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El Universo violento y oscuro
Francisco J. Carrera Troyano
Instituto de Física de Cantabria Consejo Superior de Investigaciones Científicas
y Universidad de Cantabria
Abril 2005
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X
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Índice• El espectro electromagnético• Efectos de la atmósfera• Un paseo por el Universo de rayos X:
– La Luna– El Sol– Júpiter– Estrellas binarias
• Acreción• Agujeros negros
– Galaxias “Normales”
• Galaxias Activas:– El Universo oscurecido– Formación estelar– Línea de emisión del Fe a 6.4 keV
• El Universo desde Cantabria
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El espectro electromagnético
Ondas de radio, microondas, radiaciónOndas de radio, microondas, radiación
infrarroja, radiación ultravioleta, rayos X yinfrarroja, radiación ultravioleta, rayos X y
rayos gamma son todos radiación electromagnéticarayos gamma son todos radiación electromagnética
Luz visible sólo una pequeña parte delLuz visible sólo una pequeña parte del
espectro totalespectro total
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• Cuanto mayor es la frecuencia (y menor es la longitud de onda ) mayor es la energía transportada
Energía de la radiación
Sólo procesos muy energéticos (x1000Sólo procesos muy energéticos (x1000
visible) pueden producir rayos X y Gammavisible) pueden producir rayos X y Gamma
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Procesos de emisión de rayos X
Radiación sincrotrón: e- muy energéticos (v~c) en campo magnético muy fuerte
Radiación de frenado: colisiones e- ión en gas muy caliente (T>106K ve->>)
Efecto Compton inverso: colisión e- muy energéticos (v~c) con fotones
Röntgen y la mano de su mujer (1/2 hora!)
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Líneas de Emisión ...
Fluorescencia
CXC/M.Weiss
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... y absorción
Absorción fotoeléctrica
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Información espectral
Estudiando el espectro de rayos X de Estudiando el espectro de rayos X de
los astros podemos averiguar su:los astros podemos averiguar su: temperatura: qué iones aparecentemperatura: qué iones aparecen densidad: cuántos aparecendensidad: cuántos aparecen composición: cuáles aparecencomposición: cuáles aparecen campo magnético...campo magnético...
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Efectos de la atmósferaAtmósfera no transparente a todas las longitudes de onda: hay que
situar observatorios fuera de la atmósfera
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La Luna (y el fondo)
Rayos X del Sol reflejados en la Luna
Fondo de rayos X difuso de más allá de la Luna (FRX)
Parte no iluminada
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Júpiter
S+O+
Óptico HST
Rayos X: Chandra
Rayos X del Sol reflejados en Júpiter
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Visible ~6000K
Rayos X: 10000000KRayos X: SOHO
El Sol
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Escorpio X-1
FRX
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Estrellas Binariascon transferencia de masa
• Mayor parte estrellas en sistemas múltiples
• Si hay transferencia de masa en una binaria compuesta de:– Una estrella “normal”– Un objeto compacto:
• Enanas blancas • Estrellas de neutrones • Agujeros negros
Liberación de energía por acreción
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Acreción: ¿Qué es?
Objeto Eficiencia Sol 0.0002% Reacciones Nucl. 0.7% Agujero Negro 10-40%
Caída de materia a la superficie de un astro, liberando la energía que poseía:
Eliberada~GM/RmMás cuanto más compacto
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Agujeros negros: ¿Qué son?
• Agujero negro: Superficie donde velocidad de escape = velocidad de la luz
• Radio de Schwarzschild RS=2GM/c2: nada puede escapar de ese radio.
RR vv
MM
v=v=2GM/R2GM/R
EEpotencialpotencial=E=Egravitatorigravitatori
aa
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La galaxia de Andrómeda
Óptico: estrellas “normales” Rayos X: estrellas binarias
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¿Galaxias normales?
Turner et al. (2001)
Óptico: estrellas “normales”
Rayos X: XMM-Newton
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Segundo vistazo a Andrómeda
Rayos X: ¡núcleo activo!
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Núcleos Galácticos Activos (AGN):
El modelo estándar
Chris Done (University of Durham)
• Agujero Negro supermasivo (M=106-109 Masas Solares)
• Disco de acreción (T>105K)
• Chorro de e- muy energéticos colimados por el disco (~10%)
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El cielo profundo
HST Óptico: estrellas XMM Rayos X: agujeros negros
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La línea de fluorescencia del Fe (a 6.4 keV)
• Línea de emisión muy ancha (v>>, r<<)
• Los rayos X pierden energía para poder escapar del potencial gravitatorio del agujero negro
Confirmación del Confirmación del
corrimiento al rojo gravitatoriocorrimiento al rojo gravitatorio
predicho por la predicho por la RelatividadRelatividad
GeneralGeneral de Einstein de Einstein
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AGN como fuentes del FRX
• AGN abundantes y brillantes, pero espectro FRX
• Se puede reproducir el espectro del FRX con AGN absorbidos/no absorbidos (3/1)
• AGN producen la mayor parte (~90%) del FRX
• La mayoría (~90%) de los AGN que producen el FRX presentan absorción (y están sin detectar)
• Los AGN son fuentes brillantes en rayos X
Gilli et al 2000
La mayoría de los AGN presentan absorción y están sin detectar
Los rayos X duros son la forma más eficiente de detectar la población dominante de AGN
(algunos sólo en esa banda -y submm-)
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AGN y formación de galaxias
12 7 6 5 4 3 (Giga-años)
tiempo
• La mayor parte de las galaxias cercanas tienen un agujero negro supermasivo
• La masa del agujero negro y la masa de la componente más vieja de las galaxias están relacionadas
• La evolución de la formación de estrellas (~formación de galaxias) y de la emisión de rayos X (~crecimiento del agujero negro) son similares
Los rayos X también dan información sobre el proceso de
formación de galaxias “normales”
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Astronomía de rayos X
La astronomía de rayos X estudia los fenómenos más energéticos del Universo
• La mayor parte de la radiación emitida por acreción en el Universo es absorbida
La formación de los núcleos activos está probablemente ligada a la formación de galaxias
• Los rayos X más energéticos permiten observar estos procesos casi en exclusiva
• Desde Cantabria se puede trabajar en todos estos temas: el Grupo de Astronomía de rayos X del IFCA