Nuclei Galattici Attivi e Buchi Neri Lezione 15
Buchi neri nei nuclei galattici Nell ipotesi che gli AGN siano alimentati da accrescimento di massa su un buco nero l attività AGN deva lasciare un resto fossile nel nucleo della galassia anche dopo che l AGN è spento (ovvero non riceve più gas). Gli AGN nel passato erano molto più numerosi di adesso; i quasar a z~2-3 erano 100-1000 volte più numerosi ( ultima lezione). Combinando questi fatti si deduce che almeno i nuclei delle galassie delle galassie più luminose (e più vecchie) vicine devono ospitare dei buchi neri molto massicci!. 2
Metodi diretti per misurare MBH Moto di singole particelle test Moti propri delle stelle e velocità radiali Via Lattea Velocità radiali di nubi di gas (emissione dei maser) NGC 4258 Moto d insieme Dinamica stellare (V, σ dalle righe di assorbimento stellari) Cinematica del gas (V, σ dalle righe di emissione del gas) 3
MBH dai maser H20 Osservazioni radio VLBI (Very Large Baseline Interferometer) di righe maser H20 (λ=1.35 cm) nella galassia NGC 4258 hanno raggiunto risoluzione spaziale Δθ ~ 0.6 0.3 mas = 0.02 0.01 pc (D=7.2 Mpc). Le nubi di gas che emettono il maser sono disposte in un disco visto di taglio e dalle velocità osservate si ottiene MBH = 4 10 7 M. Da misure ripetute è possibile determinare l accelerazione dei maser e quindi la distanza della galassia come nel caso del centro Galattico. V(r) ~ (GMBH/r) 0.5 4
MBH dai maser H20 Altri esempi: NGC 1068 e Circinus NGC 1068: M BH ~ 10 7 M ma rotazione più piatta di r -0.5... Circinus: M BH =(1.7±0.3) 10 6 M 5
Importanza della risoluzione spaziale In realtà la Via Lattea e NGC 1068 sono casi eccezionali da manuale. I moti propri delle stelle si possono misurare solo nella Via Lattea. Non sono stati trovati altri dischi maser che si comportino bene come NGC 4258 (Circinus e NGC 1068 hanno dei problemi...). Dobbiamo accontentarci di studiare i moti d insieme del gas e delle stelle. L elemento fondamentale è la risoluzione spaziale che determina il volume minimo che possiamo considerare. Del resto per la Via Lattea e NGC 4258 sono state ottenute risoluzioni spaziali eccezionali. 6
Sfera di influenza del BH Il raggio della sfera di influenza del BH ovvero il raggio entro il quale il BH domina il potenziale gravitazionale si può scrivere come: r BH = G M BH σ 2 = 10.7 pc ( MBH 10 8 M ) ( ) 2 σ 200 km/s Una galassia a distanza D, rbh corrisponderà ad una dimensione angolare di: ( ) ( ) 2 ( ) 1 θ BH = 0.11 MBH σ D 10 8 M 200 km/s 20 Mpc molto piccola tenuto conto che è la risoluzione di HST (Hubble Space Telescope) e che osservazioni seeing-limited da Terra possono eccezionalmente arrivare a ~0.5. 7
Analisi delle osservazioni Osservazioni: V(r), σ(r) da gas o stelle V(r), σ(r) modello MBH, M/L Effetti strumentali (risoluzione spaziale finita, media sui pixel ) Osservazioni: profilo di brillanza della galassia Potenziale gravitazionale: MBH, M/L delle stelle Modello dinamico (gas o stelle) 8
Dinamica del gas Assunzioni: il gas è collocato in un disco sottile in rotazione circolare attorno al nucleo; si trascurano effetti idrodinamici (pressione ecc.) ovvero il disco è fatto di nubi isolate ; il moto è puramente gravitazionale (non ci sono onde d urto ecc.). Velocità lungo la linea di vista ( effetto Doppler): solo proiezione geometrica. V BH r P 9
Dinamica del gas Assunzioni: il gas è collocato in un disco sottile in rotazione circolare attorno al nucleo; si trascurano effetti idrodinamici (pressione ecc.) ovvero il disco è fatto di nubi isolate ; il moto è puramente gravitazionale (non ci sono onde d urto ecc.). Velocità lungo la linea di vista: proiezione geometrica + risoluzione spaziale + larghezza fenditura V BH r P Effetti strumentali nascondono le alte velocità che sono l impronta del BH! 10
La massa del BH in M87 M87 è una galassia ellittica gigante con una sorgente radio molto potente. Da misure HST si ottiene che punti diametralmente opposti del disco di gas hanno una differenza di velocità Δv = 2Vr ~ 1000 km/s La distanza tra i due punti è d = 2r ~ 0.6 = 44 pc alla distanza di M87 (D = 15 Mpc 1 = 73 pc). Δv ~ 1000 km/s d ~0.6 Quindi M BH = rv r 2 G = ( 1 2 44 pc) ( 1 2 1000 km/s) 2 6.67258 10 11 N m kg 2 1.3 109 M 11
La massa del BH in M87 ( II ) MBH ~ 3 10 9 M 12
Relazione MBH - σ La massa del BH è ben correlata con la dispersione di velocità delle stelle nello sferoide (tutta la galassia se ellittica, bulge se spirale): MBH ~ σ 4 la dispersione intrinseca è un fattore ~2 in MBH per σ fissata. 13
Relazione MBH - L La massa del BH è ben correlata con la luminosità dello sferoide : MBH ~ L 1.1 la dispersione intrinseca è un fattore ~2 in MBH per L fissata. 14
Relazione MBH - Msph La massa del BH è ben correlata con la massa dello sferoide (viriale o dinamica): MBH 0.001 Msph la dispersione intrinseca è un fattore ~2 in MBH per Msph fissata. 15
Sono tutte indipendenti? Abbiamo trovato varie relazioni tra MBH e proprietà della galassia ospite MBH ~ Lsph 1.1 MBH ~ Msph MBH ~ σ 4 Sono indipendenti? Supponiamo che la correlazione fondamentale sia: MBH ~ Msph (BH grandi in galassie grandi!) Combiniamola con le relazioni di scala delle galassie: MBH~Msph e (M/L)sph~Lsph 0.2 (piano fondamentale) dà MBH~Lsph 1.2 L~σ 4 (Faber-Jackson) implica MBH~(σ 4 ) 1.1 ~ σ 4.4 Tutto è consistente col fatto che la massa del BH è legata alla massa dello sferoide e le altre correlazioni sono la conseguenza di MBH-Msph e del piano fondamentale. Queste relazioni indicano uno stretto legame tra la crescita del BH e l evoluzione della galassia. A cosa è dovuto? 16
Problemi? La maggior parte delle misure di MBH: risolvono appena RBH; sono tra 10 7-10 9 Mo; sono in galassie Early Type. Non tutte le misure sono ugualmente affidabili. Possiamo escludere che ci siano grandi BH in galassie piccole... ma non possiamo escludere che ci siano piccoli BH in galassie grandi. Il metodo per misurare MBH e le relazioni MBH-galassia sono valide solo a z=0. 17
Problemi? Pochi punti agli estremi delle correlazioni. Non è possibile rivelare BH piccoli in sferoidi grandi. Quello della Via Lattea è l unico BH DOCG. Il BH della Via Lattea è l UNICO che non ha una alternativa fisica plausibile; per gli altri è possibile si tratti di ammassi di oggetti oscuri (p.e. stelle di neutroni, BH stellari, ecc.). Difficile trovare oggetti qui! 18