Akt´ıv galaxismagok, szupermassz´ıv fekete lyukak Dobos L´aszl´ o Komplex Rendszerek Fizik´aja Tansz´ek
[email protected] ´ 5.60 E
2015. m´arcius 17.
Akt´ıv magv´u galaxisok egyes´ıtett modellje2 ´ gondoljuk, hogy minden galaxis k¨ Ugy oz´eppontj´aban van egy szupermassz´ıv fekete lyuk1 , ami folyamatosan, vagy id˝oszakonk´ent anyagot nyel el. Az SMBH gravit´aci´oja a k¨ ornyez˝ o anyagb´ ol akkr´eci´os korongot alak´ıt ki I
a fekete lyuk fokozatosan anyagot nyel el
I
az elnyelt anyag gravit´aci´ os energi´aj´anak nagy r´esze sz´etsug´arz´odik
Kozmikus r´eszcskegyors´ıt´ o I
a lyuk k¨or¨ uli ´ori´asi m´agneses t´er elektronokat gyors´ıt
I
ezek a p´olusok ir´any´aba kisug´aroznak: jetek
I
a m´agneses er˝ovonalak k¨ or¨ ul spir´al´ oz´ o elektronok sug´aroznak
1 2
supermassive black hole (SMBH) Active Galactic Nuclei (AGN)
AGN spektrumok
Forr´as: Bill Keel (2002)
relativisztikus jet keskeny vonalas régió széles vonalas régió
akkréciós korong
sűrű portórusz
fekete lyuk
Az egyes r´egi´ok sug´arz´asa Sz´eles vonalak eredete: I
fekete lyukhoz nagyon k¨ ozel kering˝ o g´azfelh˝ ok
I
oldalr´ol n´ezve a port´ orusz eltakarja
Keskeny vonalak eredete: I
a magt´ol t´avolabb kering˝ o g´azfelh˝ ok
I
a port´orusz nem el´eg vastag, hogy kitakarja
UV sug´arz´as I
k¨ozvetlen¨ ul az akkr´eci´ os korongb´ ol
I
maghoz nagyon k¨ ozel
IR sug´arz´as I
a port az els˝odleges sug´arz´as gerjeszti
I
infr´aban sug´arozza vissza
Gyorsan v´altoz´o, lapos spektrum´ u sug´arz´as I
relativisztikus jetb˝ ol
Az AGN-ek t´ıpusai Az AGN t´ıpusa a r´al´at´as ir´any´at´ ol ´es a mag aktivit´as´at´ol f¨ ugg: I
Seyfert I: gyenge AGN, k¨ ozvetlen r´al´at´as a magra
I
Seyfert II: gyenge AGN, a por m¨ og¨ ul csak a keskeny vonalas r´egi´ok l´atszanak ki
I
Kvaz´ar: er˝os AGN, k¨ ozvetlen r´al´at´as a magra
I
Ultraf´enyes infrav¨ or¨ os galaxis: er˝ os AGN, a por eltakarja
I
Blaz´ar: k¨ozvetlen¨ ul a jetbe n´ez¨ unk
A r´adi´osug´arz´as l´ete/nem l´ete: I
er˝os AGN eset´en a mag k¨ ozel´eben mindig van
I
a konkr´et r´adi´o morfol´ ogia val´ osz´ın˝ uleg a csillagk¨ozi/galaxisk¨ ozi g´az eloszl´as´at´ ol f¨ ugg
K¨ozponti fekete lyuk a Tej´utban
Sagittarius (nyilas) csillagk´epben jele: Sgr A*
K´ep: Chandra r¨ontgen
Szupermassz´ıv fekete lyukak Szupermassz´ıv fekete lyukak t¨ omege: M• = 105 –1010 M M•Tej´ut = 4,1 × 106 M Szupermassz´ıv fekete lyuk I
a galaxis t¨omeg´enek csak kis r´esze
I
nagyon kis t´erfogatba van koncentr´alva
I
mivel esem´enyhorizont sugara a t¨ omeggel ar´anyosan n˝o (´es nem inverz k¨ob¨osen) az SMBH-k s˝ ur˝ us´ege” (vagyis az ” esem´enyhorizonton bel¨ uli t¨ omeg) kb. mint a v´ız´e
SMBH-k kialakul´asa Egyed¨ ul a csillagm´eret˝ u fekete lyukak kialakul´as´ara van j´o elm´elet I
szupern´ova robban´as ut´an a csillag marad´eka ¨osszeomlik
Tal´an l´eteznek ´atmeneti fekete lyukak (1000M k¨ or¨ ul) I
ultra-f´enyes r¨ontgenforr´asok
Az SMBH-k l´etre j¨ohettek hierarchikus ¨ osszeolvad´assal? I
galaxisok ¨osszeolvad´asa sor´an (vannak dupla magv´ uak)
I
viszont nagyon kor´an l´etre j¨ ottek
I
legt´avolabbi ismert kvaz´arok z > 6
I
az Univerzum ekkor m´eg 1 milli´ard ´evn´el fiatalabb volt
I
lehet, hogy a kezdetekt˝ ol fogva l´eteztek? (primordi´alis fekete lyukak)
Az Univerzum szerkezet´enek kialakul´as´at le´ır´ o modellnek valahogyan sz´amot kell adnia az SMBH-k l´et´er˝ ol, m´ereteloszl´as´ar´ol.
Akkr´eci´o, az akkr´eci´os korong Az akt´ıv mag k¨or¨ uli anyagnak van impulzusmomentuma I
nem hullhat k¨ozvetlen¨ ul a magba
I
valahogy el kell vesz´ıtenie az impulzusmomentumot
I
plazmakorong alakul ki, ebben MHD effektusok
I
az anyag s´ url´odik, felforr´ osodik, lassan befel´e spir´alozik
I
ek¨ozben kisug´arozza a gravit´aci´ os energi´aj´at
I
a korong h˝om´ers´eklete Tdisk = 104 –105 K
Elnyelt anyag mennyis´ege ´es a felszabadul´ o energia I egy Seyfert-galaxis luminozit´ as´ahoz el´eg M˙ ≈ 2–3M yr−1 ˙ 2 I Ldisk = η Mc I
SMBH eset´en a folyamat hat´asfoka kb. η ≈ 0,42
Az akkr´eci´os korong szerkezete a maghoz k¨ozel
Sug´arz´as hat´as´ara a bels˝ o r´egi´ ok felpuffadnak” ” I nagyon forr´ o: UV, de ak´ar r¨ ontgen sug´arz´as is I
a v´ekony korong a bels˝ o r´egi´ o sug´arz´as´at visszaveri
I
polariz´alt sug´arz´as, aszimmetrikus vonalak
Forg´o fekete lyukak Egy fekete lyuknak lehet impulzusmomentuma I
ezt a Schwarzschild helyett a Kerr-metrika ´ırja le
I
a fekete lyuk mag´aval ragadja” a k¨ or¨ ul¨ otte lev˝o teret, ´es ” megcsavarja
I
a forg´asi sebess´egnek van elm´eleti maximuma
Szupermassz´ıv fekete lyukak I
az impulzusmomentumuk nagyon k¨ ozel van az elm´eleti maximumhoz
I
ezzel is el kell sz´amolnia a kialakul´asukat le´ır´ o elm´eletnek
Lense–Thirring-effektus I
a forg´o fekete lyuk az inklin´alt p´aly´aj´ u csillagok p´aly´aj´at elforgatja
I
n´eh´any ´eves id˝osk´al´an m´erhet˝ o lenne
I
m´erhet˝o lenne a lyuk impulzusmomentuma
Jetek kialakul´asa Nem tudjuk, hogy a jet milyen anyagb´ ol ´all: I ion-elektron plazma I esetleg elektron-pozitron plazma (p´ arkelt´esb˝ ol) K´et elm´elet is van, nem tudjuk, hogy melyik (ha egy´altal´an valamelyik) j´o: I a jetet a korong m´ agneses tere hozza l´etre I a jetet a fekete lyuk forg´ asa hozza l´etre I vagy a kett˝ o egy¨ utt A kollim´aci´ot er˝os m´agneses t´er hozza l´etre I
a kollim´aci´o nagyon er˝ os ´es szimmetrikus
I
a fekete lyuk k¨ozel´eben kell megt¨ort´ennie
A fekete lyuk forg´asi energi´aj´anak megcsapol´asa A Blandford–Znajek-folyamat I a fekete lyuk esem´ enyhorizontja nagyon j´ o vezet˝o I R ≈ 30 Ω az egyenl´ ıt˝ o ´es a p´ olusok k¨ oz¨ ott I a forg´ o vezet˝o er˝os m´agneses t´erben elemk´ent m˝ uk¨odik I ez gyors´ ıtja a jet anyag´at I a nyugalmi t¨ omeg majdnem 10%-a kinyerhet˝ o I k¨ ozben a BH forg´asa lassul
Akt´ıv galaxismagok id˝obeli varianci´aja
Id˝oben v´altozik I
r¨ontgen ´es UV kontinuum luminozit´asa
I
a sz´eles vonalak er˝ oss´ege
I
a v´altoz´as id˝osk´al´aj´at meghat´arozza a sug´arz´ o tartom´any m´erete
A kontinuum v´altoz´as´at id˝ oben eltolva k¨ oveti a sz´eles vonalak v´altoz´asa I
a sz´eles vonalakat a bels˝ o r´egi´ o gerjeszti
I
id˝o kell, m´ıg a gerjeszt´es a magt´ ol a sz´eles vonalas r´egi´oig el´er
A k¨ozponti fekete lyuk t¨omege: reverberation mapping3 A sz´eles vonalas r´egi´ok a maghoz nagyon k¨ ozel keringenek I
n´eh´any hetes-h´onapos id˝ osk´al´an v´altoznak
I
kering´esi a sebess´eg¨ uk m´erhet˝ o (vonalak sz´eless´eg´eb˝ol)
I
a t´avols´aguk becs¨ ulhet˝ o
I
k¨orp´aly´at felt´etelezve becs¨ ulhet˝ o a k¨ ozponti t¨omeg
M´odos´ıtott v´altozat: az akt´ıv mag abszol´ ut luminozit´as´at is becsli I
a kontinuum felf´enyl´es´et k¨ ovet˝ o IR felf´enyl´est keresik
I
a por t´avols´aga becs¨ ulhet˝ o
I
a por egy adott sug´aron bel¨ ul elp´arolog
I
a por t´avols´ag´ab´ol becs¨ ulhet˝ o az AGN abszol´ ut f´enyess´ege
I
standard gyertya (Yoshii et al. 2014)
3
reverberation = visszaver˝ od´es
A k¨ozponti fekete lyuk t¨omege: m´ezerek M´ezer4 : I
sug´arz´as feler˝os´ıt˝od´ese a l´ezerhez hasonl´ oan
I
a mikrohull´am´ u tartom´anyban
I
monokromatikus
I
´altal´aban molekul´ak gerjesztett elektronokkal
I
bees˝o sug´arz´as hat´as´ara induk´alt emisszi´ o
A m´ezerek j´ol m´erhet˝ok I
r´adi´o tartom´anyban nagy felbont´as
I
magt´ol val´o t´avols´ag
I
kering´esi sebess´eg (spektrumvonal kisz´elesed´ese)
4
maser
A k¨ozponti fekete lyuk t¨omege A maser ´es reverberation mapping technika csak kev´es esetben m˝ uk¨odik I
kevesebb, mint 40 ismert rendszer
I
m´as elj´ar´ast kell keresni
Az M• –σ rel´aci´o I
o¨sszef¨ ugg´es a fekete lyuk t¨ omege ´es a galaxis magj´anak sebess´egdiszperzi´oja k¨ oz¨ ott
I
reverberation mapping alapj´an lehet kalibr´alni 5.1 σ M• ≈ 1.9 108 M 200 km s−1
I
az ¨osszef¨ ugg´es fizik´aja nem ismert
I
visszat´er¨ unk r´a az Univerzum hierarchikus fejl˝od´es´enek t´argyal´asakor
Forr´as: Kormendy & Ho (2013)
Akt´ıv galaxisok evol´uci´oja Kvaz´arok peri´odusa I
egyik nagyon fontos k´erd´es
I
felt´etelezz¨ uk, hogy nem egyfolyt´aban akt´ıvak
I
nem ismert, hogy milyen id˝ ok¨ oz¨ onk´ent kapcsolnak ki-be
I
csak galaxisok ¨osszeolvad´asakor?
Hogyan v´altozik a f´enyess´eg¨ uk? I
r´egen sokkal f´enyesebbek
I
k¨ozeli Univerzumban m´ar ink´abb csak Seyfert-galaxisok
I
kevesebb galaxis¨ utk¨ oz´es
I
elfogyott az elnyelhet˝ o g´az
A kvaz´arok gyakoris´aga
Kvaz´arok evol´uci´oja
Luminozit´as I
z ∼ 2 k¨or¨ ul j´oval f´enyesebbek
I
m´ara k´et nagys´agrend cs¨okken´es
Sz´ams˝ ur˝ us´eg I
z ∼ 2 k¨or¨ ul cs´ ucs
I
az´ota fogynak
A kvaz´arok ki-be kapcsolnak.
Az akt´ıv mag visszahat´asa5 Hogyan hat k¨olcs¨on a galaxis ´es a benne lev˝ o fekete lyuk? I
a galaxisevol´ uci´o egyik f˝ o k´erd´ese
I
mib˝ol j¨on az M• –σ rel´aci´ o?
I
a fekete lyuk dinamikai befoly´asi sugara viszonylag kicsi
A fekete lyuk valamilyen m´ odon meghat´arozza a galaxist alkot´o csillagok l´etrej¨ott´et I
akt´ıv galaxisban nincsen csillagkeletkez´es
I
mit˝ol ´all le a csillagkeletkez´es?
I
az akt´ıv mag kif´ ujja a g´azt
I
a csillagkeletkez´es hirtelen ´all le
5
AGN feedback
