesta Este regime de degenerescência fornece pressão mesmo a T=0! Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Assim, a pressão é 2 P P 5 3 N ( não m V 4 3 relat .) 2 N ( ultrarelat m V S. Chandrasekhar .) e haverá estrutura estelar suportada por esta pressão de degenerescência desde que a gravitação comprima a matéria o suficiente (estágios finais) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Os pioneiros (~1940) Tolman Oppenheimer Volkoff • Estrelas muito densas devem curvar o próprio espaço ao seu redor – Relatividade Geral de Einstein. • Não basta a Física Newtoniana. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Estrutura estelar : a descrição de uma estrela relativística dM dr 4 r 2 dP G ( M 4 r 3 P ) (P ) 2 GM dr ) r 2 (1 2 rc Quando R 2 GM c2 esta descrição é inadequada (Raio de Schwarzschild !) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Massa de Chandrasekhar Existe um número máximo de elétrons capaz de 57 suportar a auto-gravitação. Ele é N max 10 e assim obtemos M ch N max m p 1.4 M . Esta massa não depende de (quase) nada, só de constantes fundamentais, e baliza a massa limite máxima que pode ter uma estrela suportada pela pressão de degenerescência. Massa de Tolman-Oppenheimer-Volkoff Como a pressão também é fonte de gravitação, existe uma instabilidade relativística, e assim há uma massa máxima antes do colapso a BH Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Sol e estrelas “normais” Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. A descoberta dos pulsares em 1967 Antony Hewish Jocelyn Bell Internation Astronomical Union no Rio de Janeiro (Agosto/2009) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Franco Pacini- Tommy Gold Pulsares: estrelas de nêutrons magnetizadas em rotação (vários argumentos válidos) Frequência angular de Kepler Wk = (G M/R3) ½ ~ (G ) ½ ; W < Wk Implica num raio máximo R3 < (G M/42) T 2 R < 1500 T 2/3 Km Pulsar mais rapido f = 716 voltas/s , periodo T = 1,4 mili segundos R < 18 Km Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Estrela de Neutrons N~1057 partículas M~1−2 Msol R ~ 10-12 km } ~ 1015g/cm3 B~108 .... 16 G, E ~1014-18 V/cm T~106 .... 11 K Estrelas de Neutrons ou Pulsares conhecidos ~ 1800 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Partículas escapam pelas linhas abertas Cone de emissão e.m. O campo força a co-rotação das partículas Quando rcilindro c (cilindro luz), acaba a co-rotação Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 14 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. As estrela de nêutrons gira muito rapidamente e emite radiação pulsada: PULSAR Pulsar do Caranguejo: P = 33 ms 30 voltas por segundo 15 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Período de rotação de sete pulsares 16 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Como se formam os pulsares? Os últimos segundos de uma estrela massiva são dramáticos: • Todas as reações nucleares que convertem Ferro em núcleos mais pesados são endotérmicas (não liberam calor) • O caroço de Ferro vai crescendo e ao mesmo tempo fica sem pressão: O caroço de Fe colapsa Colapso do caroço deixa camadas externas sem suporte: tambem colapsam 17 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. EXPLOSÃO DE SUPERNOVA • Quando o caroço de Fe cresce até 1.4 M☼ acontece uma transição de fase: Fe p + n • Forma-se um caroço incompressível de matéria nuclear. As camadas externas rebatem ao colidir com o caroço incompressível Enorme explosão Liberação de grande quantidade de energia gravitacional. Caroço de Fe que possuía R~12.000 km colapsa em um caroço de nêutrons (c ~ 1015 g cm-3) de R~10 km!! 18 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 19 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Estrelas de nêutrons na Astronomia atual Algumas delas se manifestam como pulsares em radio (emissão = magnetosfera), desde que o campo magnético e a rotação sejam intensos o suficiente Em binárias de raios X (emissão=acréscimo) Isoladas (emissão=superfície) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 21 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Pulsares : estrelas de nêutrons freando pela emissão eletromagnética. 22 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 23 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Pulsares : estrelas de nêutrons freando pela emissão Da equação do torque (integrar o vetor de Poynting) d( I ) KB 2 dt 3 Torque puramente eletromagnético obtemos o campo magnético em função de observáveis a idade caraterística e a luminosidade (energia emitida pelo spin-down) B 10 15 . P P G 10 10 s 10 s / s . P P τ 1,6 10 3 10 10 s 10 s / s P Lpsr 10 33 10 s 4 2 1 yr B erg/s 10 15 G Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Perda de Energia de Radiação Dipolar do Pulsar do Caranguejo Perda de Energia de Rotação do Pulsar do Caranguejo 25 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. (B) SGR-AXP SN “Normais” Milissegundo Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. O Caranguejo, Cas A e as associações PSR-SN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Fontes pontuais em SNRs Datação relativa SNR-Fonte pontual Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Mas… ~ 20 associações confirmadas ~ 1800 pulsares ~200 SNR Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Olhando mais perto… Pulsar do Crab em raios X Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Pulsar de Vela em raios X Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. O aglomerado 47 Tuc ao telescópio… Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 47 Tuc observado com o Chandra (Grindlay et al. 2001) grande número de pulsares de ms , LMXRBs, etc. que “não deveriam estar aí” Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Novidades: Magnetares Uma classe de NS que mostra emissão X muito superior a I , surtos e rotação lenta (P ~ 10 s) 20 conhecidas na galáxia (SGR-AXP) A energia é fornecida pelo campo magnético (instabilidades), não pela rotação VII EVFITA - Poster P13 de Jaziel Coelho, doutorando ITA Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Como sabemos que o B é tão intenso? . 2 PP B Catálogo da Universidade McGill de Magnetares http://www.physics.mcgill.ca/~pulsar/magnetar/main.html Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. O “ambiente” dos magnetares: remanescentes gasosos Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. E às vezes… SGR 0526 - 66 5 de Marco de 1979 10 46 erg no pico inicial 14 ~ SGR toda a1900 energia irradiada 27 Sol de Agosto de 1998 pelo em 1 milhão de anos (e em raios gama ! ! ! ! ) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Outras descobertas para Prêmio Nobel * Pulsares de milissegundo (1987) : spin-up pelo acréscimo •O pulsar de Hulse-Taylor (1974): ondas gravitacionais * O pulsar binário (2004): 2 relógios relativísticos em órbita ! Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Pulsares envolvem diversas áreas da física Equação Equaçãode de Estado Estadoeeaa Composição Composição Estelar Estelar Relatividade RelatividadeGeral Geral eeEstrutura EstruturaEstelar Estelar ESTRELAS COMPACTAS Evolução EvoluçãoTérmica Térmica da daEstrela Estrela Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Estrutura estelar : a descrição de uma estrela relativística dM dr 4 r 2 dP G ( M 4 r 3 P ) (P ) 2 GM dr ) r 2 (1 2 rc 2GM 0.3 2 Rc Um dos objetivos mais importantes é o de extrair a massa e o raio simultaneamente, para assim saber a composição Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Observações e estrutura estelar R R / nas estrelas de nêutrons a Relatividade e essencial 1 T T 1 R d 2 GM Rc 2 2 GM Rc 2 f T 4 Fluxo, distância e temperatura do pico devem ser medidos. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Σ,Λ , Ξ,Δ Diversos Modelos para o Interior da Estrela de Neutrons strange quark matter CFL 2SC, ... F. Weber, Prog. Part. Nucl. Phys. 54 (2005) 193-288 K— Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. A natureza da materia superdensa Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Estrelas “normais” ou com carocos de quarks M. Alford and S. Reddy (2002) nucl-th/0211046 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Astrofísica Relativística uma área muito ativa Novos Telescópios - Satélites Telescópio Chandra (Space Shuttle Colombia em 23/07/1999) Observações muito precisas Pulsares, Buracos negros, Planetas http://chandra.harvard.edu -Fotos Buraco Negro Supermassivo no centro da nossa galactia Sagittarius A* (6/01/2003) 45 Telescópio Fermi (Agosto/2008) = vendo o céu em raios Gamma Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 46 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. International Center for Relativistic Astrophysics Network (ICRANet) Italia (Pescara, Roma), França (Nice), Brasil (Rio, SJCampos), India, China, E.U.A., Coreia www.icranet.org Programa de Doutoramento International em Relativistic Astrophysics – IRAP Ph.D http://www.irap-phd.org/ Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. CONCLUSÕES * As NS são remanescentes (“cinzas”) estelares onde o universo experimenta com as maiores densidades, campos magnéticos, etc. e talvez os melhores laboratórios a serem explorados * Há > 10 milhões de NS na galáxia, e portanto farto material de estudo para os astrofísicos teóricos, de raios gama, X, etc. na Sequência Principal,MM 8 8MM divide as estrelas que vão produzir anãs brancas das que produzem NS através de supernovas tipo II; mas ninguém sabe se há mais processos onde as NS se formam Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. O que aprendemos em 45 anos? Precisamos de gente inteligente para resolver estes problemas!
