lo mas grande, cosmología: agujeros negros

AGUJEROS NEGROS¿Qué son?

¿Dónde están?

Francisco Diego MazzitelliDepartamento de FísicaFCEyN-UBA

ESTRELLAS NEGRASESTRELLAS NEGRAS

Velocidad deescape

Velocidad de escapemayor que la velocidadde 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 mostraronque la luz tiene carácter ondulatorio

vescape 2GM

R

La fuerza de gravedad cambia la trayectoria de la luz?

Teoría de la Relatividad General (1915)

Ascensor acelerado hacia arriba, en ausencia de gravedad

Ascensor quieto, en presencia de gravedad hacia abajo

DE ACUERDO AL PRINCIPIO DE EQUIVALENCIA, LAGRAVEDAD MODIFICA LA TRAYECTORIA DE LA LUZ

DEFLEXIÓN DE LA LUZ POR EL SOL

SOL

Estrella lejana(posicion real)

Estrella lejanaPosicion aparente

Tierra

Primera confirmación (durante un eclipse): Eddington 1919

LENTES GRAVITACIONALES

Objetomuy masivo

Estrella lejana(posicion real)

Estrella lejanaPosicion aparente

Tierra

Estrella lejanasegunda imagen

Hubble space telescope

Hubble space telescope

Hubble space telescope. Lente gravitacional: Abell 2218

La relatividad también predice la existencia de objetosque no dejan escapar nada, ni siquiera la luz …

Son algo más complicados que las estrellas negras de Michell y Laplace

Karl Schwarzschild 1916

t

RHorizonte 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 LASOLUCIÓN DE SCHWARZSCHILD NINGÚN OBJETO QUESE ENCUENTRE A UNA DISTANCIA MENOR QUE CIERTOVALOR CRÍTICO PUEDE ESCAPAR HORIZONTE

LEJOS DEL HORIZONTE DE EVENTOS, EL CAMPO GRAVITACIONAL DEL AGUJERO NEGRO ES INDISTINGUIBLEDEL DE UNA ESTRELLA DE SU MISMA MASA (contrariamente alo que usualmente aparece en cuentos y películas de ciencia ficción)

Existen?

Podemos verlos ?

1. 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 Msol gravedad vs principio de exclusión de Pauli entre electrones (enana blanca)

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

Si M > 3 Msol 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 propiopeso 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 objetoy el hecho que tanto la emisión X como la visible varían muyrápidamente, 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

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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 seconoce la inclinación de la órbita)

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

Ghez et al 2002

Descubrimiento de una estrella orbitando alrededor deSgrA, en el centro de la vía láctea (2002)

Período: 15,2 añosEccentricidad: 0,87Velocidad típica: 6 000 Km/seg

Ghez et al 2002

Chandra X-Ray Obs (2001)

El agujero negro se traga un bocado de materia y emite rayos X

El más cercano V4641:

Masa: entre 3 y 10 MsolDistancia 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

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 lasexplicaciones 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/