27.E: Galaxias Activas, Cuásares y Agujeros Negros Supermasivos (Ejercicios)

Para una mayor exploración

Artículos

Bartusiak, M. “Una Bestia en el Núcleo”. Astronomía (julio de 1998): 42. En agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias.

Disney, M. “Una nueva mirada a los cuásares”. Scientific American (junio de 1998): 52.

Djorgovski, S. “Incendios al amanecer cósmico”. Astronomía (septiembre de 1995): 36. Sobre los cuásares y lo que podemos aprender de ellos.

Ford, H., & Tsvetanov, Z. “Agujeros negros masivos en los corazones de las galaxias”. Sky & Telescope (Junio 1996): 28. Bonito panorama general.

Irio, R. “¿Un cuásar en cada galaxia?” Sky & Telescope (Julio 2006): 40. Analiza cómo los agujeros negros supermasivos que alimentan los centros de las galaxias pueden ser más comunes de lo que se pensaba.

Kormendy, J. “¿Por qué hay tantos agujeros negros?” Astronomía (agosto de 2016): 26. Discusión sobre por qué los agujeros negros supermasivos son tan comunes en el universo.

Kruesi, L. “Los secretos de los objetos más brillantes del universo”. Astronomía (Julio 2013): 24. Revisión de nuestra comprensión actual de los cuásares y cómo nos ayudan a aprender sobre los agujeros negros.

Miller, M., et al. “Agujeros negros supermasivos: dando forma a su entorno”. Sky & Telescope (Abril 2005): 42. Chorros de discos de agujero negro.

Nadis, S. “Explorando la Conexión Galaxia-Agujero Negro”. Astronomía (Mayo 2010): 28. Visión general.

Nadis, S. “Aquí, Ahí, y en todas partes”. Astronomía (febrero de 2001): 34. Sobre el Hubble observaciones que muestran cuán comunes son los agujeros negros supermasivos en las galaxias.

Nadis, S. “Mirando dentro de una Galaxia Monstruosa”. Astronomía (Mayo 2014): 24. Lo que nos dicen las observaciones de rayos X sobre el mecanismo que alimenta la galaxia activa M87.

Olson, S. “Cazadores de Agujeros Negros”. Astronomía (mayo de 1999): 48. Perfila a cuatro astrónomos que buscan agujeros negros “hambrientos” en los centros de galaxias activas.

Peterson, B. “Resolviendo el rompecabezas del cuásar”. Sky & Telescope (Septiembre 2013): 24. Un artículo de revisión sobre cómo descubrimos que los agujeros negros eran la fuente de energía para los cuásares, y cómo los vemos hoy.

Tucker, W., et al. “Blowback de Agujero Negro”. Scientific American (Marzo 2007): 42. Cómo los agujeros negros supermasivos crean burbujas gigantes en el medio intergaláctico.

Voit, G. “El ascenso y la caída de los cuásares”. Sky & Telescope (Mayo 1999): 40. Buena visión general de cómo los cuásares encajan en la historia cósmica.

Wanjek, C. “Cómo los agujeros negros ayudaron a construir el universo”. Sky & Telescope (enero de 2007): 42. Sobre la energía y el flujo de salida de discos alrededor de agujeros negros supermasivos; agradable introducción.

Sitios web

Monstruos en Núcleos Galácticos: http://chandra.as.utexas.edu/stardate.html. Un artículo sobre agujeros negros supermasivos de John Kormendy, de la revista StarDate.

Quasar Astronomía Cuarenta Años Después: http://www.astr.ua.edu/keel/agn/quasar40.html. Un artículo popular de 2003 de William Keel.

Cuásares y Núcleos Galácticos Activos: www.astr.ua.edu/keel/agn/. Una galería anotada de imágenes que muestran el amplio rango de actividad en galaxias. También hay una introducción, un glosario e información de antecedentes. También por William Keel.

Cuásares: “La Luz Fantástica”: http://hubblesite.org/newscenter/arc...35/background/. Este breve “trasfondo” de la oficina de información pública del HubbleSite da un poco de la historia del descubrimiento y comprensión de los cuásares.

Videos

Galaxias Activas: https://www.youtube.com/watch?v=Y_HgsFmwCeg. Parte de la serie Astronomía: Observaciones y teorías; introducción de media hora a cuásares y objetos relacionados (27:28).

Caos del Agujero Negro: Los Entornos de los Agujeros Negros Más Supermasivos del Universo: https://www.youtube.com/watch?v=hzSgU-3d8QY. Mayo 2013 conferencia a cargo de la Dra. Belinda Wilkes y la doctora Francesca Civano del Centro de Astrofísica en el Ciclo de Conferencias Noches del Observatorio CfA (50:14).

Hubble y Agujeros Negros: http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast43a/. Hubblecast en agujeros negros y núcleos galácticos activos (9:10).

Agujeros Negros Monstruos: https://www.youtube.com/watch?v=LN9oYjNKBm8. Mayo de 2013 conferencia del profesor Chung-Pei Ma de la Universidad de California, Berkeley; parte de la Serie de Conferencias de Astronomía de Silicon Valley (1:18:03).

Actividades de Grupo Colaborativo

1. Cuando los cuásares fueron descubiertos por primera vez y se desconocía la fuente de su gran energía, algunos astrónomos buscaron evidencia de que los cuásares están mucho más cerca de nosotros de lo que implican sus corrimientos al rojo. (De esa manera, no tendrían que producir tanta energía para verse tan brillantes como lo hacen). Una manera era encontrar un “par no coincidente”, un cuásar y una galaxia con diferentes corrimientos al rojo que se encuentran casi en la misma dirección en el cielo. Supongamos que sí encuentras una y sólo una galaxia con un cuásar muy cerca, y el corrimiento al rojo del cuásar es seis veces mayor que el de la galaxia. Haga que su grupo discuta si entonces podría concluir que los dos objetos están a la misma distancia y que el desplazamiento al rojo no es un indicador confiable de distancia. ¿Por qué? Supongamos que encontraste tres de esos pares, cada uno con diferentes desplazamientos al rojo no coincidentes? Supongamos que cada galaxia tiene un cuásar cercano con un corrimiento al rojo diferente. ¿Cómo cambiaría tu respuesta y por qué?
2. Los grandes telescopios terrestres generalmente pueden otorgar tiempo a solo uno de cada cuatro astrónomos que solicitan tiempo de observación. Un destacado astrónomo intentó durante varios años establecer que los corrimientos al rojo de los cuásares no indican sus distancias. Al principio, se le dio tiempo en el telescopio más grande del mundo, pero finalmente se hizo más claro que los cuásares eran solo los centros de galaxias activas y que sus desplazamientos al rojo realmente indicaban distancia. En ese momento, se le negó el tiempo de observación por parte del comité de astrónomos que revisaron dichas propuestas. Supongamos que su grupo hubiera sido el comité. ¿Qué decisión habrías tomado? ¿Por qué? (En general, ¿qué criterios deben tener los astrónomos para permitir que los astrónomos cuyas opiniones no están completamente de acuerdo con la opinión predominante puedan continuar sus investigaciones?)
3. Con base en la información de este capítulo y en Agujeros Negros y Espacio-tiempo curvo, haz que tu grupo discuta cómo sería cerca del horizonte de eventos de un agujero negro supermasivo en un cuásar o galaxia activa. Haz una lista de todas las razones por las que un viaje a esa región no sería bueno para tu salud. Ser específico.
4. Antes de entender que la energía de los cuásares proviene de agujeros negros supermasivos, los astrónomos estaban desconcertados por cómo regiones tan pequeñas podían emitir tanta energía. Se sugirieron una variedad de modelos, algunos que involucran nueva física o ideas bastante “lejanas” de la física actual. ¿Puede su grupo idear algunas áreas de astronomía que ha estudiado en este curso donde aún no tenemos una explicación para que algo suceda en el cosmos?

Preguntas de revisión

1. Describir algunas diferencias entre cuásares y galaxias normales.
2. Describir los argumentos que sustentan la idea de que los cuásares están a las distancias señaladas por sus corrimientos al rojo.
3. ¿De qué manera son las galaxias activas como los cuásares pero diferentes de las galaxias normales?
4. ¿Por qué la concentración de materia en el centro de una galaxia activa como M87 no podría estar hecha de estrellas?
5. Describir el proceso mediante el cual la acción de un agujero negro puede explicar la energía irradiada por los cuásares.
6. Describir las observaciones que convencieron a los astrónomos de que M87 es una galaxia activa.
7. ¿Por qué creen los astrónomos que los cuásares representan una etapa temprana en la evolución de las galaxias?
8. ¿Por qué los cuásares y las galaxias activas no se reconocieron inicialmente como “especiales” de alguna manera?
9. ¿Cuál entendemos ahora que es la principal diferencia entre las galaxias normales y las galaxias activas?
10. ¿Cuál es la estructura típica que observamos en un cuásar a frecuencias de radio?
11. ¿Qué evidencia tenemos de que la región central luminosa de un cuásar es pequeña y compacta?

Preguntas de Pensamiento

1. Supongamos que observa un objeto estrellado en el cielo. ¿Cómo se puede determinar si en realidad es una estrella o un cuásar?
2. ¿Por qué ninguno de los métodos para establecer distancias a galaxias, descritos en Galaxias (aparte de la propia ley del Hubble), no funciona para cuásares?
3. Una de las primeras hipótesis para explicar los altos desplazamientos al rojo de los cuásares fue que estos objetos habían sido expulsados a velocidades muy altas de otras galaxias. Esta idea fue rechazada, porque no se han encontrado cuásares con grandes cambios azules. Explique por qué esperaríamos ver cuásares con líneas tanto de desplazamiento azul como de desplazamiento al rojo si fueran expulsados de galaxias cercanas.
4. Un amigo tuyo que ha visto muchos episodios y películas de Star Trek dice: “Pensé que los agujeros negros metían todo en ellos. ¿Por qué entonces los astrónomos piensan que los agujeros negros pueden explicar el gran derramamiento de energía de los cuásares?” ¿Cómo responderías?
5. ¿Podría la Vía Láctea convertirse alguna vez en una galaxia activa? ¿Es probable que alguna vez sea tan luminoso como un cuásar?
6. ¿Por qué los cuásares son generalmente mucho más luminosos (por qué emiten tanta más energía) que las galaxias activas?
7. Supongamos que detectamos una poderosa fuente de radio con un radiotelescopio. ¿Cómo podríamos determinar si se trataba o no de un cuásar recién descubierto y no de alguna transmisión de radio cercana?
8. Una amiga intenta convencerte de que puede ver fácilmente un cuásar en el telescopio de su patio trasero. ¿Creería su afirmación?

Calcular por ti mismo

1. Demuestre que no importa cuán grande sea un corrimiento al rojo (\(z\)) que medimos, nunca\(v/c\) será mayor que 1. (En otras palabras, ninguna galaxia que observemos puede estar alejándose más rápido que la velocidad de la luz).
2. Si un cuásar tiene un corrimiento al rojo de 3.3, ¿a qué fracción de la velocidad de la luz se aleja de nosotros?
3. Si un cuásar se aleja de nosotros a\(v/c\) = 0.8, ¿cuál es el corrimiento al rojo medido?
4. En el capítulo, discutimos que los mayores desplazamientos al rojo encontrados hasta el momento son mayores a 6. Supongamos que encontramos un cuásar con un corrimiento al rojo de 6.1. ¿Con qué fracción de la velocidad de la luz se aleja de nosotros?
5. La rápida variabilidad en los cuásares indica que la región en la que se genera la energía debe ser pequeña. Se puede demostrar por qué esto es cierto. Supongamos, por ejemplo, que la región en la que se genera la energía es una esfera transparente de 1 año luz de diámetro. Supongamos que en 1 s esta región se ilumina por un factor de 10 y permanece brillante durante dos años, después de lo cual vuelve a su luminosidad original. Dibuja su curva de luz (una gráfica de su brillo a lo largo del tiempo) vista desde la Tierra.
6. Los grandes desplazamientos al rojo mueven las posiciones de las líneas espectrales a longitudes de onda más largas y cambian lo que se puede observar desde el suelo. Por ejemplo, supongamos que un cuásar tiene un corrimiento al rojo de\(\frac{\Delta \lambda}{\lambda} = 4.1\). ¿A qué longitud de onda harías observaciones para detectar su línea de hidrógeno Lyman, que tiene una longitud de onda de laboratorio o reposo de 121.6 nm? ¿Esta línea sería observable con un telescopio terrestre en un cuásar con cero corrimiento al rojo? ¿Sería observable desde el suelo en un cuásar con un corrimiento al rojo de\(\frac{\Delta \lambda}{\lambda} = 4.1\)?
7. Una vez más en este capítulo, vemos el uso de la tercera ley de Kepler para estimar la masa de agujeros negros supermasivos. En el caso de NGC 4261, este capítulo suministró el resultado del cálculo de la masa del agujero negro en NGC 4261. Para obtener esta respuesta, los astrónomos tuvieron que medir la velocidad de las partículas en el anillo de polvo y gas que rodea el agujero negro. ¿Qué tan altas eran estas velocidades? Dale la vuelta a la tercera ley de Kepler y usa la información que se da en este capítulo sobre la galaxia NGC 4261 —la masa del agujero negro en su centro y el diámetro del anillo circundante de polvo y gas— para calcular cuánto tiempo tardaría una partícula de polvo en el anillo para completar una sola órbita alrededor del agujero negro. Supongamos que la única fuerza que actúa sobre la partícula de polvo es la fuerza gravitacional ejercida por el agujero negro. Calcular la velocidad de la partícula de polvo en km/s.
8. En la sección Check Your Learning del Ejemplo 27.1.1 en la Sección 27.1, se le dijo que varias líneas de absorción de hidrógeno en el espectro visible tienen longitudes de onda en reposo de 410 nm, 434 nm, 486 nm y 656 nm. En un espectro de una galaxia distante, se observa que estas mismas líneas tienen longitudes de onda de 492 nm, 521 nm, 583 nm y 787 nm, respectivamente. El ejemplo demostró que z = 0.20 para la línea de 410 nm. Demuestre que obtendrá el mismo corrimiento al rojo independientemente de la línea de absorción que mida.
9. En la sección Check Your Learning del Ejemplo 27.1.1 en la Sección 27.1, el autor comentó que incluso en\(z = 0.2\), ya hay una desviación del 11% entre la solución relativista y la clásica. ¿Cuál es la diferencia porcentual entre los resultados clásicos y relativistas en\(z = 0.1\)? ¿Para qué sirve\(z = 0.5\)? ¿Para qué sirve\(z = 1\)?
10. El cuásar que aparece más brillante en nuestro cielo, 3C 273, se ubica a una distancia de 2.4 mil millones de años luz. El Sol tendría que ser visto desde una distancia de 1300 años luz para tener la misma magnitud aparente que 3C 273. Utilizando la ley cuadrada inversa para la luz, estimar la luminosidad de 3C 273 en unidades solares.