hodně hustý rentgen ( extr émní hvězdy )

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 ?

1. Otázka a odpověď (ilustrace vědecké metody )

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 )

Vesmírný Rentgen

G. TörökUF FPF SU Opava www.physics.cz

1. Otázka

OTÁZKA: Kolik slonů se vejde do špendlíkové hlavičky ?

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


Před a po…

Supernova z r. 1987

NAS

A


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.


106 -


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



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




106 -


Fig: nasa.gov


106 -


Geneze NS a QS probíhá jako výbuchsupernovy. Exploze původního objektu vel-kého řádově stovky tisíc km zanechá cca10km těleso.


Vlastnosti a struktura neutronové hvězdy

Hustota cca0.01 až 106

Fig: nasa.gov


106 -




Vlastnosti a struktura podivné (kvarkové) hvězdy

Hustota až 108

Fig: nasa.gov


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. Po výbuchu zůstane v závislosti na počáteční konfiguraci bílý trpaslík, neutronová či kvarková hvězda, nebo černá díra (NS, QS, BH):

Fig: nasa.gov


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


Black hole

Struktura černé díry

106 -


Singularita

Horizont (nerotující BH)


Black hole

106 -


Black hole


Horizont

106 -

Vs ~ 4/3 p (2.95km)3 x ( )3

Hustota


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


~ 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”


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


Koláž: materiály NASA, ESA

4. Orbitální pohyb v silném gravitačním poli

Kulička ve stabilnírovnovážné poloze

kyvadlo a pružina

4. Orbitální pohyb - analogie

Rovnováha sil:

PERTURBACE:



kyvadlo a pružina

Oscilace:



kyvadlo a pružina

rovnováha mezi gravitační a odstředivou silou


4. Orbitální pohyb

4. Orbitální pohyb: předpovědi OTR

-stáčení perihelia planet- Merkur: 43“ za 100 let



- Nastíněná situace kvalitativně odpovídá i neutronovým hvězdám

a=0 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.

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


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

Fig: nasa.gov

f

5. Observace

Fig: nasa.gov

Světelná křivka:

Power spektrum:

f

Cour

tesy

of P

. Bak

ala

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. Modelování a nové satelitní mise

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




Current BH status: weak signal with sporadic RXTE QPO detections- The applied simple model clearly illustrates the LOFT capability in such situation.


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)


7. Bonus

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

6. Bonus

hodně hustý rentgen ( extr émní hvězdy )

Documents