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

X

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

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

• 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

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!)

Líneas de Emisión ...

Fluorescencia

CXC/M.Weiss

... y absorción

Absorción fotoeléctrica

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...

Efectos de la atmósferaAtmósfera no transparente a todas las longitudes de onda: hay que

situar observatorios fuera de la atmósfera

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

Júpiter

S+O+

Óptico HST

Rayos X: Chandra

Rayos X del Sol reflejados en Júpiter

Visible ~6000K

Rayos X: 10000000KRayos X: SOHO

El Sol

Escorpio X-1

FRX

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

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

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

La galaxia de Andrómeda

Óptico: estrellas “normales” Rayos X: estrellas binarias

¿Galaxias normales?

Turner et al. (2001)

Óptico: estrellas “normales”

Rayos X: XMM-Newton

Segundo vistazo a Andrómeda

Rayos X: ¡núcleo activo!

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%)

El cielo profundo

HST Óptico: estrellas XMM Rayos X: agujeros negros

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

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-)

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”

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