Черные дыры: наблюдения Лекция 2: Черные дыры в тесных двойных системах Сергей ПОПОВ (ГАИШ МГУ) Школа современной астрофизики-2007 Пущино План лекции 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Тесные двойные. Эволюция. Кандидаты в черные дыры Определение массы Системы черная дыра плюс радиопульсар – не найденный Грааль Спектры. Состояния. Переменность. QPO. ULX – ультрамощные рентгеновские источники 2 Обзоры astro-ph/0606352 Рентгеновские параметры двойных с черными дырами astro-ph/0306213 Черные дыры в двойных системах astro-ph/0308402 Черные дыры промежуточных масс astro-ph/0410536 Аккрецирующие нейтронные звезды и черные дыры: десятилетие открытий astro-ph/0410381 Что мы можем узнать об образовании черных дыр, изучая рентгеновские двойные? gr-qc/0506078 Черные дыры в астрофизике astro-ph/0504185 Состояния черных дыр: аккреция и джеты astro-ph/0501298 Переходы черных дыр между классами переменности astro-ph/0410556 Влияние наклона и коллимация излучения рентгеновских двойных с черными дырами astro-ph/0312033 Указания на вращение черной дыры в GX339-4: XMM-Ньютон и RXTE спектроскопия в самом высоком состоянии arxiv:0706.2389 Модели микроквазаров arxiv:0706.2562 Рентгеновские наблюдения ультрамощных источников 3 Рентгеновские наблюдения: Cyg X-1 «Черная дыра в случае Cyg X-1 – это самая консервтаивная гипотеза.» Кип Торн История изучения тесных двойных систем с черными дырами началась примерно 35 лет назад…. 4 Рентгеновские новые Маломассивные тесные двойные системы с черными дырами. Одни из лучших кандидатов. 5 Кривая блеска рентгеновской новой (Psaltis astro-ph/0410536) 6 Кандидаты в черные дыры Из 20 хороших кандидатов 17 относятся к рентгеновским новым. 3 имеют массивных компаньонов (Cyg X-1, LMC X-3, GRS 1915+105). (J. Orosz, from astro-ph/0606352) 7 Параметры кандидатов (astro-ph/0606352) Еще есть около 20 «кандидатов в кандидаты». 8 Определение массы где mx, mv - массы релятивистского объекта и оптической звезды (в солнечных массах), Kv - наблюдаемая полуамплитуда кривой лучевых скоростей оптической звезды (в км/с), P - орбитальный период (в сутках), e - эксцентриситет орбиты, i - наклонение орбиты системы (угол между нормалью к плоскости орбиты и лучом зрения). Легко видеть, что функция масс оптической звезды - это абсолютный нижний предел для массы релятивистского объекта . Значение массы релятивистского объекта (в нашем случае черной дыры) вычисляется по формуле Таким образом, для нахождения массы черной дыры помимо кривой лучевых скоростей необходимо из независимых данных знать два параметра: отношение масс компонент q=mx/mv, и наклонение орбиты i. 9 Массы черных дыр Горизонтальная черта соответствует массе 3.2 солнечных. (Orosz 2002, см. Psaltis astro-ph/0410536) 10 Системы черная дыра + радиопульсар Обнаружение такой системы могло бы стать самым прямым доказательством существования черных дыр. Супермечтой – Граалем астрофизики черных дыр – стала бы система с раскрученным пульсаром, видимая с ребра. Расчеты дают разные оценки частоты встречаемости систем ЧД+PSR. Липунов и др. (1994) дают оценку порядка одной системы (с пульсаром любого типа) на 1000 одиночных PSR. Pfahl et al. (astro-ph/0502122) дают гораздо более низкую оценку для систем из черной дыры и раскрученного (recycled) пульсара: порядка 0.1-1% от числа двойных NS. 11 Параметры систем ЧД+PSR (Lipunov et al. 1994) 12 Спектры кандидатов в ЧД XTE 1118+480 (Psaltis astro-ph/0410536) 13 Спектр Cyg X-1 (Psaltis astro-ph/0410536) 14 Джет GRS 1915+105 Данные получены на VLA на длине волны 3.5 см. (Mirabel, Rodrigez 1994, см. Psaltis astro-ph/0410536) 15 Состояния Существуют различные классификации состояний кандидатов в черные дыры. astro-ph/0306213 McClintock, Remillard Черные дыры в двойных системах 16 Трехстадийная классификация (Remillard, McClintock astro-ph/0606352) 17 Диски и джеты Модель для систем с радиоджетами. LS – low/hard state HS – high/soft state VHS/IS –very high and intermediate states Данные показаны для системы GX 339-4. (Fender et al. 2004, Remillard, McClintock astro-ph/0606352) 18 GRO J1655-1997 во время вспышки Красные крестики – тепловое состояние, зеленые треугольники – крутой степенной спектр (SPL), синие квадраты – жесткое состояние. (Remillard, McClintock astro-ph/0606352) 19 4U 1543-47 и H1743-322 (Remillard, McClintock astro-ph/0606352) 20 XTE J1550-564 и XTE J1859-226 21 QPO У кандидатов в черные дыры наблюдается два типа QPO: Низкочастотные (0.1-30 Гц) и высокочастотные (40-450 Гц). Низкочастотные обнаружены у 14 из 18 объектов. Их наблюдают в различных состояниях. Возможно, что в разных состояних действуют разные механизмы. Высокочастотные QPO наблюдаются у меньшего числа источников. Частоты соответствуют ISCO. 22 QPO и поток от диска SPL – зеленые треугольники Hard – синие квадраты Промежуточные состояния – черные кружки Возможно, что механизмы QPO в жестком состоянии и в SPL различны. (Remillard, McClintock astro-ph/0606352) 23 QPO на высокой (для ЧД) частоте Все QPO >100 Hz происходят только в SPL состоянии. Синие кривые: диапазон 13-30 кэВ. Красные кривые: более широкий диапазон (в мягкую) (Remillard, McClintock astro-ph/0606352) 24 QPO и масса черной дыры XTE J1550-564, GRO J1655-40, GRS 1915+105 Штриховая линия соответствует зависимости ν0 = 931 Гц (M/MO)-1 (Remillard, McClintock astro-ph/0606352) 25 Светимость vs. Орбитальный период Пустые символы – нейтронные звезды черные символы – черные дыры. Показана светимость в спокойном состоянии. (Garcia et al. 2001, см. Psaltis astro-ph/0410536) 26 GS 2000+25 и Nova Oph 1997 Слева – Hα спектр, Справа – доплеровское изображение См. обзор в Harlaftis 2001 (astro-ph/0012513) (Psaltis astro-ph/0410536) 27 Инфракрасные наблюдения источников в спокойном состоянии arXiv:0707.0028 E. Gallo et al. “The spectral energy distribution of quiescent black hole X-ray binaries: new constraints from Spitzer” Избыток излучения на 8-24 микронах. Возможное объяснение: синхротронное излучение джета. 28 Ультрамощные источники К ULX относят источники с потоком, соответствующим изотропной светимости, превышающей эддингтоновский предел для 10 масс Солнца. Существует достаточное большое число таких источников. Их природа остается неясной. Возможно, что в популяции есть и черные дыры звездных масс с анизотропной аккрецией, и черные дыры промежуточных масс. 29 УМИ в галактиках NGC 4490 и 4485 Шесть отмеченных источников - УМИ 30 Спектр ULX в галактике NGC 1313 NGC 1313 X-1 Зеленая линия – модель с IMBH. Красная – тепловая компонента. Синяя – степенная. (arXiv 0726.2562) 31 Спектры ULX (arXiv 0706.2562) 32 ULX в галактиках разных типов На рисунках на двух следующих слайдах приведены изображения галактик из Цифрового Обзора неба с указанием положений мощных источников. Значки "Х" обозначают источники со светимостью, превосходящей 1039 эрг/с. Плюсами (+) отмечены источники со светимостью >5 1038 эрг/с. Размер одного квадрата сетки 1.2 угловой минуты (кроме IZW 18, там он составляет 0.24 минуты по прямому восхождению и 0.18 - по склонению). Галактики NGC 4636, NGC 1132, NGC 4697, NGC 1399 являются эллиптическими, IZW 18 - неправильной, остальные - спиральные. Эллипсами отмечены изофоты по 25-й величине (типичный способ указания видимых размеров галактики). 33 УМИ в галактиках разных типов IZW 18 NGC 1132 NGC 253 NGC 1291 IC 2574 NGC 1399 34 УМИ в галактиках разных типов NGC 2681 NGC 3184 NGC 4697 NGC 4631 NGC 4636 35 Источник X-1 в М82 Источник M82 X-1 один из самых мощных и является лучшим кандидатом в черные дыры промежуточных масс. У него наблюдаются QPO, также свидетельствующие в пользу гипотезы о черной дыре промежуточной массы. (http://www.pd.astro.it/oapd/2/2_1/2_1_5/2_1_5_1.html) 36 М82, звездные скопления и УМИ Черные дыры промежуточных масс могут образовываться в плотных звездных скоплениях. McCrady et al (2003) 37 Популяция УМИ По всей видимости, популяция источников, относимых в УМИ, неоднородна. 1. 2. 3. 4. Черные дыры промежуточных масс Коллимированное излучение обычных черных дыр Источники другой природы (пульсары, остатки сверхновых, неразреш.) Фоновые источники «Многое сделано, но многое еще предстоит!» (с) 38