Hodně hustý RENTGEN ( extr émní hvězdy )

1. Hodně hustý RENTGEN (extrémní hvězdy) Gabriel Török UF FPF SU Opava, www.physics.cz

2. 1. Otázka a odpověď (ilustrace vědecké metody) OTÁZKA: Kolik andělů se vejde na špičku jehly ?

3. 1. Otázka a odpověď (ilustrace vědecké metody) OTÁZKA: Kolik andělů se vejde na špičku jehly ? Záleží na velikosti andělů a na velikosti jehly…. Při zanedbání efektů kvantové mechaniky a dobré znalosti morfologie andělů se jedná o triviální výpočet.

4. Vesmírný Rentgen G. Török UF FPF SU Opava www.physics.cz

5. 1. Otázka OTÁZKA: Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky ?

6. 1. Otázka OTÁZKA: Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky ? V =4/3 p (0.003m)3 = 10-7 m3 ~ 0.006m ~ 3m tzv. kanonický špendlík ~ 0.06m ~ 4m M~ 5000 kg

7. 1. Otázka Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky => Jiná OTÁZKA: Jak moc lze stlačit slona V =10-7 m3 ~ 0.006m ? M~ 8000 kg tzv. kanonický špendlík ~ 0.06m

8. 2. „Mrtvé“ hvězdy (Jak moc lze stlačit slona ) V závěrečné fázi vývoje „pravé“hvězdy (tj. takové, u níž mírnou převahu gravitačních sil nad odpudivými kompenzují termonukleární reakce - dále TR) dochází k vyhasínání TR díky spotřebování paliva.

9. 2. „Mrtvé“ hvězdy (Jak moc lze stlačit slona ) V závěrečné fázi vývoje „pravé“ hvězdy (tj. takové, u níž mírnou převahu gravitačních sil nad odpudivými kompenzují termonukleární reakce - dále TR) dochází k vyhasínání TR díky spotřebování paliva. Důsledkem narušení rovnováhy je gravitační kolaps a případnáexploze supernovy. Movie:nasa.gov

10. 2. „Mrtvé“ hvězdy (Jak moc lze stlačit slona ) Supernova z r. 1987 NASA Předa po…

11. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru V závěrečné fázi vývoje pravé hvězdy (tj. takové, u níž mírnou převahu gravitačních sil nad odpudivými kompenzují termonukleární reakce - dále TR) dochází k vyhasínání TR díky spotřebování paliva. Důsledkem narušení rovnováhy je gravitační kolaps. V závislosti na počáteční konfiguraci vznikne bílý trpaslík, neutronová či kvarková hvězda, nebo černá díra (NS, QS, BH): 106- WD vzniká relativně klidnou degenerací. Geneze NS, QS a BH probíhá jako výbuch supernovy.

12. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru V závěrečné fázi vývoje pravé hvězdy (tj. takové, u níž mírnou převahu gravitačních sil nad odpudivými kompenzují termonukleární reakce - dále TR) dochází k vyhasínání TR díky spotřebování paliva. Důsledkem narušení rovnováhy je gravitační kolaps. V závislosti na počáteční konfiguraci vznikne bílý trpaslík, neutronová či kvarková hvězda, nebo černá díra (NS, QS, BH): 106- WD vzniká relativně klidnou degenerací.

13. 2. „Mrtvé“ hvězdy – Vlastnosti a struktura bílého trpaslíka Vlastnosti a struktura bílého trpaslíka • Rokolo 103 - 104 km (srovnatelné se Zemí, cca 1/100 oprotiSlunci) • hmotnostsrovnatelná se Sluncem (které má zhruba hustotu vody, tj. 1000kgm-3) • > hustota cca(100x100x100)x1000 = 109kgm-3 (106gcm-3), centrální hustota až 1011kgm-3 V*886 Cen „Like other white dwarfs, Lucy is composed mostly of carbon and oxygen created by the past thermonuclear fusion of helium nuclei.“ Fig:nasa.gov, spacetoday.org

14. 2. „Mrtvé“ hvězdy – Vlastnosti a struktura bílého trpaslíka • R okolo 103 - 104 km (srovnatelné se Zemí, cca 1/100 oprotiSlunci) • hmotnostsrovnatelná se Sluncem (které má zhruba hustotu vody, tj. 1000kgm-3) • > hustota cca(100x100x100)x1000 = 109kgm-3 (106gcm-3), centrální hustota až 1011kgm-3 V*886 Cen hmotnost slona / objem špendlíkové hlavičky = cca 5x103kg / cca 10-7m-3 = 5x1010 kgm-3 1 Bílý trpaslík je tedy „obrovský diamant“ o hustotě asi

15. 2. „Mrtvé“ hvězdy – Vlastnosti a struktura bílého trpaslíka • R okolo 103 - 104 km (srovnatelné se Zemí, cca 1/100 oprotiSlunci) • hmotnostsrovnatelná se Sluncem (které má zhruba hustotu vody, tj. 1000kgm-3) • > hustota cca(100x100x100)x1000 = 109kgm-3 (106gcm-3), centrální hustota až 1011kgm-3 V*886 Cen hmotnost slona / objem špendlíkové hlavičky = cca 5x103kg / cca 10-7m-3 = 5x1010 kgm-3 1EpPH Bílý trpaslík je tedy „obrovský diamant“ o hustotě asi

16. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru V závěrečné fázi vývoje pravé hvězdy (tj. takové, u níž mírnou převahu gravitačních sil nad odpudivými kompenzují termonukleární reakce - dále TR) dochází k vyhasínání TR díky spotřebování paliva. Důsledkem narušení rovnováhy je gravitační kolaps. V závislosti na počáteční konfiguraci vznikne bílý trpaslík, neutronová či kvarková hvězda, nebo černá díra (NS, QS, BH): 106-

17. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru V závěrečné fázi vývoje pravé hvězdy (tj. takové, u níž mírnou převahu gravitačních sil nad odpudivými kompenzují termonukleární reakce - dále TR) dochází k vyhasínání TR díky spotřebování paliva. Důsledkem narušení rovnováhy je gravitační kolaps. V závislosti na počáteční konfiguraci vznikne bílý trpaslík, neutronová či kvarková hvězda, nebo černá díra (NS, QS, BH): Geneze NS a QSprobíhá jako výbuch supernovy. Exploze původního objektu vel- kého řádově stovky tisíc km zanechá cca 10km těleso. 106- Fig:nasa.gov

18. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru Vlastnosti a struktura neutronové hvězdy Hustotacca 0.01 až 106

19. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru V závěrečné fázi vývoje pravé hvězdy (tj. takové, u níž mírnou převahu gravitačních sil nad odpudivými kompenzují termonukleární reakce - dále TR) dochází k vyhasínání TR díky spotřebování paliva. Důsledkem narušení rovnováhy je gravitační kolaps. V závislosti na počáteční konfiguraci vznikne bílý trpaslík, neutronová či kvarková hvězda, nebo černá díra (NS, QS, BH): Geneze NS aQS probíhá jako výbuch supernovy. Exploze původního objektu vel- kého řádově stovky tisíc km zanechá cca 10km těleso. 106- Fig:nasa.gov

20. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru V závěrečné fázi vývoje pravé hvězdy (tj. takové, u níž mírnou převahu gravitačních sil nad odpudivými kompenzují termonukleární reakce - dále TR) dochází k vyhasínání TR díky spotřebování paliva. Důsledkem narušení rovnováhy je gravitační kolaps. V závislosti na počáteční konfiguraci vznikne bílý trpaslík, neutronová či kvarková hvězda, nebo černá díra (NS, QS, BH): Geneze NSa QS probíhá jako výbuch supernovy. Exploze původního objektu vel- kého řádově stovky tisíc km zanechá cca 10km těleso. 106- Fig:nasa.gov

21. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru Vlastnosti a struktura podivné (kvarkové) hvězdy Hustota až 108

22. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru V závěrečné fázi vývoje pravé hvězdy (tj. takové, u níž mírnou převahu gravitačních sil nad odpudivými kompenzují termonukleární reakce - dále TR) dochází k vyhasínání TR díky spotřebování paliva. Důsledkem narušení rovnováhy je gravitační kolaps. V závislosti na počáteční konfiguraci vznikne bílý trpaslík, neutronová či kvarková hvězda, nebo černá díra (NS, QS, BH): Geneze NS aQS probíhá jako výbuch supernovy. Exploze původního objektu vel- kého řádově stovky tisíc km zanechá cca 10km těleso. 106- Fig:nasa.gov

23. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru V závěrečné fázi vývoje pravé hvězdy (tj. takové, u níž mírnou převahu gravitačních sil nad odpudivými kompenzují termonukleární reakce - dále TR) dochází k vyhasínání TR díky spotřebování paliva. Důsledkem narušení rovnováhy je gravitační kolaps. Po výbuchu zůstane v závislosti na počáteční konfiguraci bílý trpaslík, neutronová či kvarková hvězda, nebo černá díra (NS, QS, BH): 106- • Stelární BH (např. GRS 1915+105, cca 10Msun) • Středněhmotné BH • Supermasivní BH (např. BH v Andromedě, cca 10^8Msun) • (BH v centruGalaxie, Sgr A*, cca 5x10^6 Msun) • Primordiální BH Fig:nasa.gov

24. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru 106- Struktura černé díry Blackhole

25. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru 106- Struktura černé díry Blackhole Singularita Horizont (nerotující BH)

26. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru 106- Struktura černé díry Blackhole Vs~ 4/3 p (2.95km)3 x ( )3 Hustota Horizont

27. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru Blackhole Vs~ 4/3 p (2.95km)3 x ( )3 Horizont Černá díra může mít libovolnou „efektivní hustotu“…. (přičemž její „centrální hustota“ je nekonečná) „If one accumulates matter at a density of the density of water up to about 150 000 000 times the mass of the Sun, such an accumulation will fall inside its own Schwarzschild radius, forming thus a supermassive black hole. „

28. 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky ? ~ 0.006m M= rs(c2/ 2G) = 0.003x 1.5 x 1027 kg kanonický špendlík ! = 5 x 1024 kg 5000 kg = 1021

29. 3. Mrtvé a žhavé vs. Einstein Limita slabého pole Einsteinovy teorie již byla ověřena pravděpodobně mnohem lépe něž jakákoliv jiná teorie. Nejzajímavější předpovědi Einsteinovy teorie nemají co do činění se slabým polem, nýbrž s režimem extrémně silného pole, jenž díky omezeným technický možnostem dosud nebyl příliš ověřován. Základní otázka: "Měl Einstein pravdu?" zůstává nezodpovězena. Observace binárních systémů kompaktních objektů nabízí nové možnosti…

30. 3. Mrtvé a žhavé vs. Einstein Testování supersilné gravitace nelze provádět v pozemských laboratořích. Centrální oblasti černých děr a neutronových hvězd mají pro takové testy dostatečně silnou gravitaci, současné přístroje je ovšem nemohou prostorově rozlišit. Akreční disky vznikající za vhodných podmínek v jejich okolí nicméně přeci jen poskytují energii pro záření pozorovatelné prostřednictvím pozemských, především však pak satelitních detektorů. Movie:nasa.gov

31. 3. Mrtvé a žhavé (Binární systémy kompaktních objektů) • Artists view of LMXBs • “as seen from a hypothetical planet” • Compact object: • -black hole or neutron star • Accretion disc: • Keplerianang. momentum distribution (or >) • highest velocities in percents of light speed • disipation and angular momentum transfer • release of gravitational energy (up ~0.5M!) • temperature of the disc inner part • reaches milions of Kelvins • >90% of radiation in X-ray • large flux (accretion), even super-Eddington • (units—tens of keV) • Companion: • density comparable to the Sun • mass in units of solar masses • temperature ~ roughly as the T Sun • moreless optical wavelengths

32. 3. Mrtvé a žhavé (Binární systémy kompaktních objektů) • Artists view of LMXBs • “as seen from a hypothetical planet” X-ray satellites “the real eyes” Observations: The X-ray radiation is absorbed by the Earth atmosphere and must be studied using detectors on orbiting satellites representing a rather expensive research tool. On the other hand, it provides a unique chance to probe effects in the strong-gravity-field region (GM/r~c^2) and test extremal implications of General Relativity(or other theories).

33. 3. Mrtvé a žhavé (Binární systémy kompaktních objektů) Observations: Our connection to the accreting compact objects is quite subtle. Typically, the whole information coming to vicinity of Earth is carried by countrates of thousandsphotons per second.It, however, providesonlyexistinglink to an orbital motion in thesuperstronggravitationalfield… • X-ray • Gamma ray “white dot” of GRS 1915+105 radio • Disc • Companion • Jet • Example of the Galactic microquasar GRS 1915+105: the concept and what is seen. Fig:nasa.gov., Hannikainen et al. 2003

34. 4. Orbitální pohyb v silném gravitačním poli Koláž: materiály NASA, ESA

35. 4. Orbitální pohyb - analogie Rovnováha sil: Kulička ve stabilní rovnovážné poloze kyvadlo a pružina

36. 4. Orbitální pohyb - analogie PERTURBACE: Kulička ve stabilní rovnovážné poloze kyvadlo a pružina

37. 4. Orbitální pohyb - analogie Oscilace: Kulička ve stabilní rovnovážné poloze kyvadlo a pružina

38. 4. Orbitální pohyb - analogie rovnováha mezi gravitační a odstředivou silou

39. 4. Orbitální pohyb

40. 4. Orbitální pohyb

41. 4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR

42. 4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR • stáčení perihelia planet • Merkur: 43“ za 100 let

43. 4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR - Nastíněná situace kvalitativně odpovídá i neutronovým hvězdám

44. 4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR a=0 a~1 Radiální frekvence vymizí na kritickém r , pro menší r NEEXISTUJE stabilní kruhový pohyb. Mezi akrečním diskem a kompaktním objektem tedy vzniká oblast v níž materiál již nespiráluje, ale padá. Tato oblast by se v newtonovské fyzice vůbec neobjevila.

45. 4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR Potvrzení existence mezní stabilní orbitypředstavuje jednu z výzev současné rentgenové astronomie. Zářeníakreovaného plynu v její blízkosti nese značné množství informací o kompaktních objektech, fyzice prostoročasu i mikrofyzice. Fig:nasa.gov

46. 5. Observace • Observations: Our connection to the accreting compact objects is quite subtle. Typically, the whole information coming to vicinity of Earth is carried by countrates of ~hundreds photons per second. • - Spectral &Timingresearch • (Here we focus just on the timing properties of X-ray detected from LMXBs.) • Observedsystemsshowsrathercomplicatedbehaviourin • Long-term variability (discussed in terms of lightcurves, from hours to days) • Short-termvariability (discussed in terms of PDS, mHz to kHz), corresponding to the “relativistic orbital” timescales.

47. 5. Observace Data: světelná křivka I t Reprezentace dat: PDS Power Frequency Figs on this page:nasa.gov

48. 5. Observace • Examples of particular PDS of LMXBs • We note that the appearance of PDS is dependent on the actual state of long term variability and connected also to actual spectral properties (which are characterized by so called spectral states). • PDS consist from • “flat” components (flat noise), typically having a zero or negative slopes • peaked components (peaked noise) possibly described by Lorentzians • rare sharp (nearly D function) features (only NS) Figs: from the collection of van der Klis, 2006

49. 5. Observace LMXBs short-term X-ray variability: rare NS sharp features Understanding to these nearly periodic features exhibit with a strong X-ray flux is perhaps most straightforward. They are associated to hot spots on neutron star surface (e.g., works of Sthromayer et al.).

50. 5. Observace f Fig:nasa.gov