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Los rayos X y
el Universo oculto
Francisco CarreraDepartamento de Física ModernaInstituto de Física de Cantabria
(CSIC-Univ de Cantabria)
Valladolid, 29 de Marzo de 2001Valladolid, 29 de Marzo de 2001
Índice
• Astronomía de rayos X• Núcleos Galácticos Activos• El Fondo de Rayos X• XMM-Newton
– SSC– AXIS– Lockman Hole
• XEUS
• Rayos cósmicos• Ondas gravitatorias• Neutrinos
• Ondas electromagnéticas (luz):
Radio IR Opt UV RX R
1m 1mm 1 1Å
Lo que recibimos del Universo
Efectos de la atmósferaEfectos de la atmósfera
Espejos de rayos X
¿Y merece la pena?
• Los rayos X son >1000 veces más energéticos que la luz visible– Vienen de regiones más energéticas– Vienen de regiones más calientes– Son más penetrantes
Procesos de emisión de rayos X en el Universo
• Plasmas (gases ionizados) a temperaturas de millones de grados
• Electrones muy energéticos en campos magnéticos intensos
• Acreción a objetos compactos
Agujeros negros: ¿Qué son?
• Agujero negro: Superficie donde velocidad de escape = velocidad de la luz
• Radio de Schwarzschild RS=2GM/c2: nada puede escapar de ese radio.
RR vv
MM
V=V=2GM/R2GM/R
Acreción: ¿Qué es?
Objeto EficienciaSol 0.0002%Agujero negro 10-40%Reacciones Nucl. 0.7%
Caída de materia a la superficie de un astro, liberando la energía que poseía
Discos de acreción
• La materia que cae a un agujero negro, toma la forma de un disco de acreción, por conservación del momento angular
• Este disco se calienta a temperaturas superiores a los cien mil grados, emitiendo luz ultravioleta
• La luz ultravioleta acaba convirtiéndose en rayos X
La luna (y el fondo)
• Rayos X del sol reflejados
• Fondo difuso “por detrás”
El Fondo de rayos X
El Sol
• Óptico ~6000 K
• Rayos X ~1000000 K
Sco X-1
FRX
Estrellas Binariascon transferencia de masa
• Enanas blancas • Estrellas de
neutrones • Agujeros negros
La galaxia de Andrómeda
Cúmulos de galaxias
Cúmulo de Cúmulo de VirgoVirgo
CúmulCúmulo de o de ComaComa
Núcleos galácticos activos
Núcleos galácticos activos
M87
Índice
• Astronomía de rayos X• Núcleos Galácticos Activos• El Fondo de Rayos X• XMM-Newton
– SSC– AXIS– Lockman Hole
• XEUS
Núcleos Galácticos Activos (AGN): El modelo estándar
• Agujero Negro supermasivo (M=106-109 Masas Solares)
• Disco de acreción (T=105 grados)
• Jet (chorro) de electrones muy energéticos colimados por el disco
Núcleos Galácticos Activos (AGN): El modelo estándar
NGC4261
Chris Done (University of Durham)
Espectro óptico de un Núcleo Galáctico Activo
Espectro de rayos X de un Núcleo Galáctico Activo
Radiación del disco deacreción reprocesada
Reflexión (líneas del Fe + y joroba Compton)
Exceso blando (disco de acreción)
Umbrales de absorción
Absorción fotoeléctrica
La línea de fluorescencia del Hierro (Fe K a 6.4
keV)
Línea de emisión muy ancha Los rayos X pierden energía para poder escapar del agujero negro
Confirmación del Confirmación del
corrimiento al rojo gravitatoriocorrimiento al rojo gravitatorio
predicho por la predicho por la RelatividadRelatividad
GeneralGeneral de Einstein de Einstein
Nandra 2001
Índice
• Astronomía de rayos X• Núcleos Galácticos Activos• El Fondo de Rayos X• XMM-Newton
– SSC– AXIS– Lockman Hole
• XEUS
El cielo en rayos Xblandos ~0.1-2.4 keV(ROSAT)
El cielo en rayos Xduros 2-10 keV(HEAO-1 A2)
El fondo de rayos X (FRX)
El origen del FRX
• Las únicas fuentes lo bastante brillantes y abundantes son los AGN
• Su espectro promedio es muy distinto al del FRX
Paradoja espectral
Absorción fotoeléctrica y oscurecimiento
Elimina los rayos X más blandos
A menudo el gas está acompañado de polvo que elimina la luz óptica y ultravioleta
Chandra/XMMROSATlogNH
La fuente puede serLa fuente puede ser
invisible, salvo eninvisible, salvo en
rayos X rayos X durosduros
El modelo unificado de los AGN
(Chris Done, Univ of Durham)
AGNabsorbido
Turner et al. (2001)
El modelo unificado de los AGN
como fuentes del FRX
• La mayor parte de los AGN se observan a través del toro, por lo que la emisión de rayos X está muy absorbida: se puede reproducir el espectro del FRX (Setti & Woltjer 1989)
Se consigue un buen ajuste suponiendo una relación de 3 a 1 entre AGN absorbidos/no absorbidos (Madau et al 1994, Comastri et al 1995)
Gilli et al 2000
¡¡¡Deberían encontrarse ¡¡¡Deberían encontrarse
muchos AGN absorbidos en muchos AGN absorbidos en
observaciones de rayos X observaciones de rayos X
duros duros !!!!!!
La población dominante de AGN
• Los AGN producen la mayor parte (~90%) del FRX • La mayoría (~90%) de los AGN que producen el FRX
presentan absorción (y están sin detectar)• Los AGN son fuentes brillantes en rayos X
La mayoría de los AGN presentan absorción y están sin detectar
Los rayos X duros son la forma más eficiente de detectar la población dominante de AGN
(algunos sólo en esa banda -y submm-)
Índice
• Astronomía de rayos X• Núcleos Galácticos Activos• El Fondo de Rayos X• XMM-Newton
– SSC– AXIS– Lockman Hole
• XEUS
XMM-Newton
ESA, 10-Diciembre-1999
¿Qué observará XMM-Newton?
• Todo tipo de fuentes de rayos X, especialmente duros (2-10 keV)
• En cada observación de XMM se descubrirán entre 50 y 200 nuevas fuentes de propina 100000 nuevas fuentes/año
OY Car
Survey Science Centre (SSC)
• El SSC es un consorcio con tres objetivos principales:– el procesado sistemático de todas las observaciones
de XMM-Newton – el desarrollo de programas de análisis científico para
los datos de XMM-Newton– el programa de seguimiento:
• identificaciones• identificaciones estadísticas
• El IFCA es miembro del SSC
El Proyecto AXIS
• Proyecto de identificación de fuentes descubiertas por XMM-Newton
• ~90 noches de observación en el Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma)
• 13 centros europeos• 35 investigadores• Columna vertebral del programa de seguimiento
del SSC• Liderado por el Instituto de Física de Cantabria
(I.P.: X. Barcons)
http://www.ifca.unican.es/~xray/AXIS
El Observatorio del Roque de los Muchachos
JKT (1.0)
GTC (10)
TNG (3.5)
INT (2.5)WHT (4.2)
NOT (2.5)
AGN con líneas anchas
Cuásares con líneas anchas de absorción
z=0.789
Sólo hay ~6 en rayos X hasta ahora ¡y nosotros tenemos dos!
¿Un AGN oscurecido?
z=1.224
Galaxias inofensivas que contienen agujeros negros
Mkn 205
NELGs
Galaxias “normales”
z=0.255
LX~ 1043 erg s-1
G21.5-09: Un remanente de Supernova y más
cosas...
Expectativas sobre AXIS
• Identificación de varios cientos de fuentes extragalácticas y otras tantas galácticas
• Imagen de ~80 campos de XMM-Newton
Caracterización de la población de AGN
Identificaciones estadísticas
Identificaciones Estadísticas
AGN
Estrellas
Cúmulos
NELGs
Galaxias
AGN
Estrellas
Cúmulos
NELGs
Galaxias
El cielo profundo en rayos X: el Lockman Hole
ROSAT: 0.1-2 keV XMM-Newton: 2-10 keV
El cielo profundo en rayos X: el Lockman Hole
Simulación de 350 ks en el Lockman Hole
0.5-2 keV: blandos 2-10 keV: duros
12 7 6 5 4 3 (Giga-años)
tiempo
Índice
• Astronomía de rayos X• Núcleos Galácticos Activos• El Fondo de Rayos X• XMM-Newton
– SSC– AXIS– Lockman Hole
• XEUS
XEUS (X-ray Evolving Universe Spectroscopy
mission)
XEUS: El telescopio
XEUS: Estudiando los primeros agujeros negros
t=5 Gat=3 Gat=2 Gat=1 Ga
XMM-NewtonXEUS
Los rayos X y el Universo oculto
La astronomía de rayos X estudia los fenómenos más energéticos del Universo
• La mayor parte de la radiación emitida por acreción en el Universo es absorbida
La formación de los núcleos activos está probablemente ligada a la formación de galaxias
• Los rayos X duros permiten observar estos procesos casi en exclusiva
(junto con infrarrojo lejano y submilimétricas)
