27.E: Galáxias ativas, quasares e buracos negros supermassivos (exercícios)

Para uma exploração mais aprofundada

Artigos

Bartusiak, M. “Uma fera no núcleo”. Astronomia (julho de 1998): 42. Em buracos negros supermassivos no centro das galáxias.

Disney, M. “Um novo olhar sobre os quasares”. Scientific American (junho de 1998): 52.

Djorgovski, S. “Incêndios na aurora cósmica”. Astronomia (setembro de 1995): 36. Sobre quasares e o que podemos aprender com eles.

Ford, H. e Tsvetanov, Z. “Buracos negros massivos no coração das galáxias”. Sky & Telescope (junho de 1996): 28. Boa visão geral.

Irion, R. “Um quasar em cada galáxia?” Sky & Telescope (julho de 2006): 40. Discute como buracos negros supermassivos que alimentam os centros das galáxias podem ser mais comuns do que se pensava.

Kormendy, J. “Por que existem tantos buracos negros?” Astronomia (agosto de 2016): 26. Discussão sobre por que buracos negros supermassivos são tão comuns no universo.

Kruesi, L. “Segredos dos objetos mais brilhantes do universo”. Astronomia (julho de 2013): 24. Análise de nossa compreensão atual dos quasares e como eles nos ajudam a aprender sobre buracos negros.

Miller, M., et al. “Buracos negros supermassivos: moldando seus arredores”. Sky & Telescope (abril de 2005): 42. Jatos de discos de buracos negros.

Nadis, S. “Explorando a Conexão Galáxia-Buraco Negro”. Astronomia (maio de 2010): 28. Visão geral.

Nadis, S. “Aqui, ali e em todo lugar”. Astronomia (fevereiro de 2001): 34. No Hubble, observações que mostram o quão comuns são os buracos negros supermassivos nas galáxias.

Nadis, S. “Olhando para dentro de uma galáxia de monstros”. Astronomia (maio de 2014): 24. O que as observações de raios-X nos dizem sobre o mecanismo que alimenta a galáxia ativa M87.

Olson, S. “Caçadores de buracos negros”. Astronomia (maio de 1999): 48. Traça o perfil de quatro astrônomos que procuram buracos negros “famintos” nos centros de galáxias ativas.

Peterson, B. “Resolvendo o quebra-cabeça do Quasar”. Sky & Telescope (setembro de 2013): 24. Um artigo de revisão sobre como descobrimos que os buracos negros eram a fonte de energia para os quasares e como os vemos hoje.

Tucker, W., et al. “Buraco Negro Blowback”. Scientific American (março de 2007): 42. Como buracos negros supermassivos criam bolhas gigantes no meio intergaláctico.

Voit, G. “A ascensão e queda dos quasares”. Sky & Telescope (maio de 1999): 40. Boa visão geral de como os quasares se encaixam na história cósmica.

Wanjek, C. “Como os buracos negros ajudaram a construir o universo”. Sky & Telescope (janeiro de 2007): 42. Sobre a energia e a saída dos discos ao redor de buracos negros supermassivos; boa introdução.

Websites

Monstros em núcleos galácticos: http://chandra.as.utexas.edu/stardate.html. Um artigo sobre buracos negros supermassivos de John Kormendy, da revista StarDate.

Astronomia quasar quarenta anos depois: http://www.astr.ua.edu/keel/agn/quasar40.html. Um artigo popular de 2003 de William Keel.

Quasares e núcleos galácticos ativos: www.astr.ua.edu/keel/agn/. Uma galeria anotada de imagens mostrando a ampla gama de atividades nas galáxias. Há também uma introdução, um glossário e informações básicas. Também de William Keel.

Quasares: “A Luz Fantástica”: http://hubblesite.org/newscenter/arc...35/background/. Este breve “histórico” do escritório de informações públicas do HubbleSite conta um pouco da história da descoberta e compreensão dos quasares.

Vídeos

Galáxias ativas: https://www.youtube.com/watch?v=Y_HgsFmwCeg. Parte da série Astronomy: Observations and Theories; introdução de meia hora aos quasares e objetos relacionados (27:28).

Caos dos buracos negros: os ambientes dos buracos negros mais supermassivos do universo: https://www.youtube.com/watch?v=hzSgU-3d8QY. Palestra de maio de 2013 da Dra. Belinda Wilkes e da Dra. Francesca Civano do Centro de Astrofísica na Série de Palestras Noites do Observatório CfA (50:14).

Hubble e buracos negros: http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast43a/. Hubblecast em buracos negros e núcleos galácticos ativos (9:10).

Buracos negros monstruosos: https://www.youtube.com/watch?v=LN9oYjNKBm8. Palestra de maio de 2013 do professor Chung-Pei Ma, da Universidade da Califórnia, Berkeley; parte da Série de Palestras de Astronomia do Vale do Silício (1:18:03).

Atividades colaborativas em grupo

1. Quando os quasares foram descobertos pela primeira vez e a fonte de sua grande energia era desconhecida, alguns astrônomos procuraram evidências de que os quasares estão muito mais próximos de nós do que seus desvios para o vermelho indicam. (Dessa forma, eles não precisariam produzir tanta energia para parecerem tão brilhantes quanto parecem.) Uma maneira era encontrar um “par incompatível” - um quasar e uma galáxia com diferentes desvios para o vermelho que estão quase na mesma direção no céu. Suponha que você encontre uma e apenas uma galáxia com um quasar muito próximo, e o desvio para o vermelho do quasar seja seis vezes maior que o da galáxia. Peça ao seu grupo que discuta se você poderia então concluir que os dois objetos estão à mesma distância e que o desvio para o vermelho não é um indicador confiável da distância. Por quê? Suponha que você tenha encontrado três desses pares, cada um com diferentes redshifts incompatíveis? Suponha que cada galáxia tenha um quasar próximo com um desvio para o vermelho diferente. Como sua resposta mudaria e por quê?
2. Grandes telescópios terrestres normalmente podem conceder tempo a apenas um em cada quatro astrônomos que solicitam o tempo de observação. Um astrônomo proeminente tentou por vários anos estabelecer que os desvios para o vermelho dos quasares não indicam suas distâncias. No início, ele passou a usar o maior telescópio do mundo, mas acabou ficando mais claro que os quasares eram apenas os centros das galáxias ativas e que seus desvios para o vermelho realmente indicavam a distância. Nesse ponto, ele foi negado o tempo de observação pelo comitê de astrônomos que revisou tais propostas. Suponha que seu grupo tenha sido o comitê. Que decisão você teria tomado? Por quê? (Em geral, quais critérios os astrônomos devem ter para permitir que astrônomos cujas opiniões discordam completamente da opinião predominante possam prosseguir suas pesquisas?)
3. Com base nas informações deste capítulo e em Buracos Negros e Espaço-Tempo Curvo, peça ao seu grupo que discuta como seria próximo ao horizonte de eventos de um buraco negro supermassivo em um quasar ou galáxia ativa. Faça uma lista de todos os motivos pelos quais uma viagem a essa região não seria boa para sua saúde. Seja específico.
4. Antes de entendermos que a energia dos quasares vem de buracos negros supermassivos, os astrônomos ficaram perplexos com a forma como regiões tão pequenas poderiam emitir tanta energia. Uma variedade de modelos foi sugerida, alguns envolvendo nova física ou ideias bem “distantes” da física atual. Seu grupo pode apresentar algumas áreas da astronomia que você estudou neste curso nas quais ainda não temos uma explicação para algo acontecendo no cosmos?

Perguntas de revisão

1. Descreva algumas diferenças entre quasares e galáxias normais.
2. Descreva os argumentos que sustentam a ideia de que os quasares estão nas distâncias indicadas por seus desvios para o vermelho.
3. De que forma as galáxias ativas são como os quasares, mas diferentes das galáxias normais?
4. Por que a concentração de matéria no centro de uma galáxia ativa como a M87 não poderia ser feita de estrelas?
5. Descreva o processo pelo qual a ação de um buraco negro pode explicar a energia irradiada pelos quasares.
6. Descreva as observações que convenceram os astrônomos de que a M87 é uma galáxia ativa.
7. Por que os astrônomos acreditam que os quasares representam um estágio inicial na evolução das galáxias?
8. Por que os quasares e as galáxias ativas não foram inicialmente reconhecidos como “especiais” de alguma forma?
9. O que entendemos agora ser a principal diferença entre galáxias normais e galáxias ativas?
10. Qual é a estrutura típica que observamos em um quasar em radiofrequências?
11. Que evidências temos de que a região central luminosa de um quasar é pequena e compacta?

Perguntas de reflexão

1. Suponha que você observe um objeto parecido com uma estrela no céu. Como você pode determinar se é realmente uma estrela ou um quasar?
2. Por que nenhum dos métodos para estabelecer distâncias de galáxias, descrito em Galáxias (além da própria lei de Hubble), funciona para quasares?
3. Uma das primeiras hipóteses para explicar os altos desvios para o vermelho dos quasares era que esses objetos haviam sido ejetados em velocidades muito altas de outras galáxias. Essa ideia foi rejeitada porque nenhum quasar com grandes desvios azuis foi encontrado. Explique por que esperaríamos ver quasares com linhas desviadas para o azul e para o vermelho se fossem ejetados de galáxias próximas.
4. Um amigo seu que assistiu a muitos episódios e filmes de Star Trek diz: “Eu pensei que os buracos negros puxaram tudo para eles. Por que então os astrônomos pensam que os buracos negros podem explicar o grande derramamento de energia dos quasares?” Como você responderia?
5. A Via Láctea poderia se tornar uma galáxia ativa? É provável que alguma vez seja tão luminoso quanto um quasar?
6. Por que os quasares geralmente são muito mais luminosos (por que eles liberam muito mais energia) do que as galáxias ativas?
7. Suponha que detectemos uma fonte de rádio poderosa com um radiotelescópio. Como poderíamos determinar se esse era ou não um quasar recém-descoberto e não uma transmissão de rádio próxima?
8. Uma amiga tenta convencê-lo de que ela pode ver facilmente um quasar no telescópio de seu quintal. Você acreditaria na afirmação dela?

Descobrindo por si mesmo

1. Mostre que não importa o tamanho do redshift (\(z\)) que medimos, nunca\(v/c\) será maior do que 1. (Em outras palavras, nenhuma galáxia que observamos pode se afastar mais rápido do que a velocidade da luz.)
2. Se um quasar tem um desvio para o vermelho de 3,3, em que fração da velocidade da luz ele está se afastando de nós?
3. Se um quasar está se afastando de nós em\(v/c\) = 0,8, qual é o desvio para o vermelho medido?
4. No capítulo, discutimos que os maiores redshifts encontrados até agora são maiores que 6. Suponha que encontremos um quasar com um desvio para o vermelho de 6.1. Com que fração da velocidade da luz ela está se afastando de nós?
5. A rápida variabilidade nos quasares indica que a região na qual a energia é gerada deve ser pequena. Você pode mostrar por que isso é verdade. Suponha, por exemplo, que a região na qual a energia é gerada seja uma esfera transparente com 1 ano-luz de diâmetro. Suponha que em 1 s essa região se ilumine por um fator de 10 e permaneça brilhante por dois anos, após os quais ela retorne à sua luminosidade original. Desenhe sua curva de luz (um gráfico de seu brilho ao longo do tempo) vista da Terra.
6. Grandes desvios para o vermelho movem as posições das linhas espectrais para comprimentos de onda maiores e alteram o que pode ser observado do solo. Por exemplo, suponha que um quasar tenha um desvio para o vermelho de\(\frac{\Delta \lambda}{\lambda} = 4.1\). Em que comprimento de onda você faria observações para detectar sua linha Lyman de hidrogênio, que tem um comprimento de onda de laboratório ou de repouso de 121,6 nm? Essa linha seria observável com um telescópio terrestre em um quasar com zero desvio para o vermelho? Seria observável do solo em um quasar com um desvio para o vermelho de\(\frac{\Delta \lambda}{\lambda} = 4.1\)?
7. Mais uma vez neste capítulo, vemos o uso da terceira lei de Kepler para estimar a massa de buracos negros supermassivos. No caso da NGC 4261, este capítulo forneceu o resultado do cálculo da massa do buraco negro na NGC 4261. Para obter essa resposta, os astrônomos tiveram que medir a velocidade das partículas no anel de poeira e gás que circunda o buraco negro. Quão altas eram essas velocidades? Inverta a terceira lei de Kepler e use as informações fornecidas neste capítulo sobre a galáxia NGC 4261 — a massa do buraco negro em seu centro e o diâmetro do anel circundante de poeira e gás — para calcular quanto tempo uma partícula de poeira no anel levaria para completar uma única órbita ao redor do buraco negro. Suponha que a única força atuando sobre a partícula de poeira seja a força gravitacional exercida pelo buraco negro. Calcule a velocidade da partícula de poeira em km/s.
8. Na seção Verifique seu aprendizado do Exemplo 27.1.1 da Seção 27.1, você foi informado de que várias linhas de absorção de hidrogênio no espectro visível têm comprimentos de onda restantes de 410 nm, 434 nm, 486 nm e 656 nm. Em um espectro de uma galáxia distante, observa-se que essas mesmas linhas têm comprimentos de onda de 492 nm, 521 nm, 583 nm e 787 nm, respectivamente. O exemplo demonstrou que z = 0,20 para a linha de 410 nm. Mostre que você obterá o mesmo desvio para o vermelho, independentemente da linha de absorção que você medir.
9. Na seção Verifique seu aprendizado do Exemplo 27.1.1 da Seção 27.1, o autor comentou que\(z = 0.2\), mesmo em, já existe um desvio de 11% entre a solução relativista e a clássica. Qual é a diferença percentual entre os resultados clássicos e relativísticos em\(z = 0.1\)? Para que serve\(z = 0.5\)? Para que serve\(z = 1\)?
10. O quasar que parece mais brilhante em nosso céu, 3C 273, está localizado a uma distância de 2,4 bilhões de anos-luz. O Sol teria que ser visto a uma distância de 1300 anos-luz para ter a mesma magnitude aparente de 3C 273. Usando a lei do quadrado inverso para a luz, estime a luminosidade de 3C 273 em unidades solares.