Schwarze Löcher Teil 3

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1 Schwarze Löcher Teil 3 in der Praxis von Sebastian Kern, Carsten Strübig und Thai Tran am 24. Januar 2006, Universität Würzburg

2 Gliederung Schwarze Löcher in der Praxis Arten und Vorkommen von schwarzen Löchern Beobachtung schwarzer Löcher Beispiele in freier Wildbahn

3 1. Arten und Vorkommen Stellare schwarze Löcher: Einzelsterne, Binärsysteme M Massive schwarze Löcher (MBH): - - Zwerggalaxien, Kugelsternhaufen M Supermassive schwarze Löcher (SMBH): - - Galaxienzentren M

4 Kandidaten für stellare BH s

5 Kandidaten für massive BH s

6 2. Beobachtung schwarzer Löcher Wie soll man ein Objekt beobachten, wenn es schwarz ist? Eine direkte Beobachtung ist (noch) nicht möglich! Es gibt allerdings einige indirekte Nachweismethoden: - Kinematisch - Eruptiv - Spektrorelativistisch - Akkretiv - Aberrativ

7 Was wollen wir beobachten? Ein schwarzes Loch wird vollständig charakterisiert durch: Masse M Drehimpuls Ladung Q S r T neut 5µ sec( M / Mo) Q spielt bei Beobachtungen ( ) keine Rolle Beobachtungsgrößen: M,, i, T >> B T neut S r M acc

8 Ist die direkte Beobachtung möglich? Es sollte möglich sein, den Schatten des Lochs direkt zu beobachten, falls leuchtender Hintergrund vorhanden ABER: SL sind extrem kompakt! bis jetzt nicht auflösbar GM Durchmesser eines Schwarzschild Lochs: ca. 4 = 2 4 c g r Allgemein relativ. Effekte lassen das Loch größer erscheinen! Bsp: Sgr A* g r d = 10 enspricht ca. 30 Mikrobogensekunden

9 Relativistisches Ray-Tracing Extremes Kerr BH mit a=1 Rotation gegen den Uhrzeigersinn verschiedene Inklinationswinkel i deutliche Asymmetrie für große i

10 Simulation: BH mit Akkretionsscheibe Effekte aus ART: - Lensing - Beaming - gravitational redshift

11 Fazit Direkte Beobachtung in naher Zukunft evtl. möglich! Stichwort: VLBI (Very Long Baseline Interferometry) Falls Detektion des GBS gelingt, kann man M, a, i über Fitting bestimmen

12 Kinematischer Nachweis Kepler Orbit: T = 2π 3 a G( M + m) In unmittelbarer Umgebung zum BH wird T aufgespalten in r,θ 3 unterschiedliche Perioden für und Φ In Zukunft evtl. Messung dieser 3 Perioden durch Gravitationswellendetektoren Rückschlüsse auf Raumzeitkrümmung möglich

13 Allgemein relativ. Orbits

14 Keplerbewegung bei Binärsystemen Massenfunktion: Pv ( M sin i) ) 3 C = 2πG ( M + M C - Periode P über Dopplerkurve des Primärsterns - Abschätzung von M über Spektraltyp - Abschätzung von i über X-ray eclipses (X-ray binaries) 3 2 M C M Falls > 3 BH sehr wahrscheinlich! C M

15 X-ray bursts X-ray binary system: - Massentransport von Begleitstern auf Neutronenstern 7 Erhöhung der Temperatur auf ca. 10 K Entstehung von Röntgenstrahlung - Thermonukleare H-Explosionen auf der Oberfläche führen zu Röntgenblitzen ( ) L x erg / s

16 X-ray bursts Nur Strahlungsausbrüche, wenn akkretiertes Material sich auf der Oberfläche ansammelt Ein schwarzes Loch hat keine Oberfläche, sondern Ereignis Horizont M Bursts dürfen nicht auftreten Tatsächlich: Es werden keine X-ray bursts bei Quellen beobachtet für M>3 M

17 M - σ Relation σ : Geschwindigkeitsdispersion im Bulge M: Masse des SMBH in Galaxienkern Geschw.dispersion: Streuung der Sterngeschwindigkeiten entlang der Sichtlinie

18 M - σ Relation Überlagerung von vielen einzelnen Absorptionslinien sehr vieler Einzelsterne mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ergibt ein verbreitertes Linienprofil Bsp: isotrope v-verteilung Gaußprofil Bestimmung von σ über die Breite der Kurve durch geeignetes Fitting

19 M - σ Relation Doppeltlogarithmische Auftragung log( M / M ) = α + β log( σ / σ 0) ergibt ein Potenzgesetz β β M σ mit =( )

20 Eruptiver Nachweis Tidal Disruption Event: Stern kommt schwarzem Loch zu nahe und wird durch die enormen Gezeitenkräfte zerrissen. Materie stürzt in das Loch unter Abstrahlung von X-Rays.

21 Tidal Disruption Event

22 Tidal Radius R T : Radius, ab dem die Gezeitenkräfte der Eigengravitation des Sterns überwiegen R = R T M / m Stern ( Stern 1/3 )

23 Spectro-relativistische Methode Definition: Analyse von Spektren, die durch relativist. Effekte beeinflusst werden Kα Bsp: X-ray Fe Linie um 6.4keV beobachtet in AGN s sowie auch x-ray binaries Charakt. Eigenschaften des Spektrums: - Doppler Effekt 2 Peaks (red wing, blue wing) - relat. Beaming/Backbeaming - gravitativer redshift Sehr breites, asymmetrisches Linienprofil Kann sehr unterschiedlich Aussehen!

24 Spectro-relativistische Methode

25 Spectro-relativistische Methode Problem: Analyse der Spektren schwierig Es scheint so, dass der Inklinationswinkel i einen großen Einfluss auf das Spektrum hat. Kerr Parameter a hingegen relativ geringer Einfluss

26 Akkretive Methode Definition: Beobachtung von Erscheinungen, die nur durch Akkretion von Materie in ein BH erklärt werden können - AGN s (Active Galactic Nuclei) - relativistische Jets - QPO s (Quasi Periodic Oscillations)

27 AGN s AGN Paradigma: Jede aktive Galaxie besitzt ein akkretierendes supermassives BH Enorme Leuchtkraft ( ca. 10 Eddington Leuchtkraft ) nur durch SMBH erklärt 46 erg M L Edd ( ) 8 s 10 M Maximal durch Akkretion erreichbare Leuchtkraft P ( ) Rad P Grav 12 L Abschätzung der unteren Grenze von M über Leuchtkraft

28 AGN s Abschätzung der maximalen Akkretionsrate Eddington-Akkretionsrate L Edd = M Edd c 2 ε 0.1 ε ( ) M Edd ( M Jahr ) / ε

29 Jets

30 Jets Die relativistischen, kollimierten Jets nicht erklärbar durch Hydrodynamik Durch Frame-Dragging werden Magnetfeldlinien in der Ergosphäre aufgewickelt (MHD) hoher magn. Druck, der das Material antreibt Bewegung mit nahezu Lichtgeschwindigkeit Ausdehnung im Mpc - Bereich

31 Jets

32 QPO s X-ray Lichtkurve von einigen Microquasaren zeigt nahezu periodisches Verhalten im Hz khz Bereich Mögliche Erklärung - Lense Thirring Präzession: Kopplung von Drehimpuls der Akkretionsscheibe und Drehimpuls des BH bewirkt eine Präzessionsbewegung der Scheibe (Gravitomagnetismus)

33 Beispiele in der Natur Sgr A* RX J M87 SS433 XTE J (nächster Kandidat 1.8 kpc)

34 Sgr A* 6 M SMBH M 6 M SMBH M

35 Tidal Disruption in RX J Mio. ly entfernte Galaxie Beobachtung 1992 mit ROSAT 43 L X 9 10 erg / s Beobachtung 2001 mit XMM L um Faktor 200 schwächer Nachglühen sichtbar 8 M SMBH 10 M

36 M87 Entfernung: 50 Mio. ly 9 M SMBH 10 M

37 M87

38 SS433 Kosmischer Rasensprenger Mikroquasar ly entfernt OB Stern mit 20 umkreist kompaktes Objekt in 13.1 Tagen BH vermutet Präzedierender Jet mit sehr hoher Leuchtkraft oder bullets M