Los rayos X y el Universo oculto

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Los rayos X y el Universo oculto

• Francisco Carrera
• Departamento de Física Moderna
• Instituto de Física de Cantabria
• (CSIC-Univ de Cantabria)

Valladolid, 29 de Marzo de 2001
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Índice

• Astronomía de rayos X
• Núcleos Galácticos Activos
• El Fondo de Rayos X
• XMM-Newton
• SSC
• AXIS
• Lockman Hole
• XEUS

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Lo que recibimos del Universo

• Rayos cósmicos
• Ondas gravitatorias
• Neutrinos
• Ondas electromagnéticas (luz)

Radio IR Opt UV RX R?
? 1m 1mm 1? 1Å

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Efectos de la atmósfera
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Espejos de rayos X
6
Y merece la pena?

• Los rayos X son gt1000 veces más energéticos que
  la luz visible
• Vienen de regiones más energéticas
• Vienen de regiones más calientes
• Son más penetrantes

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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

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Agujeros negros Qué son?

• Agujero negro Superficie donde velocidad de
  escape velocidad de la luz

V?2GM/R
v
R
M

• Radio de Schwarzschild RS2GM/c2 nada puede
  escapar de ese radio.

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Acreción Qué es?

• Caída de materia a la superficie de un astro,
  liberando la energía que poseía

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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

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La luna (y el fondo)

• Rayos X del sol reflejados
• Fondo difuso por detrás

?El Fondo de rayos X
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El Sol

• Óptico 6000 K
• Rayos X 1000000 K

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Sco X-1
14
Estrellas Binariascon transferencia de masa

• Enanas blancas
• Estrellas de neutrones
• Agujeros negros

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La galaxia de Andrómeda
16
Cúmulos de galaxias
Cúmulo de Coma
Cúmulo de Virgo
17
Núcleos galácticos activos
18
Núcleos galácticos activos
M87
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Índice

• Astronomía de rayos X
• Núcleos Galácticos Activos
• El Fondo de Rayos X
• XMM-Newton
• SSC
• AXIS
• Lockman Hole
• XEUS

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Núcleos Galácticos Activos (AGN) El modelo
estándar

• Agujero Negro supermasivo (M106-109 Masas
  Solares)
• Disco de acreción (T105 grados)
• Jet (chorro) de electrones muy energéticos
  colimados por el disco

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Núcleos Galácticos Activos (AGN) El modelo
estándar
NGC4261
Chris Done (University of Durham)
22
Espectro óptico de un Núcleo Galáctico Activo
23
Espectro de rayos X de un Núcleo Galáctico Activo
24
La línea de fluorescencia del Hierro (Fe K? a 6.4
keV)
Nandra 2001
Confirmación del corrimiento al rojo
gravitatorio predicho por la Relatividad General
de Einstein

• Línea de emisión muy ancha
• Los rayos X pierden energía para poder escapar
  del agujero negro

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Índice

• Astronomía de rayos X
• Núcleos Galácticos Activos
• El Fondo de Rayos X
• XMM-Newton
• SSC
• AXIS
• Lockman Hole
• XEUS

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El fondo de rayos X (FRX)
El cielo en rayos X blandos 0.1-2.4 keV (ROSAT)
El cielo en rayos X duros 2-10 keV (HEAO-1 A2)
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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
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Absorción fotoeléctrica y oscurecimiento

• Elimina los rayos X más blandos

La fuente puede ser invisible, salvo en rayos X
duros
logNH

• A menudo el gas está acompañado de polvo que
  elimina la luz óptica y ultravioleta

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El modelo unificado de los AGN
(Chris Done, Univ of Durham)
30
AGNabsorbido
Turner et al. (2001)
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El modelo unificado de los AGNcomo fuentes del
FRX
Deberían encontrarse muchos AGN absorbidos en
observaciones de rayos X duros !!!

• 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)

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La población dominante de AGN
Los rayos X duros son la forma más eficiente
de detectar la población dominante de
AGN (algunos sólo en esa banda -y submm-)

• 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
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Índice

• Astronomía de rayos X
• Núcleos Galácticos Activos
• El Fondo de Rayos X
• XMM-Newton
• SSC
• AXIS
• Lockman Hole
• XEUS

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XMM-Newton
ESA, 10-Diciembre-1999
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Qué observará XMM-Newton?
OY Car

• 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

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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

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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)

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http//www.ifca.unican.es/xray/AXIS
39
El Observatorio del Roque de los Muchachos
NOT (2.5)
JKT (1.0)
INT (2.5)
WHT (4.2)
GTC (10)
TNG (3.5)
40
AGN con líneas anchas
41
Cuásares con líneas anchas de absorción
Sólo hay 6 en rayos X hasta ahora y nosotros
tenemos dos!
42
Un AGN oscurecido?
z1.224
43
Galaxias inofensivas que contienen agujeros negros
Mkn 205
NELGs
44
Galaxias normales
z0.255
LX 1043 erg s-1
45
G21.5-09 Un remanente de Supernova y más cosas...
46
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
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Identificaciones Estadísticas
AGN
Cúmulos
NELGs
Estrellas
Galaxias
Estrellas
Galaxias
Cúmulos
NELGs
AGN
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El cielo profundo en rayos X el Lockman Hole
ROSAT 0.1-2 keV
XMM-Newton 2-10 keV
49
El cielo profundo en rayos X el Lockman Hole
12 7 6 5 4
3 (Giga-años)
Simulación de 350 ks en el Lockman Hole
tiempo
0.5-2 keV blandos
2-10 keV duros
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Índice

• Astronomía de rayos X
• Núcleos Galácticos Activos
• El Fondo de Rayos X
• XMM-Newton
• SSC
• AXIS
• Lockman Hole
• XEUS

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XEUS (X-ray Evolving Universe Spectroscopy
mission)
52
XEUS El telescopio
53
XEUS Estudiando los primeros agujeros negros
t5 Ga
t3 Ga
t2 Ga
t1 Ga
XMM-Newton
XEUS
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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)