INTRODUCCION A LA ASTRONOMÍA 437 ¿ Qué es lo que queda de la * tras la explosión de SN ? 3.6...

INTRODUCCION A LA ASTRONOMÍA

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¿ Qué es lo que queda de la * tras la explosión de ¿ Qué es lo que queda de la * tras la explosión de SN ?SN ?

3.6 ESTRELLAS NEUTRÓNICAS Y HOYOS 3.6 ESTRELLAS NEUTRÓNICAS Y HOYOS NEGROSNEGROS

SN I: se cree que la SN I: se cree que la “detonación de “detonación de C” no deja restos de C” no deja restos de la *la * todo núcleo fue “hecho todo núcleo fue “hecho pedazos”pedazos”

SN II: tras rebotar el SN II: tras rebotar el

núcleo denúcleo de neutrones, onda de neutrones, onda de choquechoque sale de su periferia sale de su periferia no rompe al núcleo no rompe al núcleo queda unaqueda una

ESTRELLA NEUTRÓNICA ESTRELLA NEUTRÓNICA (NS)(NS)

∅ ∅ 20 km : comparable 20 km : comparable con asteroide o ciudad con asteroide o ciudad

terrestreterrestre

M > MM > M ρρ ≈ 10 ≈ 101717 – 10 – 101818 m m-3-3 10≳10≳ 88 ρρWD WD

(1 cm(1 cm33 “pesa” 10 “pesa” 1088 - 10 - 1099 ton en Tierraton en Tierra ≙ ≙ toda la toda la humanidadhumanidad ) )

20 km20 km

Nueva York y una NSNueva York y una NSa escala...a escala...

2INTRODUCCION A LA ASTRONOMÍA

- Propuestas por W. Baade & F. Zwicky en 1934; - Propuestas por W. Baade & F. Zwicky en 1934; sin esperanza desin esperanza de “ “ver”los… demasiado frios y debiles;ver”los… demasiado frios y debiles; Oppenheimer & Volkoff 1939: predicen M, R y Oppenheimer & Volkoff 1939: predicen M, R y densidad;densidad; (comprobados sólo en 1967 como púlsares)(comprobados sólo en 1967 como púlsares)- tiene superficie sólida - tiene superficie sólida ¿ ¿ se puede parar en ella se puede parar en ella ?? NO: gravedad aplastaría un humano (NO: gravedad aplastaría un humano ( 70 70 kg) akg) a una película de una película de ≪≪1 mm1 mm- conservación del momento angular de * * - conservación del momento angular de * * NS tienen rotación rápida (períodos NS tienen rotación rápida (períodos << 1 s) 1 s)- Tienen campos magnéticos muy fuertes (por - Tienen campos magnéticos muy fuertes (por “congelación”)“congelación”) del campo magnético con el plasma colapsado)del campo magnético con el plasma colapsado) BBNSNS 10 101010 - 10 - 101212 G ~ 10 G ~ 1066 – 10 – 1088 T; T; eje de B suele tener inclinación con eje de eje de B suele tener inclinación con eje de rotación rotación pérdida de energía pérdida de energía rotación disminuye (en rotación disminuye (en ≳≳101066 a) a) mientras tanto: campo magn. y rotación mientras tanto: campo magn. y rotación permitenpermiten su detección como…su detección como…


PULSARESPULSARES descubiertos en 1967 (Jocelyn Bell), estudiante de descubiertos en 1967 (Jocelyn Bell), estudiante de Anthony Hewish (Cambridge, UK): encuentra Anthony Hewish (Cambridge, UK): encuentra radiofuentes con pulsos rápidos y muy periódicos: radiofuentes con pulsos rápidos y muy periódicos: destello de destello de 0.01 s cada 1.337 s ; 0.01 s cada 1.337 s ; tan periódicos que inicialmente se pensó en señales tan periódicos que inicialmente se pensó en señales inteligentes (“LGM…” = little green men); hoy: PSR inteligentes (“LGM…” = little green men); hoy: PSR = Pulsating Source of Radio= Pulsating Source of Radio

Febr. 1968: Hewish y otros publican interpretación Febr. 1968: Hewish y otros publican interpretación CORRECTA CORRECTA

2005: se conocen 2005: se conocen >>1500 pulsares en nuestra 1500 pulsares en nuestra galaxia,galaxia,

- duración de pulsos: unos milisegundos hasta - duración de pulsos: unos milisegundos hasta ~ 1 segundo~ 1 segundo

- períodos a veces extremamente estables: - períodos a veces extremamente estables: P/P P/P ≲≲ 10 10-13-13

¡ ¡ más precisos que los mejores relojes más precisos que los mejores relojes atómicos !atómicos !

PSR 1919+21PSR 1919+21 descub. 28 Nov. 1967descub. 28 Nov. 1967


- explicación del fenómeno (premio Nóbel 1974 - explicación del fenómeno (premio Nóbel 1974 para Hewish)para Hewish) estrella neutrónica en rápida rotación: 2 estrella neutrónica en rápida rotación: 2 “manchas calientes” “manchas calientes” en los polos magnéticos de la NS; partículas en los polos magnéticos de la NS; partículas cargadas (pcargadas (p++, e, e--) ) girangiran en campo magnético con velocidad en campo magnético con velocidad relativistarelativista emite radiación sincrotónica (ondas de radio)emite radiación sincrotónica (ondas de radio) en dos conos (“haces”) delgados a lo largo en dos conos (“haces”) delgados a lo largo del eje magnético del eje magnético

- si uno de los conos - si uno de los conos barre labarre la Tierra Tierra vemos un vemos un “pulso” “pulso” período de los período de los pulsos = pulsos = período de rotación período de rotación de la NS de la NS (“modelo del faro”)(“modelo del faro”) - en su mayoría pulsos - en su mayoría pulsos detectados en radio, detectados en radio, pero a pero a veces también en veces también en óptico y/o óptico y/o rayos X (siempre con rayos X (siempre con mismo mismo período)período)


TODOS los pulsares son NS, peroTODOS los pulsares son NS, peroNo TODOS los NS son pulsares… porque No TODOS los NS son pulsares… porque (a) NS con (a) NS con ≫≫ 10 1066 a perdieron rotación rápida a perdieron rotación rápida

y campo y campo magn. fuertemagn. fuerte (b) no todos los pulsares barren la Tierra sus (b) no todos los pulsares barren la Tierra sus

haces haces ((∅∅ pocos a) no se detectan (aunque pocos a) no se detectan (aunque sonson

pulsares)pulsares)

Observaciones son consistentes con:Observaciones son consistentes con:- todas * * de alta masa sufren supernova (SN II) - todas * * de alta masa sufren supernova (SN II)

SN SN- todas NS (jóvenes) emiten haces de radiación- todas NS (jóvenes) emiten haces de radiación Algunos pulsares están definitivamente asociados Algunos pulsares están definitivamente asociados

con remanentes de SN (SNR), p, e. neb. de con remanentes de SN (SNR), p, e. neb. de Cangrejo y SNR de Vela. Cangrejo y SNR de Vela.

Mecanismos de radiación altamente complejos:Mecanismos de radiación altamente complejos: campo B girando causa campo E por campo B girando causa campo E por inducción inducción aceleración de partículasaceleración de partículas


Pulsos ópticos, descub. Pulsos ópticos, descub. en Enero 1969en Enero 1969

variaciones porvariaciones porondas de choqueondas de choquecon vel. ~ 0.5 ccon vel. ~ 0.5 cHST 1995 - 96HST 1995 - 96

pulsos enpulsos enrayos X:rayos X:

La nebulosaLa nebulosadel Cangrejodel Cangrejo(Crab nebula)(Crab nebula)

Observ. X “Chandra”Observ. X “Chandra”

disco dedisco deacreciónacreción

arcos dearcos delongitudlongitud~años luz~años luz


Con los primeros telescopios de rayos X Con los primeros telescopios de rayos X (orbitales, (orbitales, 1970) 1970)

““X-ray bursters” (estallidos de X-ray bursters” (estallidos de rayos-X) rayos-X) cerca del centro galácticocerca del centro galáctico y de centros de cúmulos globularesy de centros de cúmulos globulares - miles de L- miles de L, durante segundos , durante segundos - Origen: binaria con NS y * de sec. - Origen: binaria con NS y * de sec. ppal. o gigante (similar a nova, ppal. o gigante (similar a nova, pero más violento) pero más violento) NS “roba” material de compañeraNS “roba” material de compañera disco de acreción (acresentamiento) disco de acreción (acresentamiento) calienta y (al caerse sobre la NS) calienta y (al caerse sobre la NS) emite rayos X continuamenteemite rayos X continuamente

Binarias de Estrellas Binarias de Estrellas Neutrónicas (NSB)Neutrónicas (NSB)

gas acumula en superficie de NS gas acumula en superficie de NS calienta y calienta y comprime comprime

fusión violenta de H en capa superficial fusión violenta de H en capa superficial estallido de rayos X (pocos seg); se repiten estallido de rayos X (pocos seg); se repiten

dentro de horasdentro de horas


- descubiertos - descubiertos 1967 1967 por por satélites militares (de satélites militares (de E.U.) E.U.) para revelar pruebas para revelar pruebas nucleares de otros nucleares de otros países.países.- muy brillantes, - muy brillantes, irregulares, irregulares, duración: duración: ≲≲1 s … ≳1 s … ≳ 1 1 minmin

- su origen - su origen permanecerá permanecerá desconocido hasta desconocido hasta 1997 1997 ((¡ durante ¡ durante 30 años !) 30 años !) - no se repiten en el - no se repiten en el mismo mismo lugar (aunque lugar (aunque incertidumbre incertidumbre posicional posicional 11oo - 4 - 4oo en en el cielo el cielo identif. óptica identif. óptica imposible) imposible)

Destellos de Rayos Gamma (GRB Destellos de Rayos Gamma (GRB = =

gamma ray burstsgamma ray bursts))


- algunos GRBs: localizados dentro de pocos - algunos GRBs: localizados dentro de pocos minutos de arcominutos de arco

(triangulación por varios satélites (triangulación por varios satélites interplanetarios: dist. ~1 UA)interplanetarios: dist. ~1 UA)

búsqueda en archivos de placas fotográficas búsqueda en archivos de placas fotográficas no resultano resulta

en candidatos ópticos en candidatos ópticos - - ≲≲1980: más teorías sobre su origen que 1980: más teorías sobre su origen que

estallidos observados !estallidos observados !

- - 1990 - 95 “Compton Gamma-Ray 1990 - 95 “Compton Gamma-Ray Observatory” (CGRO) utiliza detector “BATSE” Observatory” (CGRO) utiliza detector “BATSE” para detectar para detectar >>2000 destellos 2000 destellos

(2-3 por día) (2-3 por día) distribución perfectamente distribución perfectamente isotrópica isotrópica

origen en Vía Láctea no es plausible,origen en Vía Láctea no es plausible, excepto si vienen de muy cerca ( excepto si vienen de muy cerca ( <<espesor espesor

galáctico galáctico ≈≈ 40 pc); 40 pc); - cúmulos globulares - cúmulos globulares ⇔⇔ asimetría (descartado) asimetría (descartado) - ni hay concentración hacia “supercúmulo local - ni hay concentración hacia “supercúmulo local

de galaxias”de galaxias” origen más probable es “cosmológico” origen más probable es “cosmológico” distancias distancias ≫≫10 Mpc 10 Mpc


Adelanto repentino en 1997: detectan el “afterglow” Adelanto repentino en 1997: detectan el “afterglow” (brillo residual,(brillo residual, crepúsculo, ocaso) y “sacar” su espectrocrepúsculo, ocaso) y “sacar” su espectro derivan corrimiento al rojo z=0.695 derivan corrimiento al rojo z=0.695 distancia distancia ≈≈ 2 10 2 1099 pc pcHOYHOY: crepúsculo de : crepúsculo de >>100 100 estallidosestallidos observados: 0.0085 observados: 0.0085 << z z < < 4.6;4.6; unos pocos asociados con unos pocos asociados con supernovassupernovas

GRB 970228GRB 970228

galaxia “huesped”galaxia “huesped”

Distribución cumulativa de ~50 GRBsDistribución cumulativa de ~50 GRBscon “redshift” z (Natarayan et al. 2005)con “redshift” z (Natarayan et al. 2005)

N(<z)N(<z)

Corrimiento al rojo zCorrimiento al rojo z


Dos modelos básicos para GRBs (todavía en discusión):Dos modelos básicos para GRBs (todavía en discusión):• Fusión de 2 NS en una binaria: cuando distan menos Fusión de 2 NS en una binaria: cuando distan menos que que unos pocos km unos pocos km unión es inevitable unión es inevitable explosión explosión violentaviolenta momento angular crea chorros relativistas ?momento angular crea chorros relativistas ?• Hipernova: estrella supermasiva (~30 . . . 80 MHipernova: estrella supermasiva (~30 . . . 80 M⊙⊙) ) colapsa a un BH;colapsa a un BH;

cáscara saliendo se frena e “implode” sobre el BH cáscara saliendo se frena e “implode” sobre el BH disco de acrecióndisco de acreción chorros relativistaschorros relativistas


- crepúsculos muestran parpadeo de mseg - crepúsculos muestran parpadeo de mseg radiación original en radiación original en ∅≲∅≲ 300 km ( 300 km (≈≈ c * 10 c * 10--

33s)s)Posible origen: binaria con 2 NS Posible origen: binaria con 2 NS se aproximan se aproximan por pérdida de energía (pulsar, ondas por pérdida de energía (pulsar, ondas gravitacionales) gravitacionales) fusiónan eventualmentefusiónan eventualmente

PROBLEMAS: GRBs tan distantes son PROBLEMAS: GRBs tan distantes son extremamente energéticos:extremamente energéticos: EEtottot ~ 1 ... 500 E(supernova) liberado dentro ~ 1 ... 500 E(supernova) liberado dentro de segundos de segundos

GRB990123: EGRB990123: Etottot ( (γγ) = 3.4 10) = 3.4 104747 J = 1.9 M J = 1.9 M c c22

(posible “alivio”: emisión anisotrópica (posible “alivio”: emisión anisotrópica sólo sólo vemos algunos GRBs que emiten en dirección vemos algunos GRBs que emiten en dirección de la Tierra) de la Tierra)


Pulsares de milisegundos (millisecond pulsars, Pulsares de milisegundos (millisecond pulsars, MSP)MSP)- Descubiertos - Descubiertos 1985: centenares o miles de 1985: centenares o miles de

rotaciones / seg ;rotaciones / seg ; justo por debajo de la velocidad a la que se justo por debajo de la velocidad a la que se

rompería la NS; rompería la NS; velocidad superficial en su ecuador velocidad superficial en su ecuador ≲ ≲ 0.2 c !0.2 c !- muchos MSP encontrados en cúmulos globulares: - muchos MSP encontrados en cúmulos globulares: récord actual: 26 en Terzan 5; 22 en 47 récord actual: 26 en Terzan 5; 22 en 47

Tucanae Tucanae - Problema: cúmulos globulares son viejos (- Problema: cúmulos globulares son viejos (10101010a) a) sin formación ni SN recientes;sin formación ni SN recientes; - NS pierden su - NS pierden su

rotación en rotación en 101077 a a

no debe haber NSsno debe haber NSs rápidos hoy díarápidos hoy día? ? acelaración de la acelaración de la

rotación por acreción rotación por acreción de materia de de materia de compañera compañera (contribuye al (contribuye al momento angular)momento angular)


- cálculo teórico: NS puede acelerar al límite de - cálculo teórico: NS puede acelerar al límite de rotura en rotura en 10 1077aa

¿ Por qué hay pulsares de milisegundos aislados ?¿ Por qué hay pulsares de milisegundos aislados ? - encuentro de la binaria con otras estrellas - encuentro de la binaria con otras estrellas

puedepuede “ “expulsar” al pulsar expulsar” al pulsar - pulsar puede destruir su compañera con su - pulsar puede destruir su compañera con su

intensa radiación o intensa radiación o “ “comersela” (Black Widow pulsar, de “viuda comersela” (Black Widow pulsar, de “viuda

negra”)negra”) - consistente con la observación : - consistente con la observación : más que la mitadmás que la mitad de los MSP están en de los MSP están en

sistemas binarios sistemas binarios


Planetas alrededor de pulsares tipo MSPPlanetas alrededor de pulsares tipo MSP alta frecuencia de rotación alta frecuencia de rotación alto número de alto número de pulsos observadospulsos observados

muy buena estadística temporalmuy buena estadística temporal se detecta cambios de período con P/P se detecta cambios de período con P/P ≲≲1010-17-17 1992: se detecta pulsar con variaciones regulares 1992: se detecta pulsar con variaciones regulares (P/P ≈ 10(P/P ≈ 10-7-7) ) con períodos de 67 y 98 días con períodos de 67 y 98 días efecto Doppler hace disminuir (prolongar) efecto Doppler hace disminuir (prolongar) período cuando período cuando pulsar retrocede de (avanza hacia) nosotros pulsar retrocede de (avanza hacia) nosotros por estar en órbita con otro cuerpo: planeta ! por estar en órbita con otro cuerpo: planeta ! Se han detectado 3 planetas a 0.2, 0.4 y 0.5 U.A. Se han detectado 3 planetas a 0.2, 0.4 y 0.5 U.A. del pulsar PSR 1257+12del pulsar PSR 1257+12 primera evidencia definitiva de cuerpos primera evidencia definitiva de cuerpos planetaresplanetares fuera de nuestro sistema solar fuera de nuestro sistema solar

....


¿ Cómo se forman estos planetas ?¿ Cómo se forman estos planetas ? - explosión SN II los debe destruir ( - explosión SN II los debe destruir ( ¿ ¿ y Tierra y Tierra cuando muere Sol ?)cuando muere Sol ?) quizás el pulsar destruyó a su compañeraquizás el pulsar destruyó a su compañera restos condensan en un disco de restos condensan en un disco de acrecentamientoacrecentamiento alrededor del pulsaralrededor del pulsar

- CURIOSIDAD:- CURIOSIDAD: planetas alrededor de * * de sec. ppal. hasta planetas alrededor de * * de sec. ppal. hasta ahora detectados ahora detectados tienen M tienen M ≫≫MMTierraTierra y planetas con M y planetas con M ≈ ≈ MMTierraTierra sólo alrededor de * * sólo alrededor de * * muertas (NS)muertas (NS) ¡ se cree que esto es por limitación ¡ se cree que esto es por limitación observacional !observacional ! (períodos de pulsares más precisos que (períodos de pulsares más precisos que espectros ópticosespectros ópticos de ** con planetas)de ** con planetas)


HOYOS NEGROSHOYOS NEGROS (black holes, BH) (black holes, BH)

- Una * neutrónica con M- Una * neutrónica con MNSNS ≳≳3 M3 M no resiste no resiste presión gravitacional presión gravitacional colapsa indefinidamente colapsa indefinidamente “hoyo negro” “hoyo negro”- M- MNSNS depende de cuanto de la * original fue depende de cuanto de la * original fue expulsado en la SN IIexpulsado en la SN II- Hay acuerdo en que :- Hay acuerdo en que : todas * * con Mtodas * * con M** >> 25 M 25 M M MNS NS > 3 > 3 MM BH BH- colapso implica atracción gravitacional tan fuerte - colapso implica atracción gravitacional tan fuerte que ningún fotón que ningún fotón (de ninguna frecuencia) puede escapar (de ninguna frecuencia) puede escapar - descripción del ambiente de BHs requiere la - descripción del ambiente de BHs requiere la teoría de la teoría de la relatividad general (Newton fracasa)relatividad general (Newton fracasa) John Michell (1783): analogía newtoniana para John Michell (1783): analogía newtoniana para Sol (vSol (vescesc=618 km/s)=618 km/s) cuerpo con cuerpo con ρρSolSol y R=500 R y R=500 R vvescapeescape = c = c luz luz no puedeno puede escaparescapar “ “HOYO NEGRO” HOYO NEGRO” ⇔⇔ luz (información) no escapa, luz (información) no escapa, pero …pero … . . . . . . ¡ ¡ se sientese siente la gravedad en su la gravedad en su ambiente !ambiente !


Analogía newtoniana para Tierra (vAnalogía newtoniana para Tierra (vescapeescape = 11 km/s) = 11 km/s) vvescape escape R R-1/2-1/2 = = 1 /√R1 /√R para vpara vescesc ≈ c ≈ c R RTierraTierra 1 cm 1 cm

El horizonte de eventos (EH = event El horizonte de eventos (EH = event horizon):horizon): = esfera de un radio dentro del cual no escapa la luz:

= radio de Schwarzschild RS RS (Tierra) = 1 cm; RS (Júp.) = 3 m; RS (Sol) = 3 km;

RS (M*) = 2 G M*/c2 ≃ (M/M) 3 km

⇔ vesc = √GM/R = c (Newton correcto de casualidad !) para NS con MNS = 1.4 M RNS = 10 km; RS = 4.2 km si aumenta MNS (por acreción) RS aumenta, pero RNS disminuye (por presión gravitacional) encima de 3 M: RNS ≤ RS

estrella “desaparece” dentro de su horizonte de eventos


HOYOS NEGROSHOYOS NEGROS y el Espacio Curvo y el Espacio Curvo

- Relatividad General: materia “distorciona” (curva)- Relatividad General: materia “distorciona” (curva) el espacio alrededor suya;el espacio alrededor suya;

- Newton: planetas siguen elipses por la - Newton: planetas siguen elipses por la aceleración gravitacionalaceleración gravitacional - Einstein: cualquier masa (p.e, planetas) y - Einstein: cualquier masa (p.e, planetas) y radiación (fotones)radiación (fotones) siguen caminos “geodésicos” = líneas más cortas siguen caminos “geodésicos” = líneas más cortas en espacio curvo en espacio curvo p.e. en una esfera: círculos mayores (p.e. p.e. en una esfera: círculos mayores (p.e. meridianos), meridianos), pero NO los loxodromes, o los círculos de pero NO los loxodromes, o los círculos de latitud)latitud) curvatura es proporcional a la masa curvatura es proporcional a la masa en el en el horizonte de eventos horizonte de eventos el espacio se dobla “sobre sí mismo” el espacio se dobla “sobre sí mismo” objetos quedan atrapados objetos quedan atrapados


Analogía bidimensional: Mesa de billar hecha Analogía bidimensional: Mesa de billar hecha por red de ligaspor red de ligas se doblan proporcional a la masa puesta se doblan proporcional a la masa puesta encimaencima para apuntar bien, para apuntar bien, hay que incluir elhay que incluir el efecto de distorsión !efecto de distorsión !


- la red se tuerce con mayor número de gente - la red se tuerce con mayor número de gente (por camino más largo)(por camino más largo)- “bolas de información” (fotones) llegan con - “bolas de información” (fotones) llegan con menor frecuenciamenor frecuencia

- a cierto punto la gente queda atrapada: - a cierto punto la gente queda atrapada: las bolas sólo pueden entrar pero no salir las bolas sólo pueden entrar pero no salir

Analogía 2: reunión de gente sobre una Analogía 2: reunión de gente sobre una red de ligas:red de ligas:


Viajes espaciales alrededor de Hoyos Viajes espaciales alrededor de Hoyos NegrosNegros- órbitas alrededor de BHs - órbitas alrededor de BHs casi normales para radios casi normales para radios orbitales orbitales ≫≫ R RSS; para r; para rorborb ≳ ≳ RRS S son diferentes (p.e. son diferentes (p.e. precesión del perihelio de precesión del perihelio de Mercurio)Mercurio)

- materia cerca de R- materia cerca de RSS sufre sufre extremas tensiones de extremas tensiones de marea: Fmarea: Fgravgrav mucho mayor en mucho mayor en lado interior que en el lado lado interior que en el lado exterior exterior “fricción de “fricción de marea” marea” calentamiento de calentamiento de la materia cayéndose (disco la materia cayéndose (disco de acreción)de acreción)

radiación (p.e. de curvatura), mecanismos radiación (p.e. de curvatura), mecanismos complejos;complejos;

- para M- para MBHBH 3 M 3 M máximo de radiación en rayos X máximo de radiación en rayos X

BH mismo = pozo de radiación; su vecindad = BH mismo = pozo de radiación; su vecindad = fuente de radiaciónfuente de radiación

imagen pocoimagen pocorealista . . .realista . . .¿por qué ?¿por qué ?


Viaje al horizonte de evento Viaje al horizonte de evento (EH)(EH)- robot desciende en una órbita - robot desciende en una órbita espiralespiral

- lleva reloj preciso y emite luz de - lleva reloj preciso y emite luz de color (color (νν) fijo) fijo

- visto de lejos: luz “enrojece” con descenso,- visto de lejos: luz “enrojece” con descenso, por “corrimiento al rojo gravitacional”;por “corrimiento al rojo gravitacional”;

11aa confirmación en Tierra: Pound & Rebka confirmación en Tierra: Pound & Rebka 1959 vía efecto Mö1959 vía efecto Möββbauer (1956, pr. Nobel ‘61) bauer (1956, pr. Nobel ‘61) en torre de 22.5m, usando línea gamma en torre de 22.5m, usando línea gamma extremamente delgada: miden extremamente delgada: miden ∆∆νν//νν ~ 5 10 ~ 5 10-15-15

fotones pierden energía (hfotones pierden energía (hνν) pero siguen con ) pero siguen con veloc. = cveloc. = c νν decrece, decrece, λλ aumenta aumenta color de luz enrojececolor de luz enrojece mucho al alejarse del BHmucho al alejarse del BH zzgravgrav ≈ ≈ GM/cGM/c22rr donde z = (donde z = (λλobsobs−−λλemem)/)/λλemem

= ”gravitational redshift”= ”gravitational redshift”

Para MPara MBHBH 1 M 1 M; R; RSS = 3 km; = 3 km;

rayos de luz emitidos rayos de luz emitidos radialmente: radialmente:

r = 10 km r = 10 km 100 km 100 km 10 10 000 km000 km

visible IR visible IR radioradio

rayos X UV rayos X UV visiblevisible


luz de r = 3 km (EH): luz de r = 3 km (EH):

λλ ∞ (“no sale”) ∞ (“no sale”)- los tics del reloj - los tics del reloj llegan con llegan con

período cada vez período cada vez mayor mayor

dilatación del dilatación del tiempo en tiempo en

campos grav. muy campos grav. muy fuertes;fuertes;

a r = 3 km (EH) el a r = 3 km (EH) el reloj “para” reloj “para”

(visto de lejos); (visto de lejos); consistenteconsistente

con el corrimiento al con el corrimiento al rojo rojo

gravitacional: crestas gravitacional: crestas de la de la

radiación radiación electromagnética electromagnética

≙≙ “ “tics” de un tics” de un reloj reloj

¡ En el marco del robot (“rest frame”) ni reloj ni ¡ En el marco del robot (“rest frame”) ni reloj ni color de luz cambian !color de luz cambian !

(sólo las fuerzas de marea lo destrozan …)(sólo las fuerzas de marea lo destrozan …)


PRUEBAS DE LA TEORÍA DE PRUEBAS DE LA TEORÍA DE RELATIVIDAD GENERAL (GRT)RELATIVIDAD GENERAL (GRT)

Teoría especial de la relatividad (SRT, 1905) es la Teoría especial de la relatividad (SRT, 1905) es la más precisamente probada de la historia de la más precisamente probada de la historia de la ciencia (fácil en el laboratorio)ciencia (fácil en el laboratorio)

GRT (1915) más difícil probar GRT (1915) más difícil probar requiere requiere situaciones extremas del Universo: campos grav. situaciones extremas del Universo: campos grav. muy fuertes y v muy fuertes y v ≲≲ c c

NO hay pruebas de la GRT en límite de campos NO hay pruebas de la GRT en límite de campos fuertes,fuertes,

pero muchos para “campos débiles” (p.e. pero muchos para “campos débiles” (p.e. pulsar binario)pulsar binario)

A) Deflexión de luz cerca de masas grandes; aquí: A) Deflexión de luz cerca de masas grandes; aquí: rayo de luz “rozando” superficie del Sol (ángula rayo de luz “rozando” superficie del Sol (ángula decrece con mayor distancia o “parámetro de decrece con mayor distancia o “parámetro de impacto”): impacto”):

Einstein: Einstein: θθ = = 1.751.75““

Newton: Newton: θθ = = 0.80.8""


Problema: estrellas alrededor del Sol son visibles Problema: estrellas alrededor del Sol son visibles sólo durante eclipse solar; predicción de sólo durante eclipse solar; predicción de Einstein Einstein 1915: 1 1915: 1aa Guerra Mundial Guerra Mundial

29 May 191929 May 1919: eclipse total solar: equipo británico : eclipse total solar: equipo británico viaja a Brasil e Isla Príncipe (frente Guinea viaja a Brasil e Isla Príncipe (frente Guinea ecuatorial, Africa) ecuatorial, Africa) fotos confirman valor fotos confirman valor predicho por GTR predicho por GTR Einstein se vuelve célebre Einstein se vuelve célebre B) Precesión del B) Precesión del

perihelio deperihelio de MercurioMercurio

GRT predice qué las GRT predice qué las órbitas de planetas no órbitas de planetas no son elipses cerradas, son elipses cerradas, pero su perihelio (y pero su perihelio (y aphelio) avanzan en aphelio) avanzan en sentido orbital; efecto sentido orbital; efecto mayor más cerca de mayor más cerca de masas grandes (como el masas grandes (como el Sol): Sol):

4343"" por siglo para por siglo para MercurioMercurio

(medido bien antes de (medido bien antes de Einstein) Einstein)


Pruebas actuales para la GRT (ver p.e. Sky & Pruebas actuales para la GRT (ver p.e. Sky & Telescope, Julio 2005):Telescope, Julio 2005):

- - APOLLOAPOLLO:: monitoreo monitoreo preciso de distancia Luna-preciso de distancia Luna-Tierra con Tierra con

reflectores en la Luna reflectores en la Luna probar principio de probar principio de equivalencia entre equivalencia entre

masa intercial y gravitacionalmasa intercial y gravitacional - - GRAVITY PROBE BGRAVITY PROBE B:: probar efecto geodético y probar efecto geodético y “frame dragging”“frame dragging”

- - Pulsar binario PSR J0737-3039Pulsar binario PSR J0737-3039:: reduce su semi-eje reduce su semi-eje mayor pormayor por

7mm/día; precesión del periastron por 3607mm/día; precesión del periastron por 360oo cada cada 21.3 años21.3 años

ondas gravitacionales? ondas gravitacionales? “ “Shapiro delay”: desviación de la radiación del Shapiro delay”: desviación de la radiación del pulsar A cuandopulsar A cuando

está atrás de B causa retrazo de los pulsosestá atrás de B causa retrazo de los pulsos - - Sombras de Hoyos Negros:Sombras de Hoyos Negros: desviación de la luz desviación de la luz por gravedad delpor gravedad del

BH BH luz de ** atrás del BH no nos llega luz de ** atrás del BH no nos llega sombra? sombra?

Observaciones con radiointerferometría global Observaciones con radiointerferometría global a a λλ < 1.5 mm< 1.5 mm

del BH en el centro Galáctico y en la galaxia del BH en el centro Galáctico y en la galaxia M87M87


¿ Qué hay adentro del hoyo negro ?¿ Qué hay adentro del hoyo negro ? ¡ No sabemos ni podemos saber !¡ No sabemos ni podemos saber !

GRT predice colapso gravitacional hacia un punto GRT predice colapso gravitacional hacia un punto (singularidad) (singularidad)

pero: “singularidad” suele indicar sólo un límite de pero: “singularidad” suele indicar sólo un límite de una teoría;una teoría;

la física actual no alcanza a describir momentos la física actual no alcanza a describir momentos finales del colapso finales del colapso

requiere fusión de GRT con mecánica cuánticarequiere fusión de GRT con mecánica cuántica (“quantum gravity”: Einstein la busca en vano (“quantum gravity”: Einstein la busca en vano por 30 años…)por 30 años…)


Evidencias observacionales para Evidencias observacionales para hoyos negroshoyos negros

- - Hoyos negros en Binarias:Hoyos negros en Binarias:(A)(A)Fuente rayos X “Cyg X-1” (descubierta por Fuente rayos X “Cyg X-1” (descubierta por

satélite satélite UHURUUHURU, 1972): * visible = supergigante , 1972): * visible = supergigante tipo B con M tipo B con M 25 M 25 M;;

espectroscopía indica período de 5.6 días y espectroscopía indica período de 5.6 días y velocidad orbital de modo que Mvelocidad orbital de modo que MA+BA+B ≈≈ 35 M 35 M

compañera tiene compañera tiene 10 M 10 M; emisión rayos X ; emisión rayos X indica T indica T ≫≫10106 6 KK

y muestra variaciones en miliseg. y muestra variaciones en miliseg. ∅ ∅ << 300 300 km km BH? BH?

ópticoóptico imagen rayos X:imagen rayos X:


(B) (B) LMC X-3LMC X-3: 3: 3aa fuente fuente de rayos X de rayos X descubierta en descubierta en

Nube Grande de Nube Grande de Magallanes; Magallanes; compañera visible compañera visible está distorcionada en está distorcionada en forma de elipsoide forma de elipsoide (“huevo”) por objeto (“huevo”) por objeto compacto de compacto de 10 M 10 M BH? BH? - Hoyo negro “supermasivo” en el centro de - Hoyo negro “supermasivo” en el centro de

(nuestra) galaxia(s) :(nuestra) galaxia(s) : dispersión de velocidades de estrellas y dispersión de velocidades de estrellas y

variabilidad rápida de variabilidad rápida de

rayos X en núcleos de galaxias rayos X en núcleos de galaxias M MBHBH = 10 = 106 6 ((VLVL)) . . . . . 10. 1099 M M ((M87M87))

Vía Láctea: Schödel et al 2002 (Nature 419, 694) Vía Láctea: Schödel et al 2002 (Nature 419, 694) reportan 10 años de astrometría de * más reportan 10 años de astrometría de * más cercana al candidato del BH (Sagitario A*): cercana al candidato del BH (Sagitario A*): período de 15.2 a con pericentro de 17 horas luz período de 15.2 a con pericentro de 17 horas luz requiere masa central de (3.7 requiere masa central de (3.7 ±± 1.5) 10 1.5) 1066 M M : no : no puede ser otra cosa que BH !puede ser otra cosa que BH !


¿ Cómo distinguir entre * neutrónica (NS) y hoyo ¿ Cómo distinguir entre * neutrónica (NS) y hoyo negro (BH) ?negro (BH) ?

* neutrónica (NS)* neutrónica (NS) -- M -- M << 3 M 3 M -- campo B fuerte-- campo B fuerte -- pulsos de rayos-X -- pulsos de rayos-X

yy en radio en radio

regularesregulares

Hoyo negro (BH) Hoyo negro (BH) -- M -- M > > 3 M3 M -- no tiene campo B -- no tiene campo B -- variaciones -- variaciones

irregulares irregulares de radiación Xde radiación XBHs sólo tienen 3 parámetros:BHs sólo tienen 3 parámetros:

masa, momento angular y carga eléctricamasa, momento angular y carga eléctrica (teorema “no hair”, BH “no tienen cabello”)(teorema “no hair”, BH “no tienen cabello”) momento angular máximo Lmomento angular máximo Lmaxmax = GM = GM22 /c /c LLmax max (1 M(1 M) ) ≈≈ 18% del momento angular del 18% del momento angular del SolSol mayoría de BHs estarán cerca de Lmayoría de BHs estarán cerca de Lmaxmax BH con rotación:BH con rotación: horizonte de eventos = elipsoide rotacional horizonte de eventos = elipsoide rotacional ergósfera = toroide exterior al horizonte de ergósfera = toroide exterior al horizonte de eventos eventos (zona que requeriría v (zona que requeriría v >> c) c)


BH no tienen campo magnético, pero…BH no tienen campo magnético, pero… radiación de Hawking radiación de Hawking BHs evaporan? BHs evaporan?

… … y muchas especulaciones mas …y muchas especulaciones mas …

-- singularidad permite transferencia de materia -- singularidad permite transferencia de materia aa “ “otros universos” (viola conservación de otros universos” (viola conservación de energía)energía) -- “mini black holes” (M < 1 g) volando en todos -- “mini black holes” (M < 1 g) volando en todos lados …? lados …? -- viajes en el tiempo ? (viola causalidad)-- viajes en el tiempo ? (viola causalidad)

INTRODUCCION A LA ASTRONOMÍA 437 ¿ Qué es lo que queda de la * tras la explosión de SN ? 3.6...

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