Черные дыры: наблюдения Лекция 2: Черные дыры в тесных двойных системах Сергей ПОПОВ (ГАИШ МГУ) Школа современной астрофизики-2007 Пущино

2 План лекции 1.Тесные двойные. Эволюция. 2.Кандидаты в черные дыры 3.Определение массы 4.Системы черная дыра плюс радиопульсар – не найденный Грааль 5.Спектры. Состояния. 6.Переменность. QPO. 7.ULX – ультрамощные рентгеновские источники

3 Обзоры astro-ph/ Рентгеновские параметры двойных с черными дырами astro-ph/ Черные дыры в двойных системах astro-ph/ Черные дыры промежуточных масс astro-ph/ Аккрецирующие нейтронные звезды и черные дыры: десятилетие открытий astro-ph/ Что мы можем узнать об образовании черных дыр, изучая рентгеновские двойные? gr-qc/ Черные дыры в астрофизике astro-ph/ Состояния черных дыр: аккреция и джеты astro-ph/ Переходы черных дыр между классами переменности astro-ph/ Влияние наклона и коллимация излучения рентгеновских двойных с черными дырами astro-ph/ Указания на вращение черной дыры в GX339-4: XMM-Ньютон и RXTE спектроскопия в самом высоком состоянии arxiv: Модели микроквазаров arxiv: Рентгеновские наблюдения ультрамощных источников

4 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….

5 Рентгеновские новые Маломассивные тесные двойные системы с черными дырами. Одни из лучших кандидатов.

6 Кривая блеска рентгеновской новой (Psaltis astro-ph/ )

7 Кандидаты в черные дыры Из 20 хороших кандидатов 17 относятся к рентгеновским новым. 3 имеют массивных компаньонов (Cyg X-1, LMC X-3, GRS ). (J. Orosz, from astro-ph/ )

8 Параметры кандидатов (astro-ph/ )Еще есть около 20 «кандидатов в кандидаты».

9 Определение массы где m x, m v - массы релятивистского объекта и оптической звезды (в солнечных массах), K v - 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=m x /m v, и наклонение орбиты i.

10 Массы черных дыр (Orosz 2002, см. Psaltis astro-ph/ ) Горизонтальная черта соответствует массе 3.2 солнечных.

11 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/ ) дают гораздо более низкую оценку для систем из черной дыры и раскрученного (recycled) пульсара: порядка 0.1-1% от числа двойных NS.

12 Параметры систем ЧД+PSR (Lipunov et al. 1994)

13 Спектры кандидатов в ЧД (Psaltis astro-ph/ ) XTE

14 Спектр Cyg X-1 (Psaltis astro-ph/ )

15 Джет GRS (Mirabel, Rodrigez 1994, см. Psaltis astro-ph/ ) Данные получены на VLA на длине волны 3.5 см.

16 Состояния astro-ph/ astro-ph/ McClintock, Remillard Черные дыры в двойных системах Существуют различные классификации состояний кандидатов в черные дыры.

17 Трехстадийная классификация (Remillard, McClintock astro-ph/ )

18 Диски и джеты (Fender et al. 2004, Remillard, McClintock astro-ph/ ) 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

19 GRO J во время вспышки (Remillard, McClintock astro-ph/ ) Красные крестики – тепловое состояние, зеленые треугольники – крутой степенной спектр (SPL), синие квадраты – жесткое состояние.

20 4U и H (Remillard, McClintock astro-ph/ )

21 XTE J и XTE J

22 QPO У кандидатов в черные дыры наблюдается два типа QPO: Низкочастотные ( Гц) и высокочастотные ( 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.

23 QPO и поток от диска (Remillard, McClintock astro-ph/ ) SPL – зеленые треугольники Hard – синие квадраты Промежуточные состояния – черные кружки Возможно, что механизмы QPO в жестком состоянии и в SPL различны.

24 QPO на высокой (для ЧД) частоте (Remillard, McClintock astro-ph/ ) Все QPO >100 Hz происходят только в SPL состоянии. Синие кривые: диапазон кэВ. Красные кривые: более широкий диапазон (в мягкую)

25 QPO и масса черной дыры (Remillard, McClintock astro-ph/ ) XTE J , GRO J , GRS Штриховая линия соответствует зависимости ν 0 = 931 Гц (M/M O ) -1

26 Светимость vs. Орбитальный период (Garcia et al. 2001, см. Psaltis astro-ph/ ) Пустые символы – нейтронные звезды черные символы – черные дыры. Показана светимость в спокойном состоянии.

27 GS и Nova Oph 1997 (Psaltis astro-ph/ ) Слева – Hα спектр, Справа – доплеровское изображение См. обзор в Harlaftis 2001 (astro-ph/ )

28 Инфракрасные наблюдения источников в спокойном состоянии arXiv: 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.

29 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.

30 УМИ в галактиках NGC 4490 и 4485 Шесть отмеченных источников - УМИ

31 Спектр ULX в галактике NGC 1313 NGC 1313 X-1 Зеленая линия – модель с IMBH. Красная – тепловая компонента. Синяя – степенная. (arXiv )

32 Спектры ULX (arXiv )

33 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 эрг/с. Плюсами (+) отмечены источники со светимостью > эрг/с. Размер одного квадрата сетки 1.2 угловой минуты (кроме IZW 18, там он составляет 0.24 минуты по прямому восхождению и 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).

34 УМИ в галактиках разных типов NGC 1132 IZW 18NGC 253 NGC 1291 IC 2574 NGC 1399

35 УМИ в галактиках разных типов NGC 2681 NGC 4697 NGC 4631 NGC 3184 NGC 4636

36 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. (

37 М82, звездные скопления и УМИ Черные дыры промежуточных масс могут образовываться в плотных звездных скоплениях. McCrady et al (2003)

38 Популяция УМИ 1. Черные дыры промежуточных масс 2. Коллимированное излучение обычных черных дыр 3. Источники другой природы (пульсары, остатки сверхновых, неразреш.) 4. Фоновые источники «Многое сделано, но многое еще предстоит!» (с) По всей видимости, популяция источников, относимых в УМИ, неоднородна.