u.3.- cuasares y otras galaxias activas
Anuncio
ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3 - Programa de Nuevas Tecnologías - MEC Unidad didáctica 3: Cuasares y otras galaxias activas Efecto lente gravitacional file:///F|/antares/modulo7/m7_u300.html [12/3/2000 19.24.57] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 01- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - 3.1. Galaxias con lineas de emisión Figuras 7-3-1a y 1b. Galaxias con líneas de emisión. (a) muestra dos galaxias típicas con líneas de emisión. La situada a la derecha está experimentando un proceso de colisión con otra galaxia cercana. file:///F|/antares/modulo7/m7_u301.html (1 de 5) [12/3/2000 19.24.59] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 01- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - (b) muestra un espectro de líneas de emisión, producido por estas galaxias, muy diferente del que aparece en la figura 2, que está producido por una galaxia ordinaria. En el tema anterior hemos estudiado las llamadas galaxias normales que pueden ser clasificadas de acuerdo con sus formas sin excesivas complicaciones y cuyas luminosidades tienen por causa la radiación estelar. Al avanzar en la secuencia de Hubble la cantidad de gas aumenta y llega a representar una fracción importante en la espirales de tipo Sd e irregulares. En estos casos aparecen ya manifestaciones de fenómenos característicos de un gas caliente. Esto es además de las líneas de absorción típicamente estelares presentan otras de emisión, producidas por el hidrógeno y átomos más pesados que pueden estar en niveles de ionización importantes. Hay sin embargo unas galaxias donde existen concentraciones de gas de gran tamaño que están calentadas por mecanismos extraordinariamente energéticos que producen una elevada luminosidad. Es tan grande que oculta o atenúa en gran medida las características de la población estelar e incluso la propia forma de la galaxia. Exhiben excesos muy importantes en la región azul del espectro y líneas de emisión de hidrógeno, y otras de elementos más pesados que están prohibidas por las reglas de selección de Pauli ( Figuras 7-3-1 y 7-3-2). Por ello es muy difícil y en algunos casos imposible, observarlas en las condiciones usuales que reinan en los laboratorios terrestres. Las galaxias con líneas de emisión cubren un rango muy amplio de luminosidades que revela diferencias importantes en los mecanismos responsables de la radiación. Para obtener una información primaria sobre su naturaleza no podemos recurrir a sus formas, poco definidas en unos casos e imposibles de establecer en la mayoría. No es posible por tanto aplicar los file:///F|/antares/modulo7/m7_u301.html (2 de 5) [12/3/2000 19.24.59] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 01- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - criterios de clasificación de Hubble. Incluso si ello fuera posible, no permitiría su discriminación en función de los procesos responsables de sus propiedades observadas. Por ello es necesario recurrir a métodos más complejos de naturaleza fotométrica y espectroscópica, como los utilizados para clasificar las estrellas en el diagrama H-R. El primer paso consistió en la observación fotométrica de una muestra amplia de galaxias con líneas de emisión utilizando los filtros fotométricos U, B y V. Los índices de color U-B son muy negativos en todos los objetos indicando una fuerte intensidad de la luz en la región ultravioleta. Por consiguiente este índice no es un buen discriminador. La situación cambió al repetir las observaciones con los filtros infrarrojos J, H y K, que están centrados en 1.2, 1.6 y 2.2 µm. El índice J-K separa las galaxias con líneas de emisión en dos grandes grupos. En el primero los valores de J-K son inferiores a 1.1, similares a los que presentan las galaxias normales, donde constituyen un buen indicador de la radiación emitida por las estrellas frías. En el segundo son superiores, revelando la existencia de mecanismos mas energéticos que los puramente estelares. En muchas imágenes de las galaxias de este grupo son perceptibles estructuras irregulares, filamentosas y chorros de gas, causados por verdaderas explosiones que dan lugar al lanzamiento de grandes cantidades de materia a velocidades muy elevadas. Por razones que justificaremos más adelante, los objetos clasificados en el primer grupo reciben el nombre de galaxias HII y los del segundo galaxias activas, aún cuando la denominación más correcta, por razones que daremos más adelante, es la de núcleos activos. file:///F|/antares/modulo7/m7_u301.html (3 de 5) [12/3/2000 19.24.59] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 01- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Figura 7-3-3. Radiación sincrotrónica. En el esquema B representa la dirección del campo magnético, alrededor del cual se desplaza un electrón con velocidad próxima a la luz. El análisis espectroscópico confirma las diferencias entre los dos grupos. Las espectros de las galaxias HII presentan líneas más estrechas y simétricas así como niveles de ionización más bajos que las galaxias activas. Estas últimas emiten energía en un rango muy amplio, desde las radiofrecuencias a los rayos X, que tiene las propiedades típicas de la radiación sincrotrónica (Figura 7-3-3). La producen electrones moviéndose con velocidades próximas a la luz , a lo largo de las líneas de fuerza de un campo magnético. Esta propiedades son consistentes con la luminosidades observadas que en el caso de las galaxias HII tienen un valor medio de diez millones de veces mayor que la luminosidad solar ( 1040 L¤ ), en las activas están comprendidas entre 1043 y 1048 L ¤ file:///F|/antares/modulo7/m7_u301.html (4 de 5) [12/3/2000 19.24.59] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 01- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - file:///F|/antares/modulo7/m7_u301.html (5 de 5) [12/3/2000 19.24.59] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 02- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - 3.2. Galaxias HII Figura 7-3-4. Región HII. En esta sección de una nebulosa de emisión se distinguen unos puntos rojos que corresponde a galaxias recién formadas que calientan el gas, predominantemente de hidrógeno, ionizando este elemento. file:///F|/antares/modulo7/m7_u302.html (1 de 4) [12/3/2000 19.24.59] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 02- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - La interpretación de sus propiedades observadas permite establecer la naturaleza del motor que gobierna la estructura emisora. La radiación que observamos no es el resultado directo de la superposición de la luz de las estrellas, como ocurre en las galaxias ordinarias, sino que está producida por un gas caliente. Recordemos que las estrellas se originan en concentraciones de gas del medio interestelar, cuya temperatura ronda inicialmente los 50 K. Una vez formadas, emiten una fracción importante de su radiación en el ultravioleta lejano la cual, debido a su alta energía, calienta el gas circundante elevando su temperatura hasta valores comprendidos entre 5000 y 20000 grados (Figura 7-3-4 y 7-3-5). Este proceso provoca modificaciones químicas importantes. La radiación energética produce la ionización del hidrógeno ( HII ) y los átomos más pesados, liberando electrones que colisionan entre ellos promediando de esta forma su energía. A continuación estas partículas participan en dos procesos importantes. Una parte de ellas es capturada por los protones para formar átomos de hidrógeno produciendo las líneas de este elemento. Otra colisiona con los iones, que son excitados y vuelven al estado de equilibrio devolviendo la energía suministrada bajo la forma de líneas espectrales. Figura 7-3-5: Motor de las galaxias HII. El esquema muestra el mecanismo estelar que gobierna la luminosidad de estas galaxias. file:///F|/antares/modulo7/m7_u302.html (2 de 4) [12/3/2000 19.24.59] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 02- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Las estrellas jóvenes y masivas, las mas eficaces para producir radiación energética, constituyen por tanto el motor de las galaxias HII que mantienen su equilibrio térmico gracias a las líneas espectrales que actúan como un verdadero refrigerante. Para explicar las luminosidades observadas es necesario que el motor tenga más potencia que el de nebulosas como Orión. Deben nacer más estrellas por unidad de tiempo. Este hecho repercute en la composición química del gas ya que, como señalamos anteriormente, las estrellas masivas evolucionan rápidamente y devuelven al medio material procesado. Por tanto, si existe una formación estelar importante durante fracciones substanciales de la vida de la galaxia, la abundancia química del gas será mucho mayor que la observada. Para eliminar esta contradicción es necesario que la formación estelar intensa ocurra durante periodos relativamente cortos, seguidos por otros de calma. Los estudios realizados fijan en unos 50 millones de años la duración de estos brotes de formación estelar (BFE). Una galaxia puede contener uno o varios BFE y pueden surgir en objetos muy jóvenes, formando las primeras generaciones de estrellas. La observación y análisis de estos casos tiene un gran interés, ya que el gas haya no ha sido contaminado de manera apreciable por el material producido en las reacciones nucleares del interior de las estrellas y su composición es cercana a la que tenía el universo en los primeros instantes. Como veremos más adelante, en el tema de cosmología, en los primeros quince minutos de la vida del universo tuvo lugar la formación de los núcleos de hidrógeno, helio en una proporción que ha permanecido prácticamente sin variación y también trazas de litio y boro . Todos los demás elementos fueron formados posteriormente durante la nucleosíntesis estelar. También aparecen BFE en galaxias evolucionadas con una importante población de estrellas viejas, cuyo espectro de líneas de absorción está ocultado parcial o totalmente por la emisión del gas. file:///F|/antares/modulo7/m7_u302.html (3 de 4) [12/3/2000 19.24.59] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 02- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Figura 7-3-6. Efectos de la colisión de galaxias. La imagen tomada con el Telescopio Espacial Hubble corresponde a la galaxia Cartwheel (rueda de carro) situada a 160 Mpc. Su estructura es debida probablemente a la colisión ocurrida con alguna de las dos galaxias de la izquierda. En el anillo resultante de este proceso se mueve a 300000 kilómetros por hora, y en él tiene lugar una importante proceso de formación estelar. Uno de los agentes que determina la aparición de los BFE es la colisión o interacción entre dos galaxias ( figura 7-3-6 ) o nubes de gas intergaláctico, que dan lugar a una acumulación de gas y a inestabilidades que desencadenan los procesos de formación estelar. file:///F|/antares/modulo7/m7_u302.html (4 de 4) [12/3/2000 19.24.59] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 03- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - 3.3. Galaxias activas Figura 7-3-7: Cuasar 3C273. Es el objeto de mayor tamaño de la imagen. En la parte inferior derecha aparece un chorro de gas gigantesco expulsado por el propio cuasar. La familia de las galaxias activas comprende básicamente dos clases, Seyfert y cuasares a las que están asociadas distintas variedades. En la primera los niveles de ionización y la luminosidad son más bajos que en la segunda. Pero hay también otras diferencias significativas. En el año 1943 Karl Seyfert descubrió unas galaxias, que recibieron su nombre, con núcleos relativamente pequeños y muy luminosos que presentaban muchas de las características de las nebulosas de emisión brillantes de nuestra Galaxia. Esto es, intensidad luminosa muy destacada en la región azul del espectro (exceso en el azul), y líneas de emisión permitidas y prohibidas. Estas propiedades, muy diferentes de las observadas en las galaxias normales, no encajaban en los esquemas de clasificación de Hubble y ello, unido al escaso número de Seyfert identificadas, las convirtió en objetos exóticos de escaso interés. Posteriormente se descubrieron otras galaxias con características similares, recibiendo todas ellas el nombre de galaxias activas, y fueron agrupadas siguiendo criterios determinados por la file:///F|/antares/modulo7/m7_u303.html (1 de 2) [12/3/2000 19.25.00] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 03- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - técnica observacional utilizada. La mayor parte de Seyfert conocidas están en regiones cercanas, de manera que sus desplazamientos al rojo son pequeños. Sus luminosidades son mayores que las correspondientes a las galaxias con líneas de emisión, pero raramente superan los 1044 L¤ . Comprenden básicamente dos clases, denominadas Seyfert 1 y Seyfert 2. Las primeras son más energéticas y tienen niveles de ionización más altos que las segundas. El descubrimiento de los cuasares el año 1963 marca uno de los hitos de la astrofísica y es fruto de la aplicación conjunta de técnicas observacionales en las frecuencias de radio y óptico. Los radioastrónomos del Observatorio de Jodrell Bank (Inglaterra) estaban interesados en la medida de los tamaños aparentes de una muestra de radiofuentes del Tercer Catalogo de Cambridge, designadas como 3C. Gracias a este trabajo pudo determinarse de manera muy precisa la posición de muchas de ellas facilitando su observación con telescopios ópticos. El astrónomo Maarten Schmidt seleccionó por su interés 3C273 y obtuvo su primer espectro. Observó que presentaba líneas de emisión muy anchas que, una vez identificadas, resultaron ser de hidrógeno y tener un importante desplazamiento al rojo, z = 0.158, que correspondía a una gran distancia. De manera que en lugar de una estrella, 3C273 debería ser una galaxia cien billones de veces más luminosa que el Sol. En la proximidades de 3C273 se distingue una estructura que ha sido identificada como un enorme chorro de gas, que constituye la manifestación de procesos explosivos, muy diferentes de los que pueden ocurrir en las estrellas ( figura 7-3-7 ). A diferencia de las Seyfert, todos los cuasares muestran de lejos grandes desplazamientos la rojo, siendo esta una propiedad característica a añadir a las anteriores. Sus imágenes fotográficas exhiben un aspecto muy compacto, similar al de las estrellas, por ello recibieron el nombre de cuasares (objetos cuasi-estelares). Las propiedades de los cuasares, la interpretación de los mecanismos que dan origen a sus luminosidades, las más altas observadas en un objeto celeste, su formación y evolución, la naturaleza de sus grandes desplazamientos hacia el rojo, su distribución a gran escala en el universo y sus modos de agrupación son algunos de los problemas que han atraído la atención de un gran número de astrofísicos. Hoy sabemos que los cuasares emiten en un rango muy amplio del espectro, desde las radiofrecuencias a los rayos gamma, pero sólo un 10% son emisores de radio importantes. También que existen diferentes variedades como los Blazares que son radiofuentes intensas y comprenden los llamados Objetos BL Lacertae cuyas líneas de emisión son muy débiles o indetectables. file:///F|/antares/modulo7/m7_u303.html (2 de 2) [12/3/2000 19.25.00] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 04- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - 3.4. Agujeros negros supermasivos Figura 7-3-8: Agujeros negros supermasivos. Estas tres galaxias observadas por el Telescopio Espacial Hubble son sospechosas de albergar agujeros negros supermasivos. Los indicios son siempre indirectos, y proviene de estudios de carácter dinámico de las estructuras centrales file:///F|/antares/modulo7/m7_u304.html (1 de 3) [12/3/2000 19.25.00] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 04- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - La interpretación actual de la enorme luminosidad observada en Seyfert y cuasares esta basada en la generación de energía provocada por la caída de materia (acreción) sobre un agujero negro central supermasivo. Si M y R son la masa y el radio del agujero negro, la velocidad de caída de cualquier partícula será, Como ejemplo de su eficacia consideremos una estrella de neutrones de masa M = 4x1033 g y radio, R = 10 km. Si la partícula atraída es un protón, la energía producida es 2.7x1020 erg, un 30% de la energía de aniquilación ( mpc2 ). El proceso de acreción produce una radiación que ejerce una fuerza sobre los electrones dirigida hacia fuera, en sentido contrario a la fuerza de gravedad, que actúa sobre los protones. Igualando ambas resulta un valor máximo de la luminosidad para que ocurra la acreción que recibe el nombre de luminosidad de Eddington, Ledd = 1.3x1038 M erg s-1 donde M está expresada en masas solares. De modo que un objeto colapsado de 109 M¤ explicaría la luminosidad observada en muchos cuasares. Este agujero negro tendría un radio de Schwarschild, Rs = 3x105M = 3x109 km más allá del cual ninguna partícula puede escapar del agujero negro. Si la luminosidad del cuasar fuera Ledd el agujero negro central tardaría unos 50 millones de años en consumir todo el combustible disponible. Este valor puede parecer muy grande, sin embargo es prácticamente despreciable frente a la vida media de una galaxia que es del orden del billón de años. Por ello la actividad no puede ser un estado permanente sino una situación temporal, transcurrida la cual la galaxia mostrará una apariencia normal. Estudios basados en observaciones realizadas con el Telescopio Espacial Hubble y desde tierra han mostrado evidencias importantes en favor de la existencia de agujeros negros supermasivos en galaxias normales espirales, que estarían inactivos al no disponer de combustible suficiente. El agujero negro supermasivo tiene posiblemente un movimiento de rotación y un campo magnético asociado importante. Está rodeado por un disco, llamado de acreción, sobre el que cae la materia la cual puede producir un fuerte calentamiento en regiones muy localizadas y originar explosiones de tipo nuclear, causantes de la eyección de los chorros de gas observado en algunos cuasares. Finalmente la materia del disco, después de perder parte de su energía, pasaría al agujero negro. Las pruebas más concluyentes de la existencia de agujeros negros supermasivos provienen de estudio de la cinemática del gas y las estrellas realizados a partir de observaciones en alta resolución del centro de nuestra Galaxia y de NGC 4258, una galaxia débilmente activa. Desgraciadamente este método no puede ser aplicado a los cuasares y las galaxias Seyfert brillantes a causa de la variedad y complejidad de los procesos provocados por el file:///F|/antares/modulo7/m7_u304.html (2 de 3) [12/3/2000 19.25.00] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 04- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - núcleo activo. Sin embargo estudios recientes de la dinámica estelar realizados en una amplia muestra de galaxias cercanas, confirman la que los agujeros negros supermasivos no son fenómenos raros sino muy frecuentes (Figura 7-3-8). file:///F|/antares/modulo7/m7_u304.html (3 de 3) [12/3/2000 19.25.00] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 05- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - 3.5. Origen y mantenimiento de la actividad La hipótesis de que el motor central de una galaxia activa es un agujero negro goza de un alto grado de consenso. Sin embargo no ocurre los mismo con las teorías elaboradas para explicar el origen y mantenimiento de la actividad. Uno de los modelos que tienen más seguidores considera que la actividad es alimentada por la evolución de las estrellas de un cúmulo, cuya formación sería consecuencia de la interacción de dos galaxias espirales normales ricas en gas. Para explicar las galaxias activas más luminosas, debería existir inicialmente un agujero negro de masa intermedia y pequeña, sumergido en un cúmulo estelar de 4x109 M¤ y un radio algunos parsecs. De esta manera el intenso campo gravitacional asegura que la materia perdida por las estrellas y los objetos colapsados producidos en el curso de su evolución, caigan hacia el centro. El agujero negro aumentaría la masa inicial que alcanzaría después de cien millones de años un valor superior a las 109 M¤ . Para formar el cúmulo de estrellas, que constituye la base del modelo, es necesaria la interacción de dos galaxias ricas en gas que produce una concentración de gas y las perturbaciones necesarias para desencadenar una formación estelar intensa. Las colisiones de galaxias son fenómenos comunes en el universo y así lo prueban numerosas evidencias observacionales. La frecuencia de la colisión depende de la densidad y tamaño de las galaxias. Como veremos en el tema de cosmología, el universo está en expansión y su tamaño fue en el pasado más pequeño. Por tanto la densidad de galaxias fue mayor y las colisiones entre ellas más frecuentes. Las condiciones que reinaban en el universo cuando era más joven, debieron facilitar la formación de los cuasares que por esta razón observamos a grandes distancias. No hay que olvidar que profundizar en el espacio implica también hacerlo en el tiempo, ya que hace miles de millones de años que los cuasares emitieron la luz que recibimos ahora. El núcleo galáctico que ha sido alguna vez activo puede volver a serlo si se producen las condiciones que conduzcan de nuevo el gas hacia el agujero negro central. En el caso de nuestra propia Galaxia es probable que el núcleo contenga un objeto muy compacto con 3x106 M¤. Si radia en el límite de Eddington, su luminosidad sería de unos 1044 erg s-1, esto es, más próxima a una galaxia Seyfert que a un cuasar. Como la masa del agujero negro ha tenido que ser menor en el pasado, la Galaxia nunca ha podido ser un cuasar. file:///F|/antares/modulo7/m7_u305.html (1 de 2) [12/3/2000 19.25.01] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 05- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - file:///F|/antares/modulo7/m7_u305.html (2 de 2) [12/3/2000 19.25.01] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 09- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - 3.9. Galaxias subyacentes Figura 7-3-16 . Galaxias subyacentes. La imágenes del Telescopio Espacial Hubble muestra las galaxias subyacentes de un grupo de cuasares, que en algunos casos esta experimentando procesos de colisión Llamamos galaxia subyacente a la galaxia normal que alberga una Seyfert o un cuasar presumiblemente en el centro. Contra su detección conspiran la gran luminosidad del núcleo activo, que oculta la más débil galaxia normal, y las grandes distancias. Por ello esta tarea ha sido llevada a cabo con más éxito en las galaxias Seyfert, que aparecen en la mayoría de los casos en espirales y espirales barradas. Es significativo el hecho de que muchas Seyfert aparezcan en galaxias que experimentan procesos colisionales. En el caso de los cuasares, las evidencias provienen de los más cercanos. Están basadas en la identificación de líneas espectrales de origen estelar y en la detección de estructuras extensas que puedan ser asociadas a una galaxia normal. Un caso particularmente interesante es el cuasar 3C48. Un complejo proceso de tratamiento de la imagen ha mostrado una galaxia subyacente anormalmente luminosa y extensa que tiene el mismo desplazamiento al rojo que el cuasar y un espectro característico de una galaxia espiral. file:///F|/antares/modulo7/m7_u309.html (1 de 2) [12/3/2000 19.25.01] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 09- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Observaciones realizadas con el Telescopio Espacial Hubble (figura 7-3-16) han permitido observar las galaxias subyacentes de 20 cuasares muy luminosos, con desplazamientos al rojo inferiores a 0.3, que pueden considerarse una muestra suficientemente representativa de los cuasares cercanos. Los tipos morfológicos corresponden a elípticas y espirales. En algunas imágenes aparecen galaxias subyacentes experimentando colisiones con otras normales. Las luminosidades son mas altas que las correspondientes a galaxias ordinarias del mismo tipo morfológico. file:///F|/antares/modulo7/m7_u309.html (2 de 2) [12/3/2000 19.25.01] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3 - 10 - Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Cuestiones y problemas para autoevaluación ● Cuestiones ● Problemas Cuestiones 1. Comparar la energía producida por un cuasar con la de una central nuclear de 1000 Mw ( megavatios). 2. A qué distancia debería estar un cuasar para que pudiera ser observado como un segundo Sol desde la Tierra. ¿Produciría efectos sobre la vida en la Tierra? 3. Citar tres diferencias básicas entre las galaxias normales y las galaxias activas. 4. Por qué los cuasares reflejan las propiedades que tenía el universo cuando era mucho más joven que el actual. 5. A qué velocidad se aleja de nosotros un cuasar con un desplazamiento al rojo z = 3.5. 6. Cuáles serían los tamaños de la Tierra y la Luna si se transformaran en agujeros negros. Comparadlos con el del Sol y los existentes en el centro de los cuasares. 7. Por qué cuando los desplazamientos al rojo son cercanos o mayores que la unidad no debe aplicarse la formula Doppler clásica. 8. Cómo podemos utilizar los cuasares para detectar la materia invisible del universo. 9. Citar las principales estructuras virtuales observadas en el universo. Problemas file:///F|/antares/modulo7/m7_u3autoeva.html (1 de 2) [12/3/2000 19.25.01] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3 - 10 - Programa de Nuevas tecnologías - MEC - 1. El brillo de una galaxia activa muestra cambios en una escala de tiempo de una semana. ¿Cuál es el tamaño de la región responsable de la radiación?. Si la galaxia tiene una la magnitud aparente de 18 y su distancia es de 2000 Mpc. ¿Cuál es su magnitud absoluta y luminosidad?. Se considera despreciable la extinción interestelar. 2. Un cuasar tiene un desplazamiento la rojo de z = 5. Considerando una constante de Hubble Ho = 75 km/s/Mpc, determinad su distancia. file:///F|/antares/modulo7/m7_u3autoeva.html (2 de 2) [12/3/2000 19.25.01] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3 - 11 - Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Proyectos o actividades de observación 1. Observación de un cuasar, obtención de su espectro y medida de la distancia asociada al desplazamiento al rojo realizadas con un gran telescopio del Observatorio Astronómico Virtual.. La descripción completa de esta práctica así como los procesos necesarios para su realización están explicados con detalle en el Apéndice. Por favor, antes de acceder al Observatorio, consulte el manual de instrucciones. file:///F|/antares/modulo7/m7_u3activid.html [12/3/2000 19.25.01] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 08- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - 3.8. Efecto lente gravitacional Figura 7-3-12. Deflexión de la luz. El campo gravitacional de un objeto masivo desvía la trayectoria de un rayo de luz que pasa por su cercanía. El eclipse de Sol facilita la medida de la posición de una estrella que aparentemente esta próxima al borde del disco solar, respecto a otras estrellas del cielo. Observando el mismo campo celeste seis meses después, durante la noche, la estrella seleccionada aparece desplazada un valor que es la medida de la deflexión de la luz. El fenómeno de la deflexión gravitacional de los rayos luminosos, predicho por la Relatividad General, fue observado por vez primera en 1919 por Eddington con ocasión de un eclipse de Sol. Conforme a la teoría, la luz de una estrella situada en el borde del disco solar experimenta una deflexión de 1.7" ( figura 7-3-12). Diversos astrónomos propusieron, en 1937, detectar este efecto en las galaxias, pero el descubrimiento no ocurrió hasta el año 1979. Consistió en la observación de dos cuasares A y B, 0957+561 que están separados 6 segundos de arco. Ambos tienen el mismo desplazamiento al rojo, z= 1.41 y muestran espectros muy similares. Estos resultados fueron interpretados como una consecuencia de la descomposición de la imagen de un cuasar único, producida por un objeto masivo, que interceptaba o estaba próximo a la dirección de observación, y que actuaría como una lente gravitacional. La observación de la galaxia lente que tiene un desplazamiento al rojo de z = 0.36, confirmó está predicción. file:///F|/antares/modulo7/m7_u308.html (1 de 5) [12/3/2000 19.25.02] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 08- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Figura 7-3-13. Efecto lente gravitacional. Observaciones realizadas con el Telescopio Espacial Hubble muestran en la figura de la izquierda cuatro imágenes de un único cuasar PG 1115+080 ( tres virtuales y una real) distante 8000 millones de años luz. La descomposición de las imágenes está causada por el efecto lente gravitacional, al pasar la luz del cuasar por las proximidades de una galaxia elíptica masiva situada a 3000 millones de años luz de la Tierra. A la derecha, podemos observar un anillo que corresponde a la galaxia normal que alberga el cuasar. Es el resultado de substraer las imágenes del cuasar y de la galaxia elíptica de la figura de la izquierda Después ha continuado la búsqueda de casos análogos, pero sólo se han encontrado poco más de una decena (Figura 7-3-13). Listamos a continuación los más interesantes: Sistema Número de imágenes z separación aparente 0957+561 0142+100 2016+112 0414+053 1115+0.80 1413+117 2237+0305 2 2 3 4 4 4 4 1.41 2.72 3.27 2.63 1.722 2.55 1.695 6.1 2.2 3.8 3 2.3 1.1 1.8 La descomposición de la imagen de un cuasar en varias imágenes virtuales que aparezcan bien separadas es rara. Sin embargo puede ser muy frecuente la magnificación o atenuación del flujo emitido por un cuasar, causado por un objeto masivo interpuesto en la dirección de observación, sin que ello de lugar a una multiplicación de imágenes. Este fenómeno es imposible detectarlo por el momento. Sin embargo su estudio es muy importante. Toda perturbación del flujo aparente, ya sea su amplificación o debilitamiento, modifica las muestras accesibles a la observación y puede introducir efectos de selección importantes. Por ejemplo, los recuentos de cuasares podrán resultar falseados, ya que la probabilidad de amplificación de la luz es mayor en los cuasares más distantes que en los cercanos. Es importante estimar hasta que punto nuestra visión del universo lejano es alterada por el fenómeno de la deflexión gravitacional. file:///F|/antares/modulo7/m7_u308.html (2 de 5) [12/3/2000 19.25.02] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 08- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - También pueden ser frecuentes los efectos producidos por objetos de pequeña masa, estrellas u objetos compactos, que provocan la descomposición de la imagen de un cuasar en varias microimágenes y dan lugar también a variaciones de la luz. Las separaciones de las imágenes serían del orden del microsegundo de arco cuando las lentes tienen masas cercanas a la solar. Las microimágenes no serían resolubles con las técnicas actuales, sin embargo sus variaciones de brillo, que alcanzan varias magnitudes, podrían llegar a ser detectadas. Figura 7-3-14. Arcos luminosos. En esta imagen del Telescopio Espacial Hubble aparecen unos arcos azules que corresponden a una misma galaxia distante que ha sido descompuesta por el efecto lente gravitacional producido por un cúmulo de galaxias. Algunos de sus miembros, elípticas y espirales aparecen también en la figura file:///F|/antares/modulo7/m7_u308.html (3 de 5) [12/3/2000 19.25.02] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 08- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Además de los cuasares, hay galaxias ordinarias que muestran también los efectos producidos por una lente gravitacional. Cuando la luz es interceptada por un objeto muy masivos, por ejemplo un cúmulo de galaxias, aparecen arcos luminosos que pueden tener varios segundos de extensión (Figura 7-3-14) . El primer arco fue observado en el cúmulo de galaxias Abell 370. Tiene una longitud de 21 segundos de arco y un radio de curvatura de 15 segundos de arco y es de color azul. Las primeras interpretaciones consideraron que el arco era una estructura del propio cúmulo. Sin embargo los análisis espectroscópicos posteriores permitieron la medida del desplazamiento al rojo, que resulto ser de z = 0.724, mayor que el del cúmulo, y que tiene el mismo valor en todas las partes del arco. La explicación mas aceptada es que esta estructura es el resultado del efecto lente gravitacional producido, en una galaxia azul distante, por el cúmulo Abell 370. Un objeto de masa M y radio R, desvía un ángulo θ la trayectoria de un rayo luminoso, de acuerdo con la expresión, θ= haciendo cálculos podemos expresar este ángulo en función de la distancia del cuasar y de la galaxia, que actúa como lente gravitacional, de la forma, θ= donde DQ y DG son respectivamente las distancias al cuasar y a la galaxia deflectora . Los ángulos α y β están indicados en la figura. file:///F|/antares/modulo7/m7_u308.html (4 de 5) [12/3/2000 19.25.02] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 08- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Los rayos de luz emitidos por la imagen virtual y el cuasar real no recorren el mismo camino hasta el observador. La diferencia entre los tiempos invertidos es proporcional a la constante de Hubble, Ho, que es un parámetro de gran interés cosmológico, y a la masa. Desgraciadamente es difícil conocer esta última con precisión suficiente, lo que dificulta la medida precisa de Ho. En el caso del par QSO 0951+561 A y B, la diferencia de tiempo en la recepción de las señales, emitidas simultáneamente por las dos imágenes, es de 1.2 años. file:///F|/antares/modulo7/m7_u308.html (5 de 5) [12/3/2000 19.25.02] Figura 7-3-15. Imágenes virtuales de un cuasar. Qr y Qv marcan respectivamente las posiciones del cuasar real y virtual. R es el radio de la galaxia deflectora y DQ y DG son las distancias al observador ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3 - 12 - Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Soluciones ● Cuestiones ● Problemas Cuestiones 1. Comparar la energía producida por un cuasar con la de una central nuclear de 1000 Mw ( megavatios). La energía del cuasar equivale a 1031 centrales nucleares de la máxima potencia ( 1000 Mw). 2. A qué distancia debería estar un cuasar para que pudiera ser observado como un segundo Sol desde la Tierra. ¿Produciría efectos sobre la vida en la Tierra? A 25 pc. Los chorros de gas y partículas energéticas podrían alcanzar el sistema solar y afectar por tanto la vida en la Tierra. 4. Por qué los cuasares reflejan las propiedades que tenía el universo cuando era mucho más joven que el actual. Porque son muy lejanos. La luz emitida por el cuasar tarda mucho tiempo en llegar a la Tierra. 5. A qué velocidad se aleja de nosotros un cuasar con un desplazamiento al rojo z = 3.5. A un 90% de la velocidad de la luz. 6. Cuáles serían los tamaños de la Tierra y la Luna si se transformaran en agujeros negros. Comparadlos con el del Sol y los existentes en el centro de los cuasares. Tierra: radio AN = 9 mm. Luna, radio AN = 0.1 mm. Sol, radio AN = 3 km 7. Por qué cuando los desplazamientos al rojo son cercanos o mayores que la unidad no debe aplicarse la formula Doppler clásica. file:///F|/antares/modulo7/m7_u3soluciones.html (1 de 2) [12/3/2000 19.25.03] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3 - 12 - Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Porque su velocidad de recesión es próxima a la luz. 8. Cómo podemos utilizar los cuasares para detectar la materia invisible del universo. Cuando la luz de los cuasares atraviesa materia situada entre ellos y el observador, aparecen características espectrales que muestran desplazamientos al rojo distintos del cuasar. 9. Citar las principales estructuras virtuales observadas en el universo. Arcos y cuasares dobles. Problemas 1. El brillo de una galaxia activa muestra cambios en una escala de tiempo de una semana. ¿Cuál es el tamaño de la región responsable de la radiación?. Si la galaxia tiene una la magnitud aparente de 18 y su distancia es de 2000 Mpc. ¿Cuál es su magnitud absoluta y luminosidad?. Se considera despreciable la extinción interestelar. Magnitud absoluta, M = -23.5; Luminosidad, L = 2x1011 L¤ 2. Un cuasar tiene un desplazamiento la rojo de z = 5. Considerando una constante de Hubble Ho = 75 km/s/Mpc, determinad su distancia. 3780 Mpc file:///F|/antares/modulo7/m7_u3soluciones.html (2 de 2) [12/3/2000 19.25.03] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 06- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - 3.6. Esquemas unificados Figura 7-3-9: Estructura de un cuasar. En la figura está representado el motor central de un cuasar. La posición del toroide central respecto a la dirección de observación explica las distintas variedades de cuasares. Las propiedades de las galaxias activas pueden ser bien interpretadas considerando un agujero negro inmerso en un disco de acreción, concéntricos con un toroide externo. De las tres estructuras, la única que puede ser observada indirectamente es la tercera, que además de gas y polvo puede contener estrellas. La posición del disco toroidal respecto a la dirección de observación es responsable de la apariencia del objeto y de algunas de sus propiedades más significativas, ya que puede apantallar parcialmente las estructuras centrales (figura 7-3-9) . Modificando la posición del toroide respecto a la dirección de observación pueden explicarse las distintas clases cuasares y concluir que no existen diferencias intrínsecas entre ellas sino que por el contrario, son variantes de un mismo fenómeno. Esta interpretación, que recibe el nombre de esquema unificado, permite explicar también las diferencias entre las galaxias Seyfert 1 y 2. file:///F|/antares/modulo7/m7_u306.html (1 de 2) [12/3/2000 19.25.03] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 06- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - file:///F|/antares/modulo7/m7_u306.html (2 de 2) [12/3/2000 19.25.03] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 07- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - 3.7. El bosque de Lyman alfa Figura 7-3-10: Detección de materia obscura en el universo. Cuando la luz del cuasar atraviesa en su camino concentraciones de materia más fría, queda grabado en su espectro información sobre la naturaleza del gas absorbente. file:///F|/antares/modulo7/m7_u307.html (1 de 3) [12/3/2000 19.25.04] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 07- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - Tres años después del descubrimiento de los cuasares fueron identificadas una líneas de absorción que por sus características, no pueden estar originadas por la propia estructura activa del cuasar. Cubren un amplio rango de desplazamientos al rojo, z (abs) que en todos los casos son iguales o menores que los correspondientes a las líneas de emisión, z ( em), del propio cuasar. Consideramos primeramente aquellas en las que z (abs) = z (em) y que pueden ser líneas estrechas o anchas. Las primeras son similares a las que aparecen típicamente en una galaxia normal y muestran que el cuasar reside en una galaxia ordinaria cuya imagen es muy difícil o imposible de observar a causa de la enorme luminosidad del cuasar. Las segundas son emitidas por la materia eyectada por el cuasar, cuyos movimientos internos determinan el ensanchamiento de las líneas. Cuando z (abs) es menor que z (em), las líneas están producidas en objetos situados entre el cuasar y el observador (Figura 7-3-10 ). En su camino hacia nosotros, la luz del cuasar puede atravesar materia más fría que deja su huella en forma de líneas de absorción. Los objetos interceptados pueden ser el halo o el disco de galaxias ordinarias y materia contenida en los cúmulos de galaxias, cuya luminosidad es tan débil que no pueden ser observadas directamente. También nubes de gas, en las que no existen estrellas ni procesos de formación estelar y que por tanto no emiten radiación. En estos casos la materia no ha sido enriquecida en elementos pesados por la nucleosíntesis estelar, por lo que su composición química sería muy cercana a la primordial. Figura 7-3-11: Bosque de Lyman. La línea más intensa, Lyman alfa, ha sido emitida por el cuasar. A la izquierda aparecen un grupo de líneas de Lyman alfa de absorción que han sido producidas por material interceptado por la luz del cuasar. Su separación permite medir las distancias a las que se encuentran estas nubes absorbentes, que son siempre más pequeñas que la distancia del cuasar. Estos objetos producen un sistema de líneas, denominado bosque de Lyman, que aparece en el lado azul de la línea de emisión Lyman α emitida por propio el cuasar ( Figura 7-3-11). Su estudio es una fuente de datos de gran interés y han sido objeto de numerosos trabajos de investigación. file:///F|/antares/modulo7/m7_u307.html (2 de 3) [12/3/2000 19.25.04] ANTARES - Módulo 7 - Unidad 3- 07- Programa de Nuevas tecnologías - MEC - file:///F|/antares/modulo7/m7_u307.html (3 de 3) [12/3/2000 19.25.04]
