Material disponible digitalmente
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• De ahí a “Otros Temas” y luego a
“Astrofísica de Altas Energías”
• Ahí colocaré las presentaciones PowerPoint
así como artículos y otros textos.
HOYOS NEGROS EN EL UNIVERSO
Luis F. Rodríguez, CRyA, UNAM,
Morelia
Velocidades de impacto
Objeto
Velocidad (km/s)
Tierra
11.2
Sol
620
Enana blanca
5,000
Estrella de neutrones
100,000
Hoyo negro
300,000
La gravedad es la más familiar
de las fuerzas de la Naturaleza
Isaac Newton fué el primero en dar una
descripción exitosa de la gravedad
F
GM m
R
2
En la gravitación Newtoniana no hay ninguna
escala característica…
F
GM m
R
2
Pero, algo está mal con esta fórmula porque los
fotones tienen m=0 y sin embargo sí son desviados
en su trayectoria por la presencia de una masa M.
La materia le dice al espacio como curvarse,
el espacio le dice a la materia como moverse
1
mv 
2
GM m
2
R
v c
Si la velocidad de
escape alcanza a la
velocidad de la luz…
R
2G M
c
Radio de Schwarszchild:
Define región del espacio de la cual
nada, ni siquiera la luz, puede salir
2
 M
 R 
 km   3 . 0  M ( Sol





)
Si quisiéramos transformar a
la Tierra en un hoyo negro...
...habría que comprimirla al tamaño de una
canica.
En la actualidad es imposible
crear un hoyo negro en el
laboratorio...
Sin embargo, la naturaleza tenía ya
un mecanismo para transformar
estrellas en hoyos negros
Las estrellas mantienen su tamaño
gracias a un equilibrio de fuerzas...
¿Qué ocurrirá cuando la estrella “muera” y ya no
tenga presión que contenga a la gravedad?
El triunfo final de la gravedad
Una vez que la estrella consume su combustible
termonuclear (o sea “muere”), su propia
gravedad la comprime a un tamaño mucho
menor que el que tuvo anteriormente.
El tamaño final del cadáver estelar
dependerá de la masa de la estrella.
Arthur Eddington
Enanas blancas: etapa final de la
vida de las estrellas como el Sol.
IC 418
La “muerte” de una estrella generalmente
consiste de la contracción de una parte
interna y de la expulsión al medio
circundante de una parte externa.
Si la masa de la estrella excede 1.4
veces la masa del Sol (el límite de
Chandrasekhar), el colapso continuará
más allá de la etapa de enana blanca.
J. Robert Oppenheimer
Un hoyo negro sin rotación sólo tiene un
“centro” y una “superficie”
• El hoyo negro está rodeado
por el horizonte de eventos el
cual es una superficie esférica
de la cual ni la luz puede
escapar
• La distancia entre el hoyo
negro y el horizonte de
eventos es el radio de
Schwarzschild (RSch=
2GM/c2)
• El centro del hoyo negro es
un punto de densidad infinita
y volumen cero, llamado
singularidad
Hoyos negros con rotación
• Un hoyo negro con
rotación (o sea con
momento angular) tiene
una ergosfera afuera del
horizonte de eventos
• En la ergoregión, el
espacio y el tiempo son
arrastrados por la
rotación del hoyo negro
Pero, ¿existen los hoyos negros?
Intrínsecamente, los hoyos negros no
emiten nada (hay que recordar que ni la
luz puede escapar de ellos).
Entonces, hay que tratar de detectarlos
indirectamente, por su efecto sobre otros
cuerpos cósmicos que estén cerca de ellos.
Radiación de Hawking
Interesante teóricamente, pero
imposible de detectar en la práctica
por su debilidad…
Los hoyos negros se evaporan
¿Cómo podemos buscar a los hoyos
negros astronómicamente?
• La astronomía de rayos X jugó en esto un
papel clave.
Si podemos medir la velocidad de un cuerpo
y su distancia al hoyo negro, podemos
estimar la masa del hoyo negro.
Satélite UHURU
Binaria de Rayos X
Riccardo Giacconi
Premio Nobel de Física 2002 por sus aportaciones a la astronomía
de rayos X y por el desarrollo de telescopios y misiones espaciales
Masa de objectos
compactos en sistemas
binarios.
En la actualidad se conocen más de 20
sistemas binarios de rayos X en los que la
masa de la estrella “muerta” excede 3 veces
la masa del Sol y por lo tanto se cree que es
un hoyo negro.
La presencia del hoyo negro se deduce de
manera indirecta: a través de los
movimientos de la estrella compañera y de
las características del disco de acreción.
Al mismo tiempo que se establecía la
existencia en nuestra Galaxia de hoyos
negros con masas de entre 3 y 20 veces
la masa del Sol, en los centros de otras
galaxias comenzaba a consolidarse la
necesidad de hoyos negros, pero éstos
con una masa de millones a miles de
millones de veces la masa del Sol: los
llamados hoyos negros supermasivos.
Chorro en la galaxia M87
NGC 4258
La Vía Láctea, nuestra Galaxia
Del estudio de líneas
provenientes de nubes de gas
alrededor del centro de nuestra
Galaxia se infirió la presencia
de “...una masa puntual de 5
millones de veces la del Sol.”
Melia et al.
Cinco preguntas
sobre hoyos negros.
¿Qué tan similar es la Física
alrededor de los hoyos negros de
masa estelar y de los hoyos
negros supermasivos?
Una diferencia parecía ser que
hasta los 1990´s solo los
supermasivos parecían tener
chorros relativistas asociados.
Heber Curtis (1918):
“...a curious straight
ray...
apparently
connected with the
nucleus by a thin line
of matter.”
EL CHORRO DE M87 EN RADIO
Emisión sincrotrónica
Observaciones del HST
Biretta et al. (1999)
Cygnus A
GRANAT-SIGMA
Very Large Array
Nuevo Mexico, EUA
¡La componente a la izquierda se mueve en
el cielo más rápido que la luz!
Una ilusión relativista…
Desplazamiento aparente = vt sin 
Tiempo aparente = t [1 – (v/c)cos ]
Velocidad aparente= v sin  /[1 – (v/c)cos ] ; ¡puede exceder c!
El nuevo paradigma
Shakura & Sunyaev (1973)
La componente que se acerca a nosotros no
solo parece moverse más rápido sino que
parece ser más brillante (en realidad las dos
componentes son iguales.
QUASARS  MICROQUASARS
Quasar 3C 223
VLA at
1477MHz
~ 20 cm
Microquasar 1E1740.7-2942
radio (VLA)
observations
at 6 cm
Mirabel et al. (1992)
MICROCUASARES
Son binarias de rayos X con
chorros relativistas en el radio.
El objeto compacto puede ser
una estrella de neutrones o un
hoyo negro.
En los hoyos negros, los
tamaños y escalas de tiempo
son proporcionales a la masa
del hoyo negro (Sams, Eckart,
& Sunyaev 1996)
La máxima temperatura de
color del disco de acreción es
Tcol  2107 M1/4.
(Mirabel & Rodríguez 1998)
Each source is interesting by itself.
Only 15 confirmed cases with resolved jets,
but probably all REXBs are microquasars!
Los chorros relativistas son un fenómeno importante en la naturaleza, los
chorros clásicos (v<<c) existen en otros tipos de objetos astronómicos.
¿Cómo se aceleran y coliman?
Blandford & Payne (1982)
Esto ocurre en una escala tan pequeña
que no es posible resolverla.
Mecanismo de
Blandford y Payne
(aceleración)
Mecanismo de
Blandford y Payne
(colimación)
¿Cómo se forman los hoyos
negros supermasivos?
¿Porqué las masas de los hoyos
negros parecen ser o bien estelares o
bien supermasivas? ¿Hay hoyos
negros de masa intermedia?
¿Hoyos negros de masa intermedia?
Satélite Chandra
¿HAY HOYOS
NEGROS CERCA DE
NOSOTROS?
No que sepamos...
Sin embargo, estudios recientes
han revelado la existencia de
hoyos negros errantes
¿Qué pasa cerca y
adentro de un
hoyo negro?
Efecto Lense-Thirring
¿Cómo podemos
estar seguros de que
estos objetos son
hoyos negros?
Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory = LIGO
Formación de chorros relativistas
Evidencia del “horizonte” del hoyo negro
Búsqueda de hoyos negros de masa intermedia
Gravitación Cuántica
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Presentacion PowerPoint de la segunda parte del