Die kosmische Geschichte der Schwarzen Löcher
Die kosmische Geschichte der Schwarzen Löcher
Die kosmische Geschichte der Schwarzen Löcher
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
<strong>Die</strong> <strong>kosmische</strong> <strong>Geschichte</strong><br />
<strong>der</strong> <strong>Schwarzen</strong> <strong>Löcher</strong><br />
Günther Hasinger<br />
MPE Garching, IPP Garching & TUM<br />
Karl-Schwarzschild-Vortrag, Physikalischer Verein<br />
Festveranstaltung zum Beginn des 185. Vereinsjahres<br />
29. Oktober 2008, Frankfurt
Kapitel 1: Was sind<br />
Schwarze <strong>Löcher</strong> und wie<br />
entstehen sie?
Schwarzschild Raum-Zeit-Metrik<br />
Schwarzschild-Radius:<br />
r S = 2 GM/c 2<br />
Erde: 1 cm<br />
Sonne: 3 km<br />
Gal. Zentrum: Merkur-Orbit<br />
Karl Schwarzschild (1917†) Albert Einstein (1955†)
Planck-Einheiten<br />
Fundamentale Verbindung zwischen Quantenmechanik und<br />
Relativitätstheorie:<br />
• Planck Länge<br />
L P = (hG/2πc 3 ) 1/2 = 1.6·10 -35 m<br />
• Planck Zeit<br />
t P = (hG/2πc 5 ) 1/2 = 5.4·10 -44 s<br />
• Planck Masse m P = (ch/2πG) 1/2 = 22 µG<br />
• Planck Energie<br />
E P = (c 5 h/2πG) 1/2 = 1.2 ·10 19 GeV<br />
• Planck Temperatur T P = 1.4·10 32 K<br />
Ein Teilchen <strong>der</strong> Planck-Länge und –Größe ist auch ein<br />
Schwarzes Loch (Singularität sowohl die quantenmechanische<br />
Beschreibung, als auch die Relativitätstheorie<br />
gelten jenseits <strong>der</strong> Planck-Skala nicht mehr.<br />
<strong>Die</strong> Planck-Skala gibt die Einheiten des frühen Universums!<br />
Dafür benötigen wir eine Quanten-Gravitationstheorie
M / M Proton<br />
10 57<br />
10 38<br />
10 19<br />
Gesamtes sichtbares Universum<br />
• LHC ??<br />
• Planck Loch<br />
Galactisches SL<br />
Stellares SL<br />
•<br />
••<br />
•<br />
WD<br />
•<br />
Erde<br />
• Mensch<br />
Sonne<br />
•<br />
M Chandra<br />
M Planck<br />
Masse<br />
gegen<br />
Radius<br />
<strong>kosmische</strong>r<br />
Objekte<br />
10 76 r / r Proton<br />
1<br />
•<br />
Proton<br />
10 -19 1 10 19
Leben und Sterben von Sternen
Gammastrahlen-Ausbrüche:<br />
Entstehung stellarer Schwarzer <strong>Löcher</strong><br />
Animation: NASA<br />
Hypernova-Ereignisse erzeugen (manchmal?)<br />
Gammastrahlen-Ausbrüche und hinterlassen<br />
Schwarze <strong>Löcher</strong>
GROND am ESO/MPI<br />
2.2m-Teleskop La Silla, Chile
GROND<br />
First Light
Der GRB Entfernungs-Rekord: z~6.7<br />
J H K<br />
g<br />
r<br />
i<br />
z<br />
Swift Burst<br />
GRB080913<br />
(Greiner et al., 2008)<br />
GRB Rotverschiebungen sind jetzt vergleichbar mit <strong>der</strong> von<br />
Galaxien und Quasaren!
Das Schwarze Loch im<br />
Galaktischen Zentrum<br />
Axel Mellinger<br />
⇒ M BH ~ 3.5 Mio<br />
M apple<br />
(Genzel et al., Ghez et al.)<br />
ESO VLT<br />
Genzel et al., 2003
Das Galaktische Zentrum im TV<br />
A. Ghez<br />
R. Genzel<br />
et al.
Flares vom Galaktischen Zentrum<br />
Sgr A* Flares<br />
durch Chandra<br />
(Baganoff et al.),<br />
XMM-Newton<br />
(Porquet et al. ,2003)<br />
and VLT NIR<br />
(Schödel et al., 2003)<br />
60”<br />
X-ray (XMM-Newton)<br />
NIR (VLT)<br />
Schnelle<br />
Variabilität<br />
deutet auf ein<br />
rotierendes SL!<br />
Schödel et al., 2003<br />
Aschenbach et al.,<br />
2003
Demoskopie Schwarzer <strong>Löcher</strong><br />
Supermassereiche SL in allen<br />
Galaxien mit zentralem „Bulge“<br />
Direkte Beziehung zwischen SL<br />
Masse und Galaxieneigenschaften
Kapitel 2: Materie-Akkretion<br />
auf Schwarze <strong>Löcher</strong>
<strong>Die</strong> Drehmoment-Barriere<br />
Simulation von Jose Cuadra et al., MPA
Gezeiten-Einfang und Zerstörung<br />
Ein einzelner Stern wird eingefangen und durch Gezeitenkräfte zerrissen. Nach<br />
einem starken Röntgenausbruch gibt es eine jahrelang dauernde Abklingphase.<br />
Rees 1988<br />
Lichtkurven von 4 durch ROSAT<br />
entdeckte Gezeiten-Ereignisse.<br />
RX J1242-1119 Nachleuchten wurde<br />
durch Chandra und XMM-Newton ~10<br />
Jahre nach dem Ausbruch studiert.<br />
Komossa et al., 2004
Auf zum Virgo-Haufen!<br />
B. Tully, IfA<br />
Andromeda-Nebel Galaktisches Planetarer Pferdekopf-Nebel<br />
Orion-Nebel<br />
Crab-Nebel M51 M33<br />
Zentrum & M33<br />
M87 ist die zentrale Galaxie des Virgo-Haufens und das lokale Gravitationszentrum. Sie<br />
beinhaltet ein Schwarzes Loch von etwa ~1 Mrd Sonnenmassen.
Active Galaxies<br />
M87 Radio<br />
M87 Hubble Space Telescope
Black Hole Accretion<br />
M87<br />
Courtesy W. Steffen<br />
BH grow through normal accretion.<br />
Eject relativistic particle jets
AGN-getriebene Winde<br />
NGC 3079<br />
Sy2 + SB Gal<br />
HST & Chandra
Kapitel 3: Schwarze <strong>Löcher</strong><br />
auf Kollisionskurs
Doppeltes<br />
Schwarzes Loch!<br />
Röntgen/Chandra/S. Komossa (MPE)<br />
NGC 6240<br />
Optisch/ESO 2.2m<br />
LISA (ESA/NASA)
Rückwirkung des <strong>Schwarzen</strong> Loches auf seine<br />
Muttergalaxie<br />
Sterne<br />
Gas<br />
<strong>Die</strong> Bindungsenergie zweier supermassereicher Schwarzer<br />
<strong>Löcher</strong> reicht bei weitem aus, den gesamten Gasvorrat zweier<br />
Galaxien bei <strong>der</strong> Vereinigung herauszublasen. <strong>Die</strong>ser Effekt ist<br />
notwendig, um die kosmologische Entwicklung massereicher<br />
elliptischer Galaxien zu verstehen.<br />
Simulation: V. Springel et al. 2006
Gravitationswellen aus dem frühen Universum<br />
Simulation von Gravitationswellen,<br />
die bei <strong>der</strong><br />
Vereinigung zweier<br />
supermassereicher<br />
Schwarzer <strong>Löcher</strong><br />
entstehen.<br />
J. Centrella, Goddard<br />
Space Flight Center<br />
Simulation des GW-Signals das von<br />
LISA während einer 2-jährigen Messzeit<br />
erwartet wird; um 20 Oktaven höher in<br />
das Audio-Frequenzband transponiert<br />
B. Schutz, Albert Einstein Institut
Gravitationswellen-Kicks<br />
Helligkeit <br />
Breite<br />
Emissionslinien von<br />
von an SL<br />
gebundenem Gas<br />
v <br />
Schmale Linien<br />
Komossa et al., 2008,<br />
ApJ 678, L81
Super-Kick-Kandidat!?<br />
Superkick Kandidat<br />
(v=2650 km/s) aus<br />
dem Sloan Digital<br />
Sky Survey !<br />
Komossa et al., 2008,<br />
ApJ 678, L81
Kapitel 4: Der<br />
Röntgenhintergrund und die<br />
Kosmische Entwicklung <strong>der</strong><br />
<strong>Schwarzen</strong> <strong>Löcher</strong>
Der Röntgenhintergrund<br />
ROSAT 1998<br />
Giacconi 1962<br />
ROSAT 1991<br />
XMM-Newton 2001<br />
Chandra 2003<br />
ROSAT 1998<br />
… ist das Echo aus <strong>der</strong> Entstehung<br />
supermassereicher Schwarzer <strong>Löcher</strong> über die<br />
gesamte <strong>kosmische</strong> <strong>Geschichte</strong>.
Most recent Population Synthesis Model<br />
total<br />
type-1<br />
C-thin<br />
type-2<br />
C-thin<br />
type-2<br />
C-thick<br />
Gilli, Comastri & G.H., 2007
X-ray AGN Survey Wedding Cake<br />
Flux 2-10 keV (cgs)<br />
-16<br />
-15<br />
-14<br />
C-COSMOS 0.9 deg2<br />
XMM-COSMOS 2 deg2<br />
SEXSI 2 deg2<br />
Eckart et al. 2006<br />
E-CDFS 0.3deg2<br />
Lehmer et al. 2005<br />
CDFN-CDFS 0.1deg2<br />
Barger et al. 2003; Szokoly et al. 2004<br />
EGS/AEGIS 0.5deg2<br />
Nandra et al. 2006<br />
ELAIS-S1 0.5deg2<br />
Puccetti et al. 2006<br />
HELLAS2XMM 1.4 deg2<br />
Cocchia et al. 2006<br />
Champ 1.5deg2<br />
Silverman et al. 2005<br />
-13<br />
XBOOTES 9 deg2<br />
Murray et al. 2005,<br />
Brand et al. 2005<br />
(see Brandt & Hasinger 2005 review (ARA&A 43, 827) Area
Relative Sizes of HST Surveys<br />
CDFS COSMOS
ROSAT<br />
XMM-Newton Hubble Space Telescope<br />
& Subaru Aufnahmen<br />
Cosmos<br />
Survey<br />
2 deg 2<br />
Sichtbares Röntgenlicht Licht
Chandra Deep Field South<br />
Chandra 1 Msec<br />
(Giacconi et al.)<br />
Chandra 4x250 ksec<br />
(PI: N. Brandt)<br />
XMM-Newton 400 ksec<br />
(PI: J. Bergeron)
CDFS: Chandra 2 Msec<br />
Luo et al., 2008
1.216<br />
AGN - Ty 1, unobs<br />
2.28p<br />
Ultra Deep<br />
AGN<br />
Field<br />
- opt. faint<br />
1.82p<br />
AGN - opt. faint<br />
0.773<br />
AGN - XBONG<br />
0.665<br />
AGN - XBONG<br />
1.65p<br />
AGN - opt. faint<br />
CDF-S<br />
ACS UDF<br />
1.69p<br />
AGN - opt. faint<br />
0.456<br />
Starburst<br />
3.193<br />
AGN - Ty 1, unobs<br />
4.29p<br />
AGN - opt. faint<br />
1.309<br />
AGN - XBONG<br />
0.438<br />
Starburst<br />
0.414<br />
Starburst<br />
1.53p<br />
AGN - opt. faint<br />
3.064<br />
AGN - Ty 2<br />
Courtesy:<br />
S. Beckwith
Kapitel 5: Kosmische Entwicklung<br />
<strong>der</strong> <strong>Schwarzen</strong> <strong>Löcher</strong>
Meta-Survey Analysis<br />
COSMOS<br />
G.H.; arXiv:0808.0260
The Master-AGN Survey<br />
~2600 AGN selected in the 2-10 keV band from HEAO-1,<br />
ASCA, Chandra and XMM-Newton surveys, 93% complete IDs<br />
G.H.; arXiv:0808.0260
CCD Chips<br />
SXC Calorimeter<br />
Launch 2011<br />
(Baikonur)<br />
eROSITA<br />
X-ray Telescope<br />
Technology development<br />
at MPE<br />
ART-XC<br />
Chasing Dark<br />
Energy with<br />
100000<br />
clusters
Dark Universe<br />
Observatory<br />
eROSITA<br />
XMM<br />
ROSAT<br />
4 yrs all-sky survey yield<br />
100.000 clusters of galaxies (DE!)<br />
3.5 Mio AGN<br />
Lots of other interesting science!
The Master-AGN Survey<br />
eRO Deep (1/2yr)<br />
eRO All-Sky (4yr)<br />
eRO Bright (1/2yr)<br />
~2600 AGN selected in the 2-10 keV band from HEAO-1,<br />
ASCA, Chandra and XMM-Newton surveys, 93% complete IDs<br />
G.H.; arXiv:0808.0260
Space/Luminosity density evolution<br />
G.H., Miyaji & Schmidt, 2005
The Rise and Fall<br />
of the AGN<br />
log L X =41-42<br />
42-43<br />
43-44<br />
44-45<br />
45-48=<br />
G.H., Miyaji,<br />
Schmidt 2005<br />
Quasars<br />
X-ray Background
Merger Evolution Conjecture<br />
e.g. Hopkins et al., 2005
Early Black Holes
z=12.75<br />
z=9.17<br />
20 kpc<br />
First proto-quasars<br />
z=6.5<br />
Li, Hernquist, et al. 2007<br />
z=9-10<br />
IXO Limit<br />
10 9 M apple<br />
known QSO<br />
10 6 M apple<br />
Mini-QSOs<br />
z=6.54<br />
Black Hole<br />
z=15-20<br />
10 6 M apple @ redshift 10 detectable.<br />
100 M apple<br />
Gamma Burst<br />
Archibald et al., 2001<br />
IXO can detect and study BHs in conjunction with<br />
forming galaxies (S min ~ 10 -17 erg cm -2 s -1 ).
IXO Study<br />
Configuration
IXO in context @ z=10<br />
IXO<br />
LISA (ESA/NASA)
Jan<br />
Feb<br />
Mär<br />
Apr<br />
Mai<br />
Jun<br />
Jul<br />
Aug<br />
Sep<br />
Okt<br />
Nov<br />
Dez<br />
Jan<br />
Feb<br />
Mär<br />
Apr<br />
1. Jan 0h00 Urknall, Entstehung <strong>der</strong> Elemente H, He, ...<br />
1. Jan 0h14 Entkopplung von Strahlung und Materie<br />
5. Jan Erste Sterne und Schwarze <strong>Löcher</strong> entstehen<br />
Sterne erzeugen die Elemente C, N, O ...<br />
16. Jan Älteste bekannte Galaxie / Quasar<br />
27. Mär „Großes Fressen“, Quasar-Maximum<br />
9. Sep Entstehung <strong>der</strong> Sonne und <strong>der</strong> Erde<br />
28. Sep Entstehung des Lebens auf <strong>der</strong> Erde, Blaualgen<br />
16.-19. Dez Wirbeltierfossilien und Pflanzen<br />
20.-24. Dez Wald, Fische, Reptilien<br />
25. Dez Säugetiere<br />
28. Dez Aussterben <strong>der</strong> Saurier<br />
31. Dez 20h Erste Vorfahren des Menschen<br />
-6 min Mo<strong>der</strong>ner Mensch: Homo Sapiens Sapiens<br />
-70 sek Nean<strong>der</strong>thaler stirbt aus<br />
-4.6 sek Jesus Christus<br />
-0.23 sek Unser Leben<br />
3. Jan Gravitationswellen von NGC6240<br />
9. Feb Erde wird zu heiß zum Leben<br />
16. Apr Milchstraße vom Andromeda-Nebel verschluckt<br />
10. Jul Sonne bläht sich zum roten Riesen auf
In etwa 3 Milliarden Jahren<br />
Andromeda-Nebel<br />
... wird <strong>der</strong> Himmel über „Frankfurt“ so aussehen !<br />
Milchstraße
Vielen Dank für<br />
Ihre<br />
Aufmerksamkeit<br />
Weitere Informationen:<br />
www.mpe.mpg.de/~ghasinger<br />
Auch bald als Taschenbuch!
Change language