Hodně hustý RENTGEN (extrémní hvězdy) Gabriel Török UF FPF SU Opava,

Prezentace na téma: "Hodně hustý RENTGEN (extrémní hvězdy) Gabriel Török UF FPF SU Opava,"— Transkript prezentace:

1 UF FPF SU Opava, www.physics.cz
Hodně hustý RENTGEN (extrémní hvězdy) Gabriel Török UF FPF SU Opava, Podpořeno v rámci OPVK CZ.1.07/2.3.00/ „SYNERGY“. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2 1. Otázka a odpověď (ilustrace vědecké metody )
OTÁZKA: Kolik andělů se vejde na špičku jehly ?

3 1. Otázka a odpověď (ilustrace vědecké metody )
OTÁZKA: Kolik andělů se vejde na špičku jehly ? Záleží na velikosti andělů a na velikosti jehly…. Při zanedbání efektů kvantové mechaniky a dobré znalosti morfologie andělů se jedná o triviální výpočet.

4 Vesmírný Rentgen G. Török UF FPF SU Opava

5 1. Otázka OTÁZKA: Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky ?

6 1. Otázka V = 4/3 p (0.003m)3 = 10-7 m3 ~ 0.006m ~ 3m ~ 0.06m ~ 4m
OTÁZKA: Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky ? V = 4/3 p (0.003m)3 = 10-7 m3 ~ 0.006m ~ 3m tzv. kanonický špendlík ~ 0.06m ~ 4m M ~ 5000 kg

7 1. Otázka Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky => Jiná OTÁZKA: Jak moc lze stlačit slona V = 10-7 m3 ~ 0.006m ? M ~ 8000 kg tzv. kanonický špendlík ~ 0.06m

8 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.

9 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

10 2. „Mrtvé“ hvězdy (Jak moc lze stlačit slona )
Supernova z r. 1987 NASA Před a po…

11 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
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): 106 - WD vzniká relativně klidnou degenerací. Geneze NS, QS a BH probíhá jako výbuch supernovy.

12 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
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): 106 - WD vzniká relativně klidnou degenerací.

13 2. „Mrtvé“ hvězdy – Vlastnosti a struktura bílého trpaslíka
R okolo km (srovnatelné se Zemí, cca 1/100 oproti Slunci) hmotnost srovnatelná se Sluncem (které má zhruba hustotu vody, tj kgm-3) > hustota cca(100x100x100)x1000 = 109kgm-3 (106 gcm-3), centrální hustota až 1011kgm-3 V*886 Cen „Like other white dwarfs, Lucy is composed mostly of carbon and oxygen created by the past thermonuclear fusion of helium nuclei.“ Fig: nasa.gov, spacetoday.org

14 1 2. „Mrtvé“ hvězdy – Vlastnosti a struktura bílého trpaslíka
R okolo km (srovnatelné se Zemí, cca 1/100 oproti Slunci) hmotnost srovnatelná se Sluncem (které má zhruba hustotu vody, tj kgm-3) > hustota cca(100x100x100)x1000 = 109kgm-3 (106 gcm-3), centrální hustota až 1011kgm-3 V*886 Cen hmotnost slona / objem špendlíkové hlavičky = cca 5x103kg / cca 10-7m-3 = 5x1010 kgm-3 1 Bílý trpaslík je tedy „obrovský diamant“ o hustotě asi

15 1 EpPH 2. „Mrtvé“ hvězdy – Vlastnosti a struktura bílého trpaslíka
R okolo km (srovnatelné se Zemí, cca 1/100 oproti Slunci) hmotnost srovnatelná se Sluncem (které má zhruba hustotu vody, tj kgm-3) > hustota cca(100x100x100)x1000 = 109kgm-3 (106 gcm-3), centrální hustota až 1011kgm-3 V*886 Cen hmotnost slona / objem špendlíkové hlavičky = cca 5x103kg / cca 10-7m-3 = 5x1010 kgm-3 1 EpPH Bílý trpaslík je tedy „obrovský diamant“ o hustotě asi

16 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
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): 106 -

17 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
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 výbuch supernovy. Exploze původního objektu vel- kého řádově stovky tisíc km zanechá cca 10km těleso. 106 - Fig: nasa.gov

18 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
Vlastnosti a struktura neutronové hvězdy Hustota cca 0.01 až 106

19 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
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 výbuch supernovy. Exploze původního objektu vel- kého řádově stovky tisíc km zanechá cca 10km těleso. 106 - Fig: nasa.gov

20 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
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 výbuch supernovy. Exploze původního objektu vel- kého řádově stovky tisíc km zanechá cca 10km těleso. 106 - Fig: nasa.gov

21 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
Vlastnosti a struktura podivné (kvarkové) hvězdy Hustota až 108

22 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
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 výbuch supernovy. Exploze původního objektu vel- kého řádově stovky tisíc km zanechá cca 10km těleso. 106 - Fig: nasa.gov

23 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
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): 106 - Stelární BH (např. GRS , 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 Fig: nasa.gov

24 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
106 - Struktura černé díry Black hole

25 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
106 - Struktura černé díry Black hole Singularita Horizont (nerotující BH)

26 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
106 - Struktura černé díry Black hole Vs ~ 4/3 p (2.95km)3 x ( )3 Hustota Horizont

27 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru
Black hole Vs ~ 4/3 p (2.95km)3 x ( )3 Horizont 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 times the mass of the Sun, such an accumulation will fall inside its own Schwarzschild radius, forming thus a supermassive black hole. „

28 ? ! 2. „Mrtvé“ hvězdy – nejhustší objekty ve vesmíru ~ 0.006m
Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky ? ~ 0.006m M = rs (c2 / 2G) kanonický špendlík = x 1.5 x 1027 kg ! = 5 x 1024 kg 5000 kg = 1021

29 3. Mrtvé a žhavé vs. Einstein
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…

30 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. Movie: nasa.gov

31 3. Mrtvé a žhavé (Binární systémy kompaktních objektů)
Artists view of LMXBs “as seen from a hypothetical planet” 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) Companion: density comparable to the Sun mass in units of solar masses temperature ~ roughly as the T Sun moreless optical wavelengths

32 3. Mrtvé a žhavé (Binární systémy kompaktních objektů)
Artists view of LMXBs “as seen from a hypothetical planet” X-ray satellites “the real eyes” 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).

33 3. Mrtvé a žhavé (Binární systémy kompaktních objektů)
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… X-ray Gamma ray “white dot” of GRS radio Disc Companion Jet Example of the Galactic microquasar GRS : the concept and what is seen. Fig: nasa.gov., Hannikainen et al. 2003

34 4. Orbitální pohyb v silném gravitačním poli
Koláž: materiály NASA, ESA

35 4. Orbitální pohyb - analogie
Rovnováha sil: Kulička ve stabilní rovnovážné poloze kyvadlo a pružina

36 4. Orbitální pohyb - analogie
PERTURBACE: Kulička ve stabilní rovnovážné poloze kyvadlo a pružina

37 4. Orbitální pohyb - analogie
Oscilace: Kulička ve stabilní rovnovážné poloze kyvadlo a pružina

38 4. Orbitální pohyb - analogie
rovnováha mezi gravitační a odstředivou silou

39 4. Orbitální pohyb

40 4. Orbitální pohyb

41 4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR

42 4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR
stáčení perihelia planet Merkur: 43“ za 100 let

43 4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR
- Nastíněná situace kvalitativně odpovídá i neutronovým hvězdám

44 4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR
a= a~1 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.

45 4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR
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

46 5. Observace 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.

47 5. Observace Data: světelná křivka I t Reprezentace dat: PDS Power
Frequency Figs on this page: nasa.gov

48 5. Observace 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) Figs: from the collection of van der Klis, 2006

49 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.).

50 5. Observace f Fig: nasa.gov

51 5. Observace Světelná křivka: f Power spektrum: Courtesy of P. Bakala
Fig: nasa.gov

52 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.). Courtesy of P. Bakala

53 5. Observace LMXBs short-term X-ray variability: “flat” components
Pecháček et al. 2008 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). Fig: nasa.gov

54 5. Observace Individual peaks can be related to a set of oscillators as well as to a time evolution of an oscillator. LMXBs short-term X-ray variability: peaked components Sco X-1 power Low frequency QPOs (up to 100Hz) hecto-hertz QPOs ( Hz) kHz QPOs (~ Hz): Lower and upper QPO mode forming twin peak QPOs frequency kHz QPO origin remains questionable, it is often expected that they are associated to the orbital motion in the inner part of the disc. Fig: nasa.gov

55 5. Observace No QPO detections in situations like 2 and 3
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 Adopted from NASA public. Török et al., 2005, A&A

56 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 ? Abramowicz & Kluzniak Török et al., 2005, A&A Bursa 2004

57 5. Observace kHz QPOs in neutron stars
Török et al., 2008, 2009; AcA, A&A Effect displayed by 10 NS sources (representing more than a half of the actual NS population exhibiting clear variable kHz QPOs).

58 6. Modelování a nové satelitní mise

59 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

60 6. Lightcurve Modelling: Implementation Basis & “Reverse Engineering”
Response Matrices (Detector) Global Empirical Model of Variability and Spectra (GRS , SPL State) TOTAL SOURCE FLUX MODEL + “DATA” Time and Spectral Distribution of Detected Counts RESULTS QPO MODEL TIMING ANALYSIS

61 5. Some Results: 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 Signal Strength (relative hot-spot brigthness)

62 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 Signal Strength

63 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

64 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

65 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

66 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.

67 GR 6. Modelování a nové satelitní mise RXTE simulations
LOFT simulations Frequency Power Torus (Epicyclic Modes) SPOTS (ISCO, nurmax) Power Frequency Torus (Epicyclic Modes) SPOTS (ISCO, nurmax) GR

68 7. Bonus Video: Black-Hole Kvartet by Wlodek Kluzniak et al.

69 7. Bonus Video: Black-Hole Kvartet by Wlodek Kluzniak et al.

70 6. Bonus