Lo mas grande, Cosmología: Agujeros Negros

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Information about Lo mas grande, Cosmología: Agujeros Negros

Published on July 5, 2007

Author: mayrabotta

Source: slideshare.net

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Ponencia de Francisco Diego Mazzitelli para la charla de actualización docente organizada por educ.ar, en el marco del proyecto Par@ educ.ar - Aportes para la Enseñanza en el Nivel Medio.

AGUJEROS NEGROS ¿Qué son? ¿Dónde están? Francisco Diego Mazzitelli Departamento de Física FCEyN-UBA

ESTRELLAS NEGRAS Velocidad de escape Velocidad de escape mayor que la velocidad de la luz “ estrella negra” Michell 1783, Laplace 1795

Velocidad de escape: Tierra: 11Km/seg Sol: 600 Km/seg Michell supuso que la luz esta compuesta por partículas , y que el campo gravitatorio las afecta. Laplace supuso lo mismo………pero borró a las estrellas negras en la tercera edición de su libro, cuando se hicieron experimentos que mostraron que la luz tiene carácter ondulatorio

La fuerza de gravedad cambia la trayectoria de la luz? Teoría de la Relatividad General (1915)

Ascensor quieto, en presencia de gravedad hacia abajo DE ACUERDO AL PRINCIPIO DE EQUIVALENCIA, LA GRAVEDAD MODIFICA LA TRAYECTORIA DE LA LUZ Ascensor acelerado hacia arriba, en ausencia de gravedad

DEFLEXIÓN DE LA LUZ POR EL SOL SOL Estrella lejana (posicion real) Estrella lejana Posicion aparente Tierra Primera confirmación (durante un eclipse): Eddington 1919

LENTES GRAVITACIONALES Objeto muy masivo Estrella lejana (posicion real) Estrella lejana Posicion aparente Tierra Estrella lejana segunda imagen

Hubble space telescope

Hubble space telescope

 

Hubble space telescope. Lente gravitacional: Abell 2218

La relatividad también predice la existencia de objetos que no dejan escapar nada, ni siquiera la luz … Son algo más complicados que las estrellas negras de Michell y Laplace

t R Horizonte de eventos singularidad Superficie de una estrella que colapsa

En la década del 60 esas soluciones fueron bautizadas como AGUJEROS NEGROS por J.A. Wheeler A DIFERENCIA DE LAS ESTRELLAS NEGRAS , EN LA SOLUCIÓN DE SCHWARZSCHILD NINGÚN OBJETO QUE SE ENCUENTRE A UNA DISTANCIA MENOR QUE CIERTO VALOR CRÍTICO PUEDE ESCAPAR  HORIZONTE LEJOS DEL HORIZONTE DE EVENTOS, EL CAMPO GRAVITACIONAL DEL AGUJERO NEGRO ES INDISTINGUIBLE DEL DE UNA ESTRELLA DE SU MISMA MASA (contrariamente a lo que usualmente aparece en cuentos y películas de ciencia ficción)

Existen? Podemos verlos ? Agujeros negros en sistemas binarios 2. Agujeros negros supermasivos en los centros de algunas galaxias

Agujeros negros en sistemas binarios

2. Agujeros negros supermasivos en los centros de algunas galaxias

EQUILIBRIO ESTELAR Si la estrella emite luz visible: gravedad vs presión Si se acaba el “combustible nuclear”, hay varias posibilidades: Cuando M < 1.44 M sol gravedad vs principio de exclusión de Pauli entre electrones (enana blanca) Cuando 1.44 M sol < M < 3 M sol gravedad vs principio de exclusión de Pauli entre neutrones (estrella de neutrones) Si M > 3 M sol ningún mecanismo físico conocido puede impedir el colapso gravitacional y la formación de un agujero negro

EQUILIBRIO ESTELAR

Si la estrella emite luz visible: gravedad vs presión

Si se acaba el “combustible nuclear”, hay varias posibilidades:

Cuando M < 1.44 M sol gravedad vs principio de exclusión de Pauli entre electrones (enana blanca)

Cuando 1.44 M sol < M < 3 M sol gravedad vs principio de exclusión de Pauli entre neutrones (estrella de neutrones)

Si M > 3 M sol ningún mecanismo físico conocido puede impedir el colapso gravitacional y la formación de un agujero negro

Sistema binario Rayos X Luz visible http://imagine.gsfc.nasa.gov /

Un sistema binario puede contener un agujero negro si: La estrella visible es de intensidad variable El objeto NO visible emite rayos X La masa del objeto no visible mayor que 3 masas solares (teóricamente, una estrella así no puede soportar su propio peso al “apagarse” y colapsa formando un agujero negro, típicamente como remanente de una supernova )

Un sistema binario puede contener un agujero negro si:



La estrella visible es de intensidad variable

El objeto NO visible emite rayos X

La masa del objeto no visible mayor que 3 masas solares

(teóricamente, una estrella así no puede soportar su propio

peso al “apagarse” y colapsa formando un agujero negro,

típicamente como remanente de una supernova )

El primero: Cygnus X1 Masa entre 6 y 10 Msol

EL CANDIDATO CYGNUS X-1: Cygnus X-1 es un sistema binario emisor de rayos X descubierto en 1962. El objeto visible THDE226868 es una estrella azul supergigante de magnitud 9, cuya velocidad radial muestra una periodicidad de 5.6 dias. La potente emisión X del objeto y el hecho que tanto la emisión X como la visible varían muy rápidamente, sugieren la presencia de un agujero negro. La masa de la compañera se estima en 6 masas solares. http://www.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/cygx1.htm

Determinar la masa obviamente no es fácil! Efecto Doppler  velocidad radial  período  función de masa La masa de la estrella visible puede estimarse por su espectro, y con ese dato obtener cotas para la masa del objeto no visible (ya que no se conoce la inclinación de la órbita)

 

El más grande de la galaxia: Sgr A M = 3 000 000 Msol

Ghez et al 2002

Descubrimiento de una estrella orbitando alrededor de SgrA, en el centro de la vía láctea (2002) Período: 15,2 años Eccentricidad: 0,87 Velocidad típica: 6 000 Km/seg Ghez et al 2002

El agujero negro se traga un bocado de materia y emite rayos X Chandra X-Ray Obs (2001)

El más cercano V4641: Masa: entre 3 y 10 Msol Distancia a la Tierra: 1500 años luz 16 y 17 de setiembre de 1999 http://apod.nasa.gov/apod/ap000117.html

Apuesta entre Hawking y Thorne (1974) Del libro “Black holes and Time Warps, K. Thorne

OTROS CANDIDATOS 2001-2003, 2004 by Wm. Robert Johnston Hasta 20 masas solares Entre 100 y 100 000 masas solares Más de 1 000 000 de masas solares www.johnstonsarchive.net

Relevamiento de sistemas binarios que emiten rayos X y de galaxias con núcleos activos. NASA – Satélite SWIFT - 2006 Se ven unos 200 candidatos a agujeros negros supermasivos “cercanos” (a menos de 400 millones de años luz de distancia)

Si surge el tema en el aula: Principales conceptos necesarios: Interacción gravitacional (newtoniana!) Velocidad de escape Existencia de una velocidad límite en la naturaleza Para fijar ideas: Cálculo de velocidades de escape (lo importante no es la masa sino M/R !!) Cálculo de la masa de un agujero negro a partir de datos de las órbitas de estrellas que giran a su alrededor (en casos simplificados de órbitas circulares) Cálculo de las “fuerzas de marea” en las cercanías de una estrella de neutrones

Si surge el tema en el aula:

Principales conceptos necesarios:

Interacción gravitacional (newtoniana!)

Velocidad de escape

Existencia de una velocidad límite en la naturaleza

Para fijar ideas:

Cálculo de velocidades de escape (lo importante no es la masa

sino M/R !!)

Cálculo de la masa de un agujero negro a partir de datos de las órbitas de estrellas que giran a su alrededor (en casos

simplificados de órbitas circulares)

Cálculo de las “fuerzas de marea” en las cercanías de una estrella de neutrones

Además de ser un tema de actualidad por su relevancia académica, es un excelente ejemplo concreto para discutir la importancia de combinar observaciones y modelos teóricos para avanzar en la comprensión de los fenómenos naturales. También ilustra el carácter provisorio de las explicaciones de dichos fenómenos. SITIOS MUY RECOMENDABLES (en inglés): http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/teachers/blackholes/blackholes.html http:// hubblesite.org / explore_astronomy / black_holes /

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