280 likes | 462 Views
Czarne dziury w astronomii. B. Czerny Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika, Warszawa. Ojcowie teorii czarnych dziur. John Michell (1724-1793). Roy Kerr (1934-). Karl Schwarzschild (1873-1916). Albert Einstein (1879-1955). Sukcesy ogólnej teorii względności.
E N D
Czarne dziury w astronomii B. Czerny Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika, Warszawa
Ojcowie teorii czarnych dziur John Michell (1724-1793) Roy Kerr (1934-) Karl Schwarzschild (1873-1916) Albert Einstein (1879-1955)
Sukcesy ogólnej teorii względności 1 Ewolucja układów podwójnych w wyniku emisji fal grawitacyjnych (a) układy z białym karłem (b) układy z gwiazdami neutronowymi 2. Soczewkowanie grawitacyjne 3. Dedykowane eksperymenty fizyczne (Gravity Probe B) 4. Codzienne doświadczenie – działanie GPS (Global Positioning System)
Podejście: jeśli coś wygląda jak czarna dziura... Ze strony www Petera Kinga William of Ockham (1285-1349)
Rodzaje obiektów zawierających czarne dziury 1 Niektóre rentgenowskie układy podwójne, blyski gamma: MBH ~10 Ms 2 Ultrajasne źródła rentgenowskie położone niecentralnie w pobliskich galaktykach (w tym niektóre źródła w gromadach kulistych): MBH ~1000 Ms 3 Większość (wszystkie ?) galaktyk nieaktywnych (w tym nasza Galaktyka): MBH ~106 - 109 Ms 4 Galaktyki aktywne (w tym kwazary): MBH ~106-1010 Ms
Skąd wiadomo, że są tam czarne dziury? E = 0 = ½ v2 – GM/R; jeśli v=c to R=2GM/c2 (Michell 1784) W OTW: RSchw = 2GM/c2 (rozw. Schwarzschilda) O istnieniu czarnych dziur najpewniej wnioskujemy na podstawie badania dynamiki materii w odległości rzędu kilku RSchw od centrum grawitacyjnego. B. Paczyński w Princeton
Przestrzenna zdolność rozdzielcza obserwacji Typowe osiągane zdolności rozdzielcze: Typ Masa Odległość 1”[cm] 1”[RSchw] GBH 10 10 kpc 1017 3x1011 Milky Way 2.6x106 10 kpc 1017 106 MBH 107 50 Mpc 5x1020 109 MBH 109 1 Gpc 1022 2x109 Specjalne techniki (VLBI, fotometria plamkowa) pozwalają osiągnąć wyniki lepsze o parę rzędów wielkości, ale to wciąż za mało. Obszar w bezpośredniej bliskości czarnej dziury można jednak badać pośrednio poprzez analizę widma promieniowania, także w zależności od czasu.
Co nam podpowiada OTW? • Akreująca materia o znacznym momencie pędu tworzy dysk akrecyjny • Chłodny dysk akrecyjny jest geometrycznie cienki, a ruch gazu jest dobrze opisany przez ruch keplerowski • Gdy obiektem centralnym jest czarna dziura, dysk taki rozciąga się do orbity marginalnie stabilnej, na której moment pędu orbit kołowych ma minimum • Poniżej orbity marginalnie stabilnej mamy spadek swobodny materii w stronę horyzontu • Położenie orbity marginalnie stabilnej zależy od momentu pędu czarnej dziury
Co nam podpowiada OTW? • Utracie momentu pędu opadającej materii musi towarzyszyć dyssypacja • Ilość energii tracona przez każdą cząstkę w chłodnym dysku jest określona tylko przez kształt potencjału grawitacyjnego i nie zależy od mechanizmu lepkości • Strumień promieniowania z chłodnego dysku jest zatem określony prostym wzorem · 3GMM F(r) = (1-z(r)) r3 • Temperatura efektywna dysku jest z kolei dana jako F(r) =σTeff4
Model widma kwazara PG1211+143 Pierwszy fizyczny model widma promieniowania kwazara odtwarzający szerokopasmowe obserwacje (Czerny & Elvis 1987, 225 cytowań)
Geometria przepływu akrecyjnego Duże L/LEdd – dysk przybliża się do czarnej dziury, widma zdominowane przez emisję dyskową Małe L/LEdd – dysk odsuwa się (odparowuje), widma zdominowane przez emisję optycznie cienkiej plazmy
Emisja optycznie cienkiej, całkowicie zjonizowanej plazmy • Odwrotny efekt Comptona • promieniowanie hamowania • promieniowanie synchrotronowe
Dodatkowe procesy atomowe w częściowo zjonizowanej plazmie • Tdysk~ 105 K (AGN) ~ 107 K (GBH) • Przejścia atomowe w wewnętrznych powłokach atomów • Widoczne w zakresie rentgenowskim Absorpcja emisja linii
Najnowsze satelity rentgenowskie ASCA Compton-GRO Rossi-XTE Constellation-X Chandra XMM-Newton
Co się dzieje z linią żelaza K? Spodziewany profil linii żelaza w obserwacjach rentgenowskich
Pierwsza detekcja K Poszerzona relatywistycznie linia Kα żelaza w galaktyce Seyferta typu 1, MCG-6-30-15 (ASCA, Tanaka i in. 1995)
Nowsze obserwacje K Poszerzona relatywistycznie linia Kα żelaza w galaktyce Seyferta typu 1, MCG-6-30-15 (XMM, Fabian i in. 2002)
Linie emisyjne w miękkich X Ton 180 Różańska et al. in prep. Rin = 6 Rschw (fixed) Rout = 1000 Rschw (fixed) q = 3 (fixed) i = 30 deg (fixed) Si XI 14+/-3 eV O VII 10+/- 5 eV Fe XVII 23+/-7 eV Pierwsze, godne zaufania odkrycie szerokich linii emisyjnych innych niż Ka (galaktyka Ton S180, Różańska i in. 2004)
Reprocesowaniepromieniowaniaoptycznie cienkiej plazmy przez dysk w AGN Zaawansowane modele tego reprocesowania uwzględniają strukturę dysku w równowadze hydrostatycznej, komptonizację, grzanie/chodzenie,procesy atomowe Różańska et al.. (2002). Lokalne widmo dysku otrzymane z użyciem kodu Titan/Noar autorstwa Dumont, Abrassart & Collin (2000).
Zmienność akrecji na czarne dziury Krzywa blasku MCG -6-15-30 (Ponti i in. 2004)
Liczne rozbłyski: metoda Obraz Słońca w promieniach X widziany przez satelitę SOHO Stochastycznie generujemy liczne rozbłyski ponad dyskiem, które oświatlają powierzchnię dysku. Dysk (keplerowski) rotuje.
Liczne rozbłyski: wstępne wyniki B. Czerny, R. Goosman, M. Mouchet, A.-M. Dumont, M. Dovciak, V. Karas, A. Rozanska, G. Ponti praca w przygotowaniu Średnie widmo MCG -6-30-15 w zakresie rentgenowskim z modelu
Liczne rozbłyski: wyniki (rms) Przykladowe wyniki dla skal Tobs=1000 s, pp (po lewej) i Tobs=6148 s, zwykla zmienność, dla różnych rozkladów flar.
Liczne rozbłyski: wyniki (rms) Parametry pokazanego modelu: a = 0.95 , i =30 deg, M = 107 Ms Tfl = 2e5 (r/18)3/2 [s] Ffl~ r-3 [s] Rozklad jednorodny Przykladowe wyniki dla skal Tobs=1000 s, pp (po lewej) i Tobs=6148 s, zwykla zmienność, dla tych samych rozkladów flar.
W precyzyjnym opisie przeszkadza dodatkowo kilka efektów: Aby dokładnie opisać widmo promieniowania z bezpośrednich okolic czarnej dziury trzeba uwzględniać efekty związane z obecnością dodatkowej materii na linii widzenia: • Ekstynkcja w naszej Galaktyce (głównie pył w ośrodku międzygwiazdowym) • Standardowa ekstynkcja w galaktyce macierzystej • Ekstynkcja w materii okalającej czarną dziurę • Nakładanie się światła gwiazd Zmienność emisji nieco pomaga
Czy zatem to, co widzimy, to czarne dziury otoczone akreującą materią? • Trochę problemów z modelowaniem linii żelaza, ale wina może być raczej po stronie niedostatecznej precyzji opisu • Trochę problemów z modelowaniem dżetów, ale modele dość slabo zaawansowane WIĘC WĄTPLIWOŚCI ROZSTZYGAMY NA KORZYŚĆ OTW (jak na razie…)