Post on 01-Jan-2016
description
transcript
Hodně hustý RENTGEN (extrémní hvězdy)Gabriel Török
UF FPF SU Opava, www.physics.cz
Podpořeno v rámci OPVK CZ.1.07/2.3.00/20.0071 „SYNERGY“. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
OTÁZKA: Kolik andělů se vejde na špičku jehly ?Záleží na velikosti andělůa na velikosti jehly….
Při zanedbání efektů kvantové mechaniky a dobré znalosti morfologie andělů se jedná o triviální výpočet.
1. Otázka a odpověď (ilustrace vědecké metody )
OTÁZKA: Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky ?
1. Otázka
~ 0.06m~ 4m
~ 3m
~ 0.006m
V = 4/3 p (0.003m)3 = 10-7 m3
M ~ 5000 kg tzv.
kan
onic
ký š
pend
lík
Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky =>
?
Jiná OTÁZKA: Jak moc lze stlačit slona
1. Otázka
~ 0.06m
~ 0.006m
V = 10-7 m3
M ~ 8000 kg
tzv.
kan
onic
ký š
pend
lík
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.
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 případná exploze supernovy.
Movie: nasa.gov
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. V závislosti na počáteční konfiguraci vznikne bílý trpaslík, neutronová či kvarková hvězda, nebo černá díra (NS, QS, BH):
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
106 -
WD vzniká relativně klidnou degenerací.Geneze NS, QS a BH probíhá jako výbuchsupernovy.
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
106 -
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):
WD vzniká relativně klidnou degenerací.
2. „Mrtvé“ hvězdy – Vlastnosti a struktura bílého trpaslíka
Vlastnosti a struktura bílého trpaslíka
Fig: nasa.gov, spacetoday.org
„Like other white dwarfs, Lucy is composed mostly of carbon and oxygen created by the past thermonuclear fusion of helium nuclei.“
V*886 Cen
- R okolo 103 - 104 km (srovnatelné se Zemí, cca 1/100 oproti Slunci)- hmotnost srovnatelná se Sluncem (které má zhruba hustotu vody, tj. 1000 kgm-3)- > hustota cca(100x100x100)x1000 = 109kgm-3 (106 gcm-3), centrální hustota až 1011kgm-3
hmotnost slona / objem špendlíkové hlavičky = cca 5x103kg / cca 10-7m-3 = 5x1010 kgm-3
V*886 Cen
Bílý trpaslík je tedy „obrovský diamant“ o hustotě asi 1
2. „Mrtvé“ hvězdy – Vlastnosti a struktura bílého trpaslíka
- R okolo 103 - 104 km (srovnatelné se Zemí, cca 1/100 oproti Slunci)- hmotnost srovnatelná se Sluncem (které má zhruba hustotu vody, tj. 1000 kgm-3)- > hustota cca(100x100x100)x1000 = 109kgm-3 (106 gcm-3), centrální hustota až 1011kgm-3
hmotnost slona / objem špendlíkové hlavičky = cca 5x103kg / cca 10-7m-3 = 5x1010 kgm-3
V*886 Cen
Bílý trpaslík je tedy „obrovský diamant“ o hustotě asi 1 EpPH
2. „Mrtvé“ hvězdy – Vlastnosti a struktura bílého trpaslíka
- R okolo 103 - 104 km (srovnatelné se Zemí, cca 1/100 oproti Slunci)- hmotnost srovnatelná se Sluncem (které má zhruba hustotu vody, tj. 1000 kgm-3)- > hustota cca(100x100x100)x1000 = 109kgm-3 (106 gcm-3), centrální hustota až 1011kgm-3
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
106 -
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):
Fig: nasa.gov
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
106 -
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 QS probíhá jako výbuchsupernovy. Exploze původního objektu vel-kého řádově stovky tisíc km zanechá cca10km těleso.
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
Vlastnosti a struktura neutronové hvězdy
Hustota cca0.01 až 106
Fig: nasa.gov
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
106 -
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 QS probíhá jako výbuchsupernovy. Exploze původního objektu vel-kého řádově stovky tisíc km zanechá cca10km těleso.
Fig: nasa.gov
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
106 -
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 QS probíhá jako výbuchsupernovy. Exploze původního objektu vel-kého řádově stovky tisíc km zanechá cca10km těleso.
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
Vlastnosti a struktura podivné (kvarkové) hvězdy
Hustota až 108
Fig: nasa.gov
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
106 -
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 QS probíhá jako výbuchsupernovy. Exploze původního objektu vel-kého řádově stovky tisíc km zanechá cca10km těleso.
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):
Fig: nasa.gov
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
106 -
- Stelární BH (např. GRS 1915+105, cca 10Msun)- Středněhmotné BH - Supermasivní BH (např. BH v Andromedě, cca 10^8Msun)
(BH v centru Galaxie, Sgr A*, cca 5x10^6 Msun)
- Primordiální BH
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
Singularita
Horizont (nerotující BH)
Struktura černé díry
Black hole
106 -
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
Black hole
Struktura černé díry
Horizont
106 -
Vs ~ 4/3 p (2.95km)3 x ( )3
Hustota
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
Black hole
Horizont
Vs ~ 4/3 p (2.95km)3 x ( )3
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. „
?5000 kg
2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
~ 0.006m
M = rs (c2 / 2G)
= 0.003 x 1.5 x 1027 kg= 5 x 1024 kg
= 1021
kano
nick
ý šp
endl
ík
Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky
!
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…
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.
3. Mrtvé a žhavé vs. Einstein
Movie: nasa.gov
• density comparable to the Sun• mass in units of solar masses• temperature ~ roughly as the T Sun• moreless optical wavelengths
Artists view of LMXBs“as seen from a hypothetical planet”
Companion:
Compact object:- black hole or neutron star
Accretion disc:- Keplerian ang. 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)
3. Mrtvé a žhavé (Binární systémy kompaktních objektů)
Artists view of LMXBs“as seen from a hypothetical planet”
X-ray satellites“the real eyes”
3. Mrtvé a žhavé (Binární systémy kompaktních objektů)
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).
Example of the Galactic microquasar GRS 1915+105: the concept and what is seen.
Gamma rayX-ray “white dot” of GRS 1915+105
Companion
Disc
Jet
Fig: nasa.gov., Hannikainen et al. 2003
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 thousands photons per second. It, however, provides only existing link to an orbital motion in the superstrong gravitational field…
radio
3. Mrtvé a žhavé (Binární systémy kompaktních objektů)
a=0 a~1
4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR
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.
Potvrzení existence mezní stabilní orbity představuje jednu z výzev současné rentgenové astronomie. Záření akreovaného plynu v její blízkosti nese značné množství informací o kompaktních objektech, fyzice prostoročasu i mikrofyzice.
Fig: nasa.gov
4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR
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 &Timing research(Here we focus just on the timing properties of X-ray detected from LMXBs.)
Observed systems shows rather complicated behaviour in
-Long-term variability (discussed in terms of lightcurves, from hours to days)-Short-term variability (discussed in terms of PDS, mHz to kHz), corresponding to the “relativistic orbital” timescales.
5. Observace
t
I
Pow
erFrequency
Data: světelná křivka
Reprezentace dat: PDS
Figs on this page: nasa.gov
5. Observace
Figs: from the collection of van der Klis, 2006
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)
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.).
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.).
5. Observace
Cour
tesy
of P
. Bak
ala
Fig: nasa.gov
LMXBs short-term X-ray variability:“flat” components
Flat components forming the shape of PDS can be most likely explained in terms of motion of “hotspots” with a stochastic distribution and evolution. Systematic and flexible approach to this problem is presented in a recent work of Pecháček, Karas and Czerny (A&A 2008).
Pech
áček
et a
l. 20
08
5. Observace
Fig: nasa.gov
LMXBs short-term X-ray variability:peaked components
• Low frequency QPOs (up to 100Hz)
• hecto-hertz QPOs (100-200Hz)
• kHz QPOs (~200-1500Hz): Lower and upper QPO mode forming twin peak QPOs
frequency
pow
er
Sco X-1
kHz QPO origin remains questionable, it is often expected that they are associated to the orbital motion in the inner part of the disc.
Individual peaks can be related to a set of oscillators as well as to a time evolution of an oscillator.
5. Observace
kHz QPOs in microquasars
originate inside of a region about 1000 km around black holes correspond to the orbital frequencies expected in the innermost part of accretion discs displays 1/M scaling being in accord with the general-relativity-predicted scaling of accretion disc orbital frequencies Mystery of 3:2 frequency- ratio
=> Are tightly connected to the orbital motion inside the inner part of acretion disc ?
No QPO detections in situations like 2 and 3
5. Observace
Törö
k et
al.,
200
5, A
&A
Adopted from N
ASA public.
kHz QPOs in microquasars
originate inside of a region about 1000 km around black holes correspond to the orbital frequencies expected in the innermost part of accretion discs displays 1/M scaling being in accord with the general-relativity-predicted scaling of accretion disc orbital frequencies Mystery of 3:2 frequency- ratio
=> Are tightly connected to the orbital motion inside the inner part of acretion disc ?
5. Observace
Bursa 2004
Abramowicz & Kluzniak
Törö
k et
al.,
200
5, A
&A
kHz QPOs in neutron stars5. Observace
Effect displayed by 10 NS sources (representing more than a half of the actual NS population exhibiting clear variable kHz QPOs).
Törö
k et
al.,
200
8, 2
009;
AcA
, A&
A
6. Lightcurve Modelling: Implementation Basis & “Reverse Engineering”
COLLABORATION:
Pavel Bakala, Vladimír Karas, Michal Dovčiak, Martin Wildner, Dalibor Wzientek, Marek Abramowicz, Eva Šrámková, Kateřina Goluchová, Frederic Vincent, Grzegorz Mazur Institute of Physics, Silesian University in Opava, CZ Astronomical Institute, Prague, CZ Copernicus Astronomical Center, Warszawa, PL Institute for Theoretical Physics, University of Warsaw,PL Laboratoire AstroParticule et Cosmologie, CNRS, Universite Paris Diderot, FR
6. Lightcurve Modelling: Implementation Basis & “Reverse Engineering”
Global EmpiricalModel of Variabilityand Spectra (GRS 1915+105, SPL State)
Response Matrices(Detector)
“DATA” Time and Spectral Distributionof Detected Counts
TIMINGANALYSIS
RESULTS
TOTA
L SO
URC
E FL
UX
MO
DEL
+QPO MODEL
5. Some Results: Signal Strength
Signal Strength (relative hot-spot brigthness)
Model: Single spot orbiting close to inner edge of the accretion disc (simulation using KY Spot code). [~1Crab source countrate]
Expectation:Keplerian frequency + harmonics
Signal Strength
Model: Single spot orbiting close to inner edge of the accretion disc (simulation using KY Spot code). [~1Crab source countrate]
Expectation:Keplerian frequency + harmonics
6. Modelování a nové satelitní mise
Model: Single spot orbiting close to inner edge of the accretion disc (simulation using KY Spot code). [~1Crab source countrate]
Expectation:Keplerian frequency + harmonics
6. Modelování a nové satelitní mise
Model: Single spot orbiting close to inner edge of the accretion disc (simulation using KY Spot code). [~1Crab source countrate]
Expectation:Keplerian frequency + harmonics
6. Modelování a nové satelitní mise
Model: Single spot orbiting close to inner edge of the accretion disc (simulation using KY Spot code). [~1Crab source countrate]
Expectation:Keplerian frequency + harmonics
6. Modelování a nové satelitní mise
Current BH status: weak signal with sporadic RXTE QPO detections- The applied simple model clearly illustrates the LOFT capability in such situation.
6. Modelování a nové satelitní mise
RXTE simulations LOFT simulations
GRPo
wer
Pow
er
Frequency
Frequency
Torus (Epicyclic Modes)
SPOTS (ISCO, nurmax)
Frequency
Frequency
Pow
er
Torus (Epicyclic Modes)
Pow
er
SPOTS (ISCO, nurmax)
6. Modelování a nové satelitní mise