Nagytömegű fekete lyukak (Supermassive Black Holes)

Az előadások a következő témára: "Nagytömegű fekete lyukak (Supermassive Black Holes)"— Előadás másolata:

1 Nagytömegű fekete lyukak (Supermassive Black Holes)
© Mohácsi István 2007 VCSE-tábor

2 Rövid áttekintés Rövid bevezető Feketelyukak a Lokális halmazban
Fekete lyukak eredete Fizikai ismeretek Fekete lyukak tulajdonságai és problémák megoldásai Fekete lyukak megfigyelése Feketelyukak a Lokális halmazban Tejútrendszer magja Gömbhalmazok, M31, M32 Extra galaktikus fekete lyukak Aktív galaxismagok A legnagyobbak Párosok

3 Egy rövid emlékeztető…
Fekete lyuk: C < Felszíni gyorsulás „Nem jön ki belőle semmi” Megmaradási törvények (Energia, Perdület, Töltés) Csak környezeti hatása alapján érzékeljük Nem nagyon tudjuk leírni… Típusaik: Csillag tömegű (~10 Mo): SN II. ben óriáscsillagok halálával Korongban, magányos v kettős rendszerben Nagytömegű ( – Mo): Galaxisok központjában Egész galaxist meghatározó objektum

4 Kistömegű fekete lyukak
20 Mo feletti csillag halálából SN II során Hipernóva, Darkburst, GRB Neutroncsillagok egybeolvadásából Megfigyelésük: Kettős rendszerekben: HMXB (Anyagátadás  Akréciós korong) Spektroszkópiával minimális tömeg Röntgenforrás, gravirációs lencse Matematikailag megegyezik a nagytömegűvel Galaxisonként akár több milliárd

5 Óriások eredete Galaxisonként egy! – de nagy!
Közel egyidős a galaxissal! Fénykoruk: „Kvazárkorszak” 2-6 milliárd évvel BB után Fokozatos felépülés! Galaxis-mag gravitációs összeomlásából Folyamatos anyagbefogás környezetből Perdület  Akréciós korong Növekvő tömeg  Nagyobb hatás Primordiális fekete lyuk(???) Ősrobbanásban keletkezett fekete lyukak Innentől ugyanez

6 Növekedési időszak Környező hideg anyag tóruszban gyűlik össze
Anyag perdülete  Akréciós korong Behulláshoz perdületet kell veszteni  Akréciós korong viszkozitása (belső súrlódás) Befelé spirálozás  Helyzeti energia  Kinetikus  Korong felmelegedése Akréció sebessége: Gravitáció vs. Perdület egyensúlya Vagyis a hízás sebessége korlátozott… Függ a rendelkezésre álló anyag mennyiségétől is!

7 Általános relativitás és forgó fekete lyukak elmélete
Mindössze 3 paraméter jellemzi (Megmaradási tételek alapján) M : Tömeg J : Impulzusmomentum Q : Töltés  4 megoldás Töltésük elhanyagolható a tömegük mellett 2007ben kimérték forgásukat Kerr típusú fekete lyuk  Kettős horizont Akréciós eredet bizonyítéka Megoldja az energia-problémát! Statikus (J=0) Forgó (J>0) Semleges (Q=0) Scwarzschild Kerr Töltött (Q≠0) Reissner-Nordström Kerr-Newmann

8 Kerr lyukak Ergoszféra és a Penrose folyamat:
Utolsó stabil perturbálható pályán belül (~3 Rs) Bármilyen anyagot magával forgat a feltekert téridő  Energia nyerése forgó fekete lyukból Forgás esetén 2 eseményhorizont! Kettő között a szingularitás időbeli pont (nem térbeli) Minél gyorsabban forog, annál nagyobb a belső horizont sugara Kritikus forgási sebességnél eléri a külső horizontot (EJ=EM): Csupasz szingularitás (egyetlen része a szingularitás) Óriás fekete lyukak ennek tipikusan 95%+ ával forognak 

9 Relativisztikus JET-ek
Mágneses pólusok irányában relativisztikus sebességű anyagkidobások Átlagban több 10 keV, MeV részecskék, C 99.9%-a Van 700 TeV es is... (100x LHC) Akár Mo/s kidobási ráta fényévre követhető jet! Korongban keringő plazma mágneses tere forgástengely irányába irányítja a töltött részecskéket Ekkora energia CSAK forgó fekete lyuk esetén Anyag energiát és impulzust szerez a fekete lyuktól (Penrose effektus, ergoszférában)

10 Megfigyelésük Magát a lyukat nem látjuk Akréciós korong veszi körül
Nagy központi tömeg  gyors keringés  Egyedi csillagok pályája Doopler mérések (más GX) Akréciós korong sugárzása minden tartományban Csak közvetett bizonyíték létezésükre!  Ki kell zárni minden más lehetőséget

11 Tejútrendszer központja
Kb fényévre, felhők takarásában SN maradványok, Csillagkelekezési régiók, halmazok (Sgr B, C, D) Szál (Arc): Fősíkra merőleges szálak Mágnesen gyorsított plazma ütközik a hidegebb gázzal Röntgenben: forrás - neutroncsillagok - fekete lyukak, - HMXBk

12 Sagittarius A(*) Összetétel: Rádió és Röntgenforrás
Sgr A East: SN maradvány (nagy kör) Sgr A West: Befelé spirálozó anyag spirálkarjai Sgr A*: Fényes kompakt rádióforrás, a Tejútrendszer központi fekete lyuka Rádió és Röntgenforrás  fekete lyukra jellemző Rádiósugárzás: akréciós korong relativisztikus jetek Röntgensugárzás Akréciós korong belseje Tömegét csak az utóbbi időben mérték meg…

13 A tömeg kérdése Környező por és gázfelhők miatt nehéz megfigyelni a környezetet Rádió, IR, Röntgen észlelés 1990es évektől kutatják erősen Jó felbontású űrtávcsövek Korai becslések: ~ 1 millió Mo (nagyságrend) Hosszabb adatsor, jobb becslés (’92-től) Bizonyíték 2004-re: 7 egyedi csillag mozgása a centrum körül (17 fényórára megközelíti) 3.7 millió Mo R<45 AU Hőmérséklete ~10-16 K (Univerzum jelenleg 2.7 K)

14 Aktivitás Jelenleg inaktív galaxismag
(Kevés a behulló anyag) Korábban sokkal aktívabb időszakok a hízáshoz  Kitörés Kitöréskor sugárzás  Roncsoló hatás  Evolúció gyorsítás Manapság apró változások a fluxusban CHANDRA 2007: ~50 éves kitörés röntgen utófénye 1000x fényesebb és hosszabb az eddigi kitöréseknél Egy csillagot kebelezett be Részecskegyorsítóként is működik  (700 TeV 100x LHC –nem rossz) Nagyenergiájú részecskeforrás

15 Fekete lyukak a gömbhalmazokban
Kimutatás: csillagok mozgása a központ körül (egyedi / doppler-letapogatás) Közepes méretű fekete lyukak Eddig kimutatott: M Mo G Mo ω Centauri Mo (populációk, fémesség, forgás, GX maradvány?) Keletkezési elméletek: A kezdeti legnagyobb csillagok halálából jöhettek létre, majd további anyaggal híztak Némely gömbhalmaz bekebelezett galaxis maradványa  Volt központi fekete lyukak

16 Andromeda magja Fekete lyuk tömege:
140 millió Mo Beeső gáz hideg ( pár millió K) Korábban 2 magot véltek, mára kiderült h csak egy 5 fényév átmérőjű gyűrű Fiatal kék csillagok korongja 1 fényév átmérőjű korongban ~400 db, 200 millió éves 100 év alatt megkerülik a magot  Hogy keletkezhettek ott?

17 M32 – Óriás a törpében M32: Törpe elliptikus GX 400 millió csillag, 1000 fényév átmérő Keringési görbékből 1987 óta sejtették a fekete lyukat Felfedezés 1992 –azóta is maradt bőven 2.5 millió Mo Nincs gáz elliptikus galaxisban  nem jut akréciós korongra Gyenge aktivitás Fekete lyuk egyensúlyozza ki a magot Csillagsűrűség ~ x Nap körüli  Gyors keringés Nélküle a csillaggáz összeomlana és fekete lyukat csinálna 

18 Aktív galaxismagok Active Galactic Nuclei (AGN): Egyesített elmélet:
Aktív központi fekete lyuk Bőséges anyagforrás, gyors akréció, vastag, forró korong Erősen kollimált, relativisztikus, intergalaktikus Jetek Egyesített elmélet: Kvazár, Blazár, Seyfert GX, Rádió GX Objektum a rálátástól függ!! Seyfert II. Keskenyvonalú RGX. Kvazár (Tip. II.) BL Lacartae objektum Seyfert I. Szélesvonalú RGX. Kvazár (Tip. I.)

19 Kvazárok QSO HS 1946+7658 APM 08279+5255 Quasi Stellar Object (QSO)
Optikailag csillagszerű Nagy vörös eltolódás Spektrum hasonlít Seyfert GX magjára Vörös eltolódás miatt kiszélesedett vonalak, teljesen máshol 1012 Lo fényesség Valójában 90% csendes rádióban (QSO)  Ma már ezek a kvazárok Rádió, IR, Opt, UV, X-ray, Gamma sugárzás, nem termikus többlet nagy energiáknál Nem tartható akréció  Leállás (Kvazár-korszak vége) Távolság milliárd (fény)év Csúcspont: 2-4 Mrd éves Univerzum Néhány körül Jet vagy halvány Galaxis QSO HS z = 3.02 V = m Legfényesebb QSO m APM Ezt hitték legfényesebbnek m Gravitációs lencse 100xozta

20 Blazárok (BL Lacartae objects)
I. Alosztály: „átmeneti objektumok” Optically Violently Variable (OVV) kvazárok Gyorsan változó optikai fényességű kvazár Erős rádiósugárzás Halvány termikus spektrum jelenléte (UV csúccsal) II. alosztály: Blazárok Majdnem a Jet-re látunk rá Gyors fényváltozások (Változók) Nem termikus spektrum, nincsenek vonalak, polarizált Nincs erős rádiósugárzás 3 csoport Gamma színkép alapján: Mev GeV TeV 3C 273 Jettel, ill szülőgalaxissal Optikailag legfényesebb kvazár (Virgo) 12.8 m 2.44 Mrd fényévre 886 ± 187 millió Mo fekete lyuk

21 Seyfert és Rádiógalaxisok
Seyfert GX: Infravörös többletsugárzás Anomálisan fényes mag Rádió GX: Erős rádióforrás Gyakran bipoláris képződmények Spektrum alapján két alosztály A kettő együtt van! Cygnus A: Egyik legfényesebb rádióGX 700 millió fényévre Centaurus A Hamburger galaxis

22

23 A legnagyobb c M87 (Óriás elliptikus) Virgo halmaz központja
Hatalmas központi csillag/gáz sűrűség 80as években sejtették a fekete lyukat Fekete lyuk 3 milliárd Mo (Legnagyobb) Nagy erejű röntgen és γ-forrás Kitörések lökéshullámai ~6 millió évente kisebb kitörés Relativisztikus Jetek fényévig követhetőek! Bennük csomók (lökéshullámok) c

24 Pár péda… NGC 4061 (elliptikus) RX J1242-11 NGC 3783 (spirál)
1-9 milliárd Mo Csillag és gáz forgási görbe más eredmény RX J 100 millió Mo, 700 millió fényévre Épp egy csillagot tépett szét NGC 3783 (spirál) 8-10 millió Mo Távolságra jellemző skálájú változások különböző hullámhosszakon NGC 2778 (Törpe elliptikus) 9-36 millió Mo Csillagok egy irányban keringenek M81 7 millió Mo Minikvazár (fogy az anyag) M51 (Spirál) 1 millió Mo, Miniseyfert, Dark-X Feketelyuk tengelye a korong felé van:S Dark-X

25 Kettős óriások CHANDRA 2002:
NGC 6240 magjában két nagytömegű fekete lyuk van!!! Két külön akréciós korong NGC 6240 pekuliáris galaxis ~30 millió éve két galaxis összeolvadásából Mindkét fekete lyuk megmaradt Dinamikai súrlódással, később gravitációs hullámokkal befelé spiráloznak 3000 fényévre vannak 1000 éves időskálán egybeolvadnak Gravitációs hullám, sugárzás

26 További párosok… 3C 66B Óriás rádiógalaxis 3C 75 Óriás elliptikus
Magjának 1.05 éves periódusa van  Keringés következménye!  2 fekete lyuk Jól meghatározható ellipszispályák 1 milliárd Mo nál nehezebb lyukak Rádióban Jet-ek+ röntgen 3C 75 Óriás elliptikus Fekete lyuk kettős fényévre egymástól Jet-ek feltekeredve Összeolvadás menete (soronként) Galaxismagok lassú közeledése Dinamikai súrlódás: Korongok összeolvadása Gáz és csillagok kidobálása Csupasz fekete lyukak, gravitációs hullámokkal közelednek

27 A méret a lényeg… A központi fekete lyuk és a szülőobjektum tömege között összefüggés áll fenn Ha a galaxismagban sok anyag van, gyorsan hízhat a fekete lyuk Tömeg- Fényesség reláció Statisztikai vizsgálatok, empirikus összefüggés

28 Kis kozmológia… Az univerzum tágul Valószínűleg örökké fog…
Van idő… Háttérsugárzás lehűl Gravitációs hullámok miatt minden belezuhan egy közeli fekete lyukba… Hawking: Termodinamika Ha a környezet hidegebb, a fekete lyuk energiát fog kisugározni „párolgás” arányos 1/M-el… Idővel a fekete lyukak is elpárolognak  A legnagyobbak a legkésőbb!!  Emiatt nincs primordiális fekete lyuk

29 VÉGE