Atingindo o impossível: A primeira fotografia de um buraco negro

Slides da palestra que ministrei no evento Convite à Física no IF USP, em 26 Abril de 2017, sobre as expectativas das primeiras observações do Event Horizon Telescope.

Transcript

1. Atingindo o impossível: A primeira fotografia de um buraco negro Crédito: NatGeo Rodrigo Nemmen IAG USP rodrigonemmen.com @nemmen 26 de Abril 2017 Convite à Física, IF USP
2. Gustavo Soares PhD Artur Vemado undergrad (IC) Henrique Gubolin Msc Fabio Cafardo PhD Raniere Menezes PhD Ivan Almeida Msc http://rodrigonemmen.com/group/ Rodrigo Nemmen Open positions for students and postdocs: Join our team! Roberta Pereira undergrad (IC)
3. Buracos negros
4. NASA/Hubble Galáxia do redemoinho
5. Cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/ UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA
6. Gillon et al. Nature 2017 Sistema planetário TRAPPIST-1
9. Uma vez dentro, nada escapa Velocidade de escape é maior que a velocidade da luz Horizonte de eventos: Região sem volta, não emite nem reflete luz, só absorve Singularidade central vesc = r 2GM R c R S = 2GM c2
10. Disco de acreção Horizonte de eventos Jato relativístico Singularidade Esfera de fótons Menor órbita circular estável ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser
11. Credit: ESO Buraco negro supermassivo rodeado de um disco de acreção no centro de uma galáxia
12. Credit: ESO Buraco negro supermassivo rodeado de um disco de acreção no centro de uma galáxia
13. Galáxia M87, Hubble/NASA 3000 anos-luz
14. Galáxia M87, Hubble/NASA 3000 anos-luz
15. Event Horizon Telescope Objetivo: imagear os horizontes de eventos dos buracos negros
16. Event Horizon Telescope: grandes questões científicas a serem atacadas 1. Horizontes de eventos realmente existem? 2. Relatividade geral é a teoria correta tão perto de um buraco negro? (gravidade extrema) 3. Como os buracos negros são alimentados e como o material é ejetado? Impacto: Física, astrofísica e cosmologia
19. Sistema Solar Sagitário A* Massa = 4×106 MSun
20. Jornada a Sagitário A*: o buraco negro supermassivo no centro da Nossa Galáxia
21. Jornada a Sagitário A*: o buraco negro supermassivo no centro da Nossa Galáxia
22. Sagitário A*, diâmetro horizonte eventos = 24 milhões km
23. Sagitário A*, diâmetro horizonte eventos = 24 milhões km
25. ✓ = 2.5 ⇥ 105 ✓ d ◆ arcsec resolução angular comprimento de onda diâmetro obs. Critério de Rayleigh
26. Precisamos de um telescópio do tamanho do planeta para resolver o horizonte de eventos de Sgr A* ✓ = 2.5 ⇥ 105 ✓ d ◆ arcsec resolução angular comprimento de onda diâmetro obs. Critério de Rayleigh
27. Precisamos de um telescópio do tamanho do planeta para resolver o horizonte de eventos de Sgr A* ✓ = 2.5 ⇥ 105 ✓ d ◆ arcsec resolução angular comprimento de onda diâmetro obs. Critério de Rayleigh
28. PI: S. Doeleman (MIT/Haystack) idéia original: H. Falcke (Radboud)
29. PI: S. Doeleman (MIT/Haystack) idéia original: H. Falcke (Radboud)
30. Very long baseline interferometry (VLBI) Resolução angular = 15 μas (6000x Hubble) PI: S. Doeleman (MIT/Haystack) idéia original: H. Falcke (Radboud)
31. Very long baseline interferometry (VLBI) Resolução angular = 15 μas (6000x Hubble) PI: S. Doeleman (MIT/Haystack) idéia original: H. Falcke (Radboud)
34. ALMA Observatory (Chile)
35. ALMA Observatory (Chile)
37. Observações entre 5-14 Abr. 2017
38. Observações entre 5-14 Abr. 2017 50 Gigabytes/segundo de observação
39. Observações entre 5-14 Abr. 2017 50 Gigabytes/segundo de observação ~2 Petabytes/noite
40. Observações entre 5-14 Abr. 2017 50 Gigabytes/segundo de observação ~2 Petabytes/noite 5 noites: >10 Petabytes
41. Observações entre 5-14 Abr. 2017 50 Gigabytes/segundo de observação ~2 Petabytes/noite 5 noites: >10 Petabytes 1024 HDs
45. Dados do Pólo Sul: só depois do inverno (Out/2017)
48. Alvos observados em Abril 2017 Sagitário A* Sistema Solar Galáxia M87 Via Láctea d = 26000 anos-luz d = 55 milhões anos-luz M = 4×106 MSol M = 6×109 MSol
49. Preparação para a primeira imagem
50. “Previsão do tempo para buracos negros” Laboratório virtual de astrofísica relativística numérica Gravidade: relatividade geral (métrica de Kerr) Gás (plasma) Campos eletromagnéticos
51. “Previsão do tempo para buracos negros” Laboratório virtual de astrofísica relativística numérica Gravidade: relatividade geral (métrica de Kerr) Gás (plasma) Campos eletromagnéticos F = GMm r2
52. “Previsão do tempo para buracos negros” Laboratório virtual de astrofísica relativística numérica Gravidade: relatividade geral (métrica de Kerr) Gás (plasma) Campos eletromagnéticos F = GMm r2
53. “Previsão do tempo para buracos negros” Laboratório virtual de astrofísica relativística numérica Gravidade: relatividade geral (métrica de Kerr) Gás (plasma) Campos eletromagnéticos
54. tecnicalidades (
55. Equations of Newtonian hydrodynamics Plus: equation of state viscosity D⇢ Dt + ⇢r · v = 0 ⇢ Dv Dt = rp ⇢r + r · T ⇢ D(e/⇢) Dt = pr · v + T2/µ Conservation of Mass Momentum Energy D⇢ Dt ⇢ Dv Dt = rp ⇢ D(e/⇢) Dt = pr · v + T2/µ r D⇢ Dt + ⇢r · v = 0 ⇢ Dv Dt = rp ⇢r + r · T D(e/⇢) Dt = pr · v + T2/µ r · Frad r · q
56. Equations of general relativistic magnetohydrodynamics Plus: equation of state ideal MHD condition Kerr metric Conservation of Particle number Energy-momentum r⌫(⇢u⌫) = 0 r⌫Tµ⌫ = 0 r⌫ ⇤ Fµ⌫ = 0 r⌫Fµ⌫ = Jµ Maxwell equations r⌫ ⇤ Fµ⌫ = 0 r⌫Fµ⌫ = Jµ Fµ⌫u⌫ = 0 ds 2 = ↵ 2 dt 2 + ij( dx i + p = ( 1)⇢✏ ;l s the stress energy tensor. In a coordinate basis, ffiffiffiffiffiffiffi Àg p Tt  Á ¼ À@i ffiffiffiffiffiffiffi Àg p Ti  À Á þ ffiffiffiffiffiffiffi Àg p T  À ; ð4Þ notes a spatial index and À  is the connection. rgy momentum equations have been written with dex down for a reason. Symmetries of the metric conserved currents. In the Kerr metric, for exam- xisymmetry and stationary nature of the metric o conserved angular momentum and energy cur- eneral, for metrics with an ignorable coordinate rce terms on the right-hand side of the evolution or Tt l vanish. These source terms do not vanish quation is written with both indices up. ss energy tensor for a system containing only a id and an electromagnetic field is the sum of a Tl fluid ¼ ð þ u þ pÞulu þ pgl ð5Þ The rest of M and are not n MHD. Maxwell’s by taking the Here FÃ l ¼ 1 2 tensor (MTW which can be The comp blul ¼ 0. Fol where i denotes a spatial index and À  is the The energy momentum equations have bee the free index down for a reason. Symmetrie give rise to conserved currents. In the Kerr me ple, the axisymmetry and stationary nature give rise to conserved angular momentum a rents. In general, for metrics with an ignora xl the source terms on the right-hand side o equation for Tt l vanish. These source terms when the equation is written with both indices The stress energy tensor for a system con perfect fluid and an electromagnetic field is fluid part, Tl fluid ¼ ð þ u þ pÞulu þ pgl (here u  internal energy and p  press electromagnetic part, Tl EM ¼ Fl F À 1 4 glF F :
57. tecnicalidades )
58. Moscibrodzka “Previsão do tempo” ao redor de um buraco negro
59. Moscibrodzka “Previsão do tempo” ao redor de um buraco negro
60. Moscibrodzka “Previsão do tempo” ao redor de um buraco negro
61. O que se espera observar?
62. Usando o poder das GPUs para renderizar imagens simuladas de buracos negros
63. Usando o poder das GPUs para renderizar imagens simuladas de buracos negros
64. Chan et al. 2015 ApJ Imagem simulada (GPU) do gás ao redor de um buraco negro (rádio, infravermelho, raios X)
65. Chan et al. 2015 ApJ Imagem simulada (GPU) do gás ao redor de um buraco negro (rádio, infravermelho, raios X)
66. Moscibrodzka
67. Moscibrodzka
68. Ray tracing na relatividade geral: caminho dos raios de luz alterado no espaço curvo Eq. da geodésica
69. Eq. da geodésica Ray tracing na relatividade geral: caminho dos raios de luz alterado no espaço curvo
70. Eq. da geodésica lente gravitacional Ray tracing na relatividade geral: caminho dos raios de luz alterado no espaço curvo
71. Na direção da Terra Direção oposta à da Terra Aberração óptica: efeito de relatividade restrita v ≈ c
72. Luz na direção da Terra aparece mais brilhante Luz na direção oposta aparece mais fraca Aberração óptica: efeito de relatividade restrita
73. Moscibrodzka
74. Moscibrodzka
75. Falcke et al. 2000; Broderick et al. 2014 Expectativa da primeira imagem de um buraco negro: Silhueta do horizonte de eventos
76. O que vamos aprender com as observações?
77. Estimativa da massa, spin e orientação Entender escoamento de gás ao redor de BNs Como jatos relativísticos são produzidos? Testes da teoria da relatividade geral Horizontes de eventos realmente existem? Validade métrica de Kerr O que a silhueta de um buraco negro vai nos revelar?
78. Comparando imagens de Sgr A* com simulações: orientação e spin Simulation 1 Nonrotating black hole viewed from 30 degrees above accretion disk plane Simulation 2 Nonrotating black hole viewed from 10 degrees above accretion disk plane Simulation 3 Rapidly spinning black hole viewed from 10 degrees above accretion disk plane 48 SCIENTIFIC AMERICAN 55 microarcseconds Broderick & Loeb 2009 accretion disk plane Simulation 1 Nonrotating BH, orientation 10° Simulation 2 Kerr BH, orientation 10° accretion disk event horizon
79. Como os buracos negros ejetam matéria? (jatos relativísticos)
80. Como os buracos negros ejetam matéria? (jatos relativísticos)
81. Chan et al. 2015 ApJ 150 100 50 0 -50 -100 -150 Relative right ascension (µas) 150 100 -50 a=0.7 SANE, const T e,funnel 150 100 50 0 -50 -100 -150 Relative right ascension (µas) -150 -100 -50 Relative 150 100 50 0 -50 -100 -150 Relative right ascension (µas) 150 100 -50 0 50 100 150 a=0.9 SANE, const T e,funnel 150 100 50 0 -50 -100 -150 Relative right ascension (µas) -150 -100 -50 0 50 100 150 Relative declination (µas) ∆PA=140°, FWHM=42.98µas 100 150 100 150 s) ∆PA=0°, FWHM=40.88µas 150 100 50 0 -50 -100 -150 Relative right ascension (µas) -150 -100 -50 Relative a=0.9 SANE, const T e,funnel 150 -150 -100 -50 Relative 150 100 50 0 -50 -100 -150 Relative right ascension (µas) -150 -100 -50 0 50 100 150 Relative declination (µas) a=0.0 MAD, const θ e,funnel 150 -150 -100 -50 0 50 100 150 Relative declination (µas) 100 150 s) 100 150 s) Produção dos jatos e escoamento perto do horizonte de eventos Dominado por jato, B forte Dominado por disco, B fraco
82. Testes da relatividade geral: Validade da métrica de Kerr Métrica de Kerr prevê horizonte circular
83. Horizonte prolato Horizonte oblato Supraspinning Testes da relatividade geral: Validade da métrica de Kerr Broderick et al. 2014; Bambi & Freese 2009 Métrica de Kerr prevê horizonte circular
84. Figure 5. GRMHD simulation [114] of th BH in Sgr A* blurred according to the reconstructed image from simulated sub accretion flow [4]. The small white ellips case (face-on), the shadow is easily visible range 200:1 is needed to reveal the fain 4.3. The role of astrophysical models Rede mundial de rádio telescópios → Observatório do tamanho do planeta Objetivo primário: imagear silhueta do buraco negro como prevista pela relatividade geral Alvos primários: centro da Via Láctea (Sgr A*) e M87 Testes inéditos da relatividade geral: sombra circular Aprender: acreção de gás a buracos negros, produção dos jatos relativísticos Primeiros resultados no início de 2018 Event Horizon Telescope Rodrigo Nemmen IAG USP
86. Relative right ascension 50 0 50 00 013) 244003 H The first picture of a black hole E v e n t H o r i z o n Telescope attains the impossible BURACO NEGRO NO CENTRO DE M87 FAZ DENÚNCIAS GRAVES CONTRA O PT 2017 EXCLUSIVO
87. Nova disciplina de graduação no IAG 2018 Relatividade geral e aplicações astrofísicas
88. Github Twitter Web E-mail Bitbucket Facebook Blog figshare rodrigo.nemmen@iag.usp.br http://rodrigonemmen.com @nemmen rsnemmen http://facebook.com/rodrigonemmen nemmen http://astropython.blogspot.com http://bit.ly/2fax2cT