Черные дыры в двойных системах

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