Buracos negros

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Buracos negros

  1. 1. A Busca por Buracos Negros Dra. Lucimara Martins Campus Party, Janeiro de 2012
  2. 2. O que são Buracos Negros? Resolution is not <ul><li>Regiões do espaço-tempo das quais nada (nem mesmo a luz) conseguem escapar. </li></ul><ul><li>São chamados de “negros” porque absorvem toda luz que atinge seu horizonte. </li></ul><ul><li>Isso acontece porque a concentração de massa nesses objetos é tão grande que nada consegue escapar da sua atração gravitacional. </li></ul>
  3. 3. O que são Buracos Negros? Resolution is not
  4. 4. O que são Buracos Negros? Resolution is not
  5. 5. O que são Buracos Negros? Resolution is not
  6. 6. O que são Buracos Negros?
  7. 7. O que são Buracos Negros? Velocidade de Escape : Velocidade com a qual você deve jogar a pedra para que ela escape do campo gravitacional da Terra.
  8. 8. O que são Buracos Negros? Resolution is not Velocidade de Escape: <ul><li>Depende da massa do planeta – se o planeta é muito massivo, sua gravidade é muito forte e a velocidade de escape deve ser alta. </li></ul><ul><li>Depende da distância ao centro do planeta – quanto mais perto você estiver do centro, maior será a velocidade de escape. </li></ul>
  9. 9. O que são Buracos Negros? Resolution is not Velocidade de Escape: A velocidade de escape da Terra é 11.2 km/s (40320 km/h) A da Lua é 2.4 km/s (8640 km/h)
  10. 10. O que são Buracos Negros? Resolution is not Agora imagine: <ul><li>Um objeto com uma grande concentração de massa em um raio tão pequeno que a velocidade de escape seja maior que a velocidade da luz. </li></ul>
  11. 11. O que são Buracos Negros? Resolution is not <ul><li>Como nada pode viajar mais rápido que a luz, nada escapa do campo gravitacional deste objeto. </li></ul><ul><li>Mesmo um raio de luz seria puxado de volta pela gravidade, e seria incapaz de escapar. </li></ul>
  12. 12. <ul><li>Pode-se passar através do horizonte de eventos, mas não se pode voltar. </li></ul>Horizonte de Eventos Resolution is not <ul><li>C aracterística que define um BN: horizonte de eventos - superfície esférica que marca a fronteira do BN. </li></ul><ul><li>Região onde a velocidade de escape é igual a velocidade da luz. </li></ul>
  13. 13. Horizonte de Eventos <ul><li>Fora desta região: </li></ul>velocidade de escape < velocidade da luz <ul><li>Se você estiver dentro do horizonte de eventos, não importa quão potente é seu foguete, não será possível escapar. </li></ul>
  14. 14. Singularidade Resolution is not <ul><li>No centro de um buraco negro: singularidade gravitacional – uma região onde a curvatura do espaço-tempo se torna infinita. </li></ul><ul><li>Essa região singular tem volume zero e contém toda a massa do buraco negro – densidade infinita. </li></ul>
  15. 15. Um pouco de história... Resolution is not <ul><li>Objetos cujo campo gravitacional é tão intenso que nem mesmo a luz pode escapar: considerados pela primeira vez no século XVIII por John Michell e Pierre-Simon Laplace. </li></ul><ul><li>“ Estrelas escuras”: ignoradas até o século XIX - não se entendia como uma onda sem massa como a luz poderia ser influenciada pela gravidade. </li></ul>
  16. 16. <ul><li>Essa solução tinha um comportamento peculiar: no chamado raio de Schwarzschild ela se tornava singular, ou seja, alguns termos das equações de Einstein se tornavam infinitos. </li></ul>Um pouco de história... Resolution is not <ul><li>Primeira solução da relatividade geral que caracterizaria um buraco negro - Karl Schwarzschild em 1916. </li></ul>
  17. 17. Um pouco de história... Resolution is not <ul><li>A natureza dessa superfície não era bem entendida na época. </li></ul><ul><li>A interpretação como uma região do espaço da qual nada consegue escapar não foi muito apreciada por pelo menos 4 décadas. </li></ul>
  18. 18. Um pouco de história... Resolution is not <ul><li>Considerados uma curiosidade matemática. </li></ul><ul><li>Anos 60: trabalhos teóricos mostraram que buracos negros eram uma previsão genérica da relatividade geral. </li></ul><ul><li>A era de ouro da relatividade geral – anos 60. </li></ul>Em 1967 – descoberta dos pulsares Em 1969 – pulsares são estrelas de nêutrons rodando rapidamente.
  19. 19. Um pouco de história... Resolution is not <ul><li>Até esse ponto, as estrelas de nêutrons também eram consideradas apenas curiosidades teóricas. </li></ul><ul><li>A descoberta das estrelas de nêutrons aumentaram o interesse por objetos compactos gravitacionalmente colapsados como uma realidade astrofísica. </li></ul>
  20. 20. Um pouco de história... Resolution is not <ul><li>O bjetos realmente bizarros. </li></ul><ul><li>O próprio Einstein erroneamente acreditava que buracos negros não se formariam, porque ele acreditava que o momento angular das partículas em colapso estabilizariam o colapso em algum raio. </li></ul>
  21. 21. Um pouco de história... Resolution is not <ul><li>Levou a comunidade que trabalhava em relatividade geral a dispensar todos os resultados contrários a essa idéia por muitos anos. </li></ul><ul><li>No entanto, uma minoria dos relativistas continuou a afirmar que buracos negros eram objetos físicos. </li></ul><ul><li>Final dos anos 60 persuadiram a maioria dos pesquisadores da área que não haveria nenhum impecílio na formação de um horizonte de eventos. </li></ul>
  22. 22. Um pouco de história... Resolution is not <ul><li>Uma vez que o horizonte de eventos se forma, Roger Penrose provou que uma singularidade deve se formar dentro ele em algum lugar. </li></ul><ul><li>Pouco tempo depois, Stephen Hawking mostrou que muitas soluções cosmológicas descrevendo o Big Bang possuíam singularidades. </li></ul>
  23. 23. Qual o tamanho de um BN? Resolution is not <ul><li>Duas formas de descrever quão grande alguma coisa é: quanta massa ela tem </li></ul>ou quanto espaço ela ocupa. <ul><li>Massa: não há limite inferior ou superior. Qualquer quantidade de massa, pode, em princípio, se transformar em um buraco negro se você comprimí-la o suficiente. </li></ul>
  24. 24. Qual o tamanho de um BN? Resolution is not <ul><li>Acredita-se que a maior parte dos BNs existentes foram produzidos na morte de estrelas massivas - devem possuir de 3 a 10 vezes a massa solar. </li></ul><ul><li>Existem também BNs supermassivos – 1 bilhão de massas solares. </li></ul>
  25. 25. Qual o tamanho de um BN? Resolution is not <ul><li>Quanto mais massivo um buraco negro, maior o espaço que ele ocupa. </li></ul><ul><li>O raio de Schwarzschild é diretamente proporcional a massa. </li></ul>
  26. 26. <ul><li>Um buraco negro com a massa do Sol - horizonte de eventos de raio = 3 km. </li></ul><ul><li>Um buraco negro com 3 milhões de vezes a massa solar - raio de 3 milhões de km. </li></ul><ul><li>O raio de Schwarzschild para a Terra - menos de 1 cm! </li></ul>Qual o tamanho de um BN?
  27. 27. Viagem para dentro de um BN <ul><li>Viagem imaginária para dentro de um buraco negro – as aventuras de um astronauta maluco que decide mergulhar em um buraco negro. </li></ul><ul><li>Você e seu amigo iniciam a viagem orbitando a algumas unidades astronômicas de um buraco negro de 10 massas solares. </li></ul><ul><li>Nada esquisito acontece. Ele orbita o buraco negro de acordo com as leis de Kepler, como faria com qualquer outra concentração de massa. </li></ul>
  28. 28. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>Seu amigo decide entrar. Ele leva um laser e um relógio eletrônico. </li></ul><ul><li>Vocês sincronizam seus relógios e combinam que ele te enviará um sinal de laser a cada segundo. </li></ul><ul><li>Durante um longo período de tempo, enquanto ele vai na direção do BN, nada estranho acontece. </li></ul>
  29. 29. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>Porém, conforme ele vai chegando mais perto, forças de maré gravitacionais fortíssimas começam a esticá-lo (Essa força também existe na Terra!) </li></ul><ul><li>Essas forças em um buraco negro seriam tão fortes que um humano normal seria rasgado a 3000 km de distância de um buraco negro de 10 massas solares. </li></ul><ul><li>Mas suponha que seu amigo seja indestrutível. </li></ul>
  30. 30. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>Conforme ele vai se aproximando do buraco negro, as forças de maré vão ficando muito fortes, muito rapidamente. </li></ul><ul><li>Mas, para ele, não há nada mais estranho. A cada segundo ele te envia um sinal de laser. </li></ul><ul><li>Olhando na direção do buraco negro ele apenas consegue ver uma pequena região escura no céu (o raio de Scharwzschild é de apenas 30 km). </li></ul>
  31. 31. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>Então ele atravessa o raio de Scharwzschild – mas nada acontece a ele! </li></ul><ul><li>Nenhum sinal marca a fronteira do buraco negro. </li></ul><ul><li>Porém, nada pode puxá-lo de volta agora – ele acabou de cruzar um portal só de ida no espaço-tempo. </li></ul>
  32. 32. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>A viagem agora termina rapidamente para seu amigo desafortunado. </li></ul><ul><li>Em aproximadamente 0,00001s (de acordo com o relógio dele) depois de cruzar o raio de Schwarzschild, ele é esmagado na singularidade. </li></ul><ul><li>Esmagado em um volume zero, ele desaparece. </li></ul>
  33. 33. ? Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>Mas o que você vê da aventura do seu amigo? </li></ul><ul><li>Você nunca vê o fim da jornada – você nunca o vê cair no buraco negro. </li></ul>
  34. 34. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>Conforme ele se aproxima do buraco negro você percebe que a luz do laser sofre um “redshift” - a luz tem que lutar contra a gravidade para chegar em você, e dessa forma perde energia e seu comprimento de onda aumenta. </li></ul><ul><li>Você também percebe que o tempo entre os sinais aumenta. </li></ul>
  35. 35. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>O que aconteceu? Comparado com o seu relógio, o relógio do seu amigo parece cada vez mais lento conforme ele viaja para regiões onde a gravidade é mais forte. </li></ul><ul><li>Dessa forma o relógio de vocês discordam sobre quanto tempo ele leva para atingir o buraco negro. </li></ul>
  36. 36. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>Conforme ele se aproxima do raio de Schwarzschild, o relógios parecem mais e mais fora de sincronia. </li></ul><ul><li>O tempo entre os recebimentos de sinais vai aumentando. </li></ul>
  37. 37. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>O sinal enviado por ele assim que ele cruza o raio de Schwarzschild leva um tempo infinito para te atingir. </li></ul><ul><li>Esse sinal também sofre um redshift infinito. </li></ul>
  38. 38. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>Para você a queda de seu amigo pareceria ficar cada vez mais lenta, mas ele nunca pareceria cair nele. </li></ul><ul><li>Suas medidas mostrariam o tempo ficando tão lento perto do buraco negro que pareceria congelado. </li></ul>
  39. 39. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>Além disso a luz pareceria cada vez mais “redshiftada” até que você não a detectasse mais. </li></ul><ul><li>O buraco negro não permite que você veja o que aconteceu com seu amigo – você nunca saberá o que aconteceu com ele depois que ele entrou. </li></ul>
  40. 40. Viagem para dentro de um BN Resolution is not <ul><li>Cuidado! Buracos negros não são aspiradores espaciais! </li></ul><ul><li>Eles não têm potencial gravitacional infinito que suga tudo que está próximo deles! </li></ul><ul><li>Longe do raio de Schwarzschild o buraco negro se comporta como uma concentração de massa qualquer! </li></ul>
  41. 41. Como se formam os BNs? Resolution is not <ul><li>Estrelas nascem, evoluem e morrem. </li></ul><ul><li>Uma estrela “nasce” quando a fusão de hidrogênio se inicia em seu interior. </li></ul>
  42. 42. Como se formam os BNs? Resolution is not <ul><li>Conforme o combustível vai acabando em seu interior, a estrela evolui. </li></ul><ul><li>Quando o combustível para fusão finalmente acaba no seu interior, elas entram na “terceira idade”. </li></ul>
  43. 43. <ul><li>Estrelas de mais baixa massa terminarão suas vidas como anãs brancas, e depois anãs negras. </li></ul><ul><li>Sirius B: </li></ul>Massa = 1.05 massa do Sol Raio = 0,75 raio da Terra Densidade média = 3000 kg /cm 3 . <ul><li>Na “terceira idade” as estrelas começam a se contrair, já que na pressão de radiação, que segurava a pressão gravitacional, deixa de existir. </li></ul>Como se formam os BNs? Resolution is not
  44. 44. Raios de dezenas de km. Massa ~ 3 vezes a massa do Sol Períodos de 0,001 a 4 s Densidade = 10 bilhões de kg / cm³ Como se formam os BNs? Resolution is not <ul><li>Estrelas de alta massa explodem como supernovas, e seu remanescente é uma estrela de nêutrons – pulsares. </li></ul>
  45. 45. Como se formam os BNs? Resolution is not <ul><li>Dependendo da massa dessa estrela remanescente, ela ainda continua contraindo (se a massa for maior que 3x a massa do Sol) </li></ul><ul><li>Nessas estrelas a força gravitacional vence qualquer outra força na direção oposta, mesmo a força repulsiva entre duas partículas de mesma carga, ou a pressão de degenerescência. </li></ul><ul><li>Formação do buraco negro estelar. </li></ul>
  46. 46. Resolution is not <ul><li>BNs de massa estelar devem se formar quando estrelas muito massivas colapsam no fim de seu ciclo de vida. </li></ul><ul><li>Depois que um BN se forma, ele continua a crescer absorvendo massa de suas redondezas. </li></ul>Como se formam os BNs?
  47. 47. Resolution is not <ul><li>Ao absorver outras estrelas e se fundir com outros BNs, BNs supermassivos se formam. </li></ul><ul><li>Hoje em dia: certo consenso de que BNs supermassivos existem no centro de muitas galáxias. </li></ul><ul><li>Há evidências de um BN de ~4 milhões de massas solares no centro da nossa galáxi a. </li></ul>Como se formam os BNs?
  48. 48. Como observar BNs? Resolution is not <ul><li>Detectar BNs isolados é muito difícil – nem mesmo a luz consegue escapar, além de ser um objeto extremamente pequeno. </li></ul><ul><li>A única forma de detectar BNs é através de sua interação com a matéria. </li></ul>
  49. 49. Como observar BNs? Resolution is not <ul><li>Quando a matéria cai em direção ao BN, ela é acelerada e ganha energia, que a aquece. </li></ul><ul><li>Se aquecida o suficiente, os átomos são ionizados. </li></ul><ul><li>A gravidade acelera os átomos ionizados, que assim emitem radiação eletromagnética. </li></ul><ul><li>Quando aquecida a alguns milhões de graus kelvin, a matéria emite raios-X. </li></ul>
  50. 50. Como observar BNs? Resolution is not <ul><li>O que estamos procurando? </li></ul><ul><li>Imagine um BN orbitando uma estrela supergigante. </li></ul>
  51. 51. Como observar BNs? Resolution is not <ul><li>Se eles estiverem bastante próximos, o período orbital será de alguns dias. </li></ul><ul><li>Como a estrela é supergigante, sua atmosfera é bastante extensa, e material desta pode cair no BN. </li></ul>
  52. 52. Como observar BNs? Resolution is not <ul><li>Como o material deve cair esporadicamente, esperamos ver a emissão de raios-X variando rapidamente. </li></ul><ul><li>Se o plano da órbita estiver na nossa linha de visada, quando o buraco negro estiver atrás da estrela, não veremos essa emissão. </li></ul>
  53. 53. SIM! Como observar BNs? Resolution is not <ul><li>Resumindo: procuramos por fontes de raios-X que variam rapidamente e que desaparecem em intervalos de tempo regulares. </li></ul><ul><li>Essas fontes existem? </li></ul>
  54. 54. Estima-se que tenha uma massa de 8.7 vezes a massa solar, e muito compacto para ser qualquer tipo conhecido de estrela normal – mais provável que seja um buraco negro. Raio do horizonte de eventos ~ 26 km. Como observar BNs? Resolution is not <ul><li>Cygnus X-1: fonte de raios-X galática bem conhecida na constelação Cygnus.
  55. 55. Descoberta em 1964 – uma das fontes de raios-X mais fortes vistas da Terra. </li></ul>
  56. 56. <ul><li>Pertence a um sistema de raio-X binário de alta massa que inclue uma estrela supergigante azul variável chamada HDE 226868 </li></ul>Como observar BNs? Resolution is not <ul><li>Está a aproximadamente 6100 anos luz do Sol </li></ul>
  57. 57. <ul><li>A estrela progenitora deveria ter aproximadamente 40 massas solares, e deve ter colapsado diretamente em um buraco negro – se tivesse havido uma supernova, não haveria mais nada a sua volta. </li></ul>Como observar BNs? Resolution is not <ul><li>Órbita de 0.2 UA. </li></ul>
  58. 58. <ul><li>Hawking perdeu a aposta – admitiu isso em 1990, quando mais dados observacionais reforçaram o fato de Cygnus X1 ser realmente um buraco negro. </li></ul>(a aposta era a assinatura da revista Penthouse para Thorne contra quatro anos da assiantura de Private Eye para Hawking). Como observar BNs? Resolution is not <ul><li>Alvo de uma aposta amigável entre Stephen Hawking e Kip Thorne em 1974: Hawking apostou que o sistema não possuia um buraco negro. </li></ul>
  59. 59. Quasares e Galáxias Ativas Resolution is not <ul><li>Durante o boom da radioastronomia nos anos 50, os radioastrônomos começaram a fazer catálogos das fontes de rádio, identificando-as com objetos conhecidos no óptico. </li></ul><ul><li>A maior parte desses objetos eram galáxias, mas existiam algumas fontes com aparência estelar. </li></ul>
  60. 60. <ul><li>A primeira fonte rádio identificada como uma fonte óptica estelar foi 3C 48 – estrela de magnitude 16. </li></ul>Quasares e Galáxias Ativas Resolution is not <ul><li>Mas seu espectro era muito confuso – assinaturas espectroscópicas em comprimentos de onda desconhecidos! </li></ul>
  61. 61. Quasares e Galáxias Ativas Resolution is not <ul><li>Eles também eram estranhamente muito mais azuis que uma estrela normal. </li></ul><ul><li>Maarten Schimidt, em 1963, finalmente resolveu o quebra-cabeças. </li></ul>
  62. 62. Quasares e Galáxias Ativas Resolution is not <ul><li>Ele percebeu que as assinaturas não eram reconhecidas porque elas estavam 36.7% desviadas para o vermelho! </li></ul><ul><li>Como o redshift está associado a expansão do universo, isso significava que a luz desses objetos deveria vir de distâncias tão grandes que se originaram a bilhões de anos atrás. </li></ul>
  63. 63. Quasares e Galáxias Ativas Resolution is not <ul><li>Como não se entendia a natureza física desses objetos, eles ficaram conhecidos como fontes “quase-estelares” - quasares </li></ul><ul><li>A importância desses objetos logo foi reconhecida. Como estavam tão distantes, sua luminosidade deveria ser muito alta – são os objetos mais luminosos, poderosos e energéticos do universo. </li></ul><ul><li>Processos físicos extremos deveriam estar ocorrendo ali. </li></ul>
  64. 64. Quasares e Galáxias Ativas Resolution is not <ul><li>Muitos cientistas não acreditavam que esses objetos poderiam estar tão distantes porque nada, nem fusão nuclear, poderia gerar essa energia calculada para eles. </li></ul><ul><li>Sugestão que BNs supermassivos deveriam estar envolvidos veio logo: Zel'dovich e Novikov em 1964. </li></ul><ul><li>Em 1970: modelos computacionais da produção de energia gerada por um disco de acresção em torno de um BN </li></ul>
  65. 65. <ul><li>Quasares são os tipos mais luminosos dessas galáxias, mas existem outros como Seyferts e Blazares. </li></ul>Quasares e Galáxias Ativas Resolution is not <ul><li>Galáxias que possuem alta produção de energia em seu centro são hoje chamadas de Galáxias Ativas.
  66. 66. Algumas vezes a energia do núcleo pode exceder a energia da galáxia inteira. </li></ul>
  67. 67. Quasares e Galáxias Ativas Resolution is not <ul><li>Hoje, o modelo mais aceito para a radiação que vem das galáxias ativas é um disco de acresção em torno de um buraco negro. </li></ul><ul><li>O disco emite radiação no óptico, UV e raios-X. </li></ul>
  68. 68. <ul><li>Não se sabe exatamente o mecanismo de produção desses jatos, mas todos os modelos contém um (ou mais) buraco negro. </li></ul>Quasares e Galáxias Ativas Resolution is not <ul><li>Alguns desses discos produzem jatos – que são visíveis apenas em comprimentos de onda de rádio. </li></ul>
  69. 69. Quasares e Galáxias Ativas Resolution is not
  70. 70. BNs nas Galáxias Resolution is not <ul><li>Hoje em dia, a maior parte dos astrônomos acredita que todas as galáxias possuem um BN supermassivo em seu centro – ativo ou não. </li></ul><ul><li>Uma das maiores descobertas neste sentido foi Sagittarius A* – o BN supermassivo no centro da nossa galáxia! </li></ul><ul><li>Não era possível observar o centro da galáxia no óptico - grande quantidade de matéria entre nós e o centro da galáxia. </li></ul>
  71. 71. <ul><li>Animação em 2.2 micron.
  72. 72. Imagens de 1995 a 2011.
  73. 73. Com uma aplicação simples das leis de Kepler – Melhor evidência até hoje da existência de um Buraco Negro Supermassivo – 4 milhões de massas solares. </li></ul>Buracos Negros nas Galáxias Resolution is not
  74. 74. Obrigada!

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