Efectos de partículas relativistas en el entorno de agujeros negros

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EFECTOS DE PARTÍCULAS RELATIVISTAS EN EL ENTORNO
DE AGUJEROS NEGROS
florencia laura vieyro
Tesis de Doctorado en Astronomía
Director: Gustavo E. Romero
Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas
Universidad Nacional de La Plata

AGRADECIMIENTOS
Hago extensivo mi más sincero agradecimiento a todas las personas
que me acompañaron a lo largo de estos años, y que por razones de
espacio no puedo incluir aquí.
En primer lugar quiero agradecer a Gustavo, mi director, por todas
las oportunidades que me dió a lo largo de estos años, por su apoyo y
confianza en mí como persona y en mi trabajo. Gracias por transmitir
esa pasión por la ciencia y el conocimiento, y por aportar todo lo que
está a su alcance para mi formación como investigadora.
Al Instituto Argentino de Radioastronomía y a la Facultad de Cien-
cias Astronómicas y Geofísicas, por el soporte institucional dado para
la realización de este trabajo. También agradezco a CONICET por el
apoyo financiero.
Al Dr. Josep María Paredes, por su ayuda y hospitalidad durante
mi estadía en la Universitat de Barcelona.
Al Dr. Valentí Bosch-Ramón, por haber aceptado muy amablemente
venir a Argentina para ser jurado de mi Tesis, y también por las
discusiones valiosas sobre mi trabajo.
A los Dres. Enrico Ramirez-Ruiz y a Fabio De Colle, por su entu-
siasmo, paciencia y permanente apoyo.
A las chicas Garra: Dani, Cin, Ana, Ile, Paula y al resto de los miem-
bros del grupo, por el compañerismo que han mostrado siempre. En
particular,unagradecimientoespecialaGabyporsupacienciadurante
todo este tiempo de compañeras de oficina, pero principalmente por
toda la ayuda brindada en estos años.
A mis amigos de la facultad: Flor, Charly, Lean, Juan, Emilio y
Charly A., por todos los lindos momentos que compartimos juntos.
También agradezco a mis amigos del IAR: Fer, July y Mariano. En
particular a Fer, por toda la ayuda y paciencia con mis problemas
informáticos.
A María, mi amiga y compañera de este proceso. Gracias por to-
das las experiencias compartidas en estos años. Una alegría para mi
poder haber compartido toda esta etapa con alguien a quien admiro
profundamente como profesional y como persona.
Y si agradezco a quienes me acompañaron a lo largo de los años,
no puedo dejar de agradecer a mis amigas Juli, Ale, Aldi, Romi y
Nadia, quienes a pesar de que aún no saben en qué trabajo, siempre
me acompañaron y alentaron.
A mi familia adquirida: Carli, Noe, Daniel, Margarita, Lu, Cristian
y Valen. Gracias a todos por el apoyo.
A mi abuela América, por enseñarme que las estrellas no eran
blancasypuntiagudas,comoselassueledibujar;portodatupaciencia
durante mis años de estudio, y por todo el amor que me diste a lo
largo de mi vida.
A mi familia, Joaquín, Eva, Leo y Lu, por ser mi soporte incondicio-
nal siempre. Y a Valen, quien ilumina mi vida.
iii
Yporúltimo,miagradecimientoespecialaAbel:graciasportodoel
amor y felicidad que me das. En particular, gracias por todo tu apoyo
y paciencia durante estos años de doctorado. Este momento es más
lindo porque estás en mi vida y lo puedo compartir con vos.
iv
PREFACIO
Alahoradeelegirelestiloparaescribirlatesis,elegíhacerlodeuna
manera técnica. Este es un texto científico, por lo que, a riesgo quizás
de resultar estilísticamente monótono, elijo que sea claro y preciso
para exponer el contenido.
Dado el extensivo uso del idioma inglés en la literatura científica, es
muy habitual denominar a diversos fenómenos y objetos astrofísicos
por sus siglas en inglés. De hecho, en muchos casos, su traducción al
español no es unívoca, y en ocasiones podría generar confusión. De
esta manera, cada vez que introduzca una denominación de alguna
fuente o evento, haré la correspondiente traducción al español, pero
en sucesivas menciones, usaré la sigla o el término que se acostumbra
en la literatura.
En particular, hay tres términos que se repetirán a lo largo de todo
el manuscrito; el primero es la sigla que corresponde a X-ray Binary,
XRB, cuyo significado es binaria de rayos X. El segundo término es la
sigla de Gamma Ray Burst, GRB, que puede traducirse como erupciones
de rayos gamma. Por último, un término muy usado será el de jet, que
puede traducirse como chorro o haz.
En la Pág. xvi muestro el índice de los acrónimos usados en el
presente trabajo.
La Plata, Septiembre 2013
Florencia Laura Vieyro

ÍNDICE
1 introducción 1
2 agujeros negros acretantes 5
21 5
. Breve reseña histórica
211 5
. . Teoría
212 7
. . La búsqueda de agujeros negros
22 9
. Agujeros negros físicos
221 10
. . Relatividadgeneralyecuacionesdecampo
222 12
. . Agujeros negros de Schwarzschild
223 15
. . Agujeros negros de Kerr
23 18
. Agujeros negros astrofísicos
231
. . Colapso gravitatorio y formación de agujeros
18
negros estelares
232 21
. . Agujeros negros supermasivos
24 24
. Agujerosnegrosdemasaestelarysistemasbinarios
241 28
. . Binarias de rayos X con agujeros negros
3 discos de acreción y coronas en agujeros negros
acretantes 31
31
. Características observacionales de los estados espectra-
33
les de las XRBs
32 37
. Modelo estándar de disco
33 44
. Modelos de disco + coronas
331 44
. . Disco de “dos temperaturas”
332 45
. . Geometría de la corona
333 48
. . Parámetros de los modelo disco+corona
34 49
. Modelos tipo ADAF
341 52
. . Otros regímenes de acreción
35 54
. Espectro de rayos X
351 57
. . Jets y el ciclo dinámico
352 57
. . Spin del agujero negro
353 59
. . Espectroresidualnotérmicoaaltasenergías
4 procesos no térmicos en coronas de agujeros ne
-
gros 61
4.1 Hipótesisbásicasdelmodeloparaelestadolow-hard 61
42 63
. Inyección de partículas relativistas
43 64
. Pérdidas de energía
431 64
. . Pérdidas radiativas
432 67
. . Pérdidas no-radiativas
433 67
. . Decaimiento de partículas
434 67
. . Escape de la radiación
44 68
. Inyección de partículas secundarias
441 68
. . Inyección de piones
442 70
. . Inyección de muones
45 72
. Tratamiento de los procesos radiativos
451
. . Set de ecuaciones acopladas en estado estacio-
72
nario
vii
viii índice
452 74
. . Método numérico
453 75
. . Ecuacionesacopladasenuneventotransitorio
46 76
. Producción de neutrinos
461 78
. . Oscilaciones de neutrinos
5 aplicación a cygnus x 1 81
-
51 81
. Caracterización del sistema
52 82
. Inyección de partículas relativistas
53 82
. Pérdidas radiativas
54 84
. Absorción de la radiación
541 85
. . Absorción interna
542 85
. . Absorciónenelcampodelaestrellamasiva
55 88
. Distribuciones espectrales de energía
551 88
. . Estimaciones iniciales
552
. . Transporte de partículas relativistas en coronas
89
estáticas
56 91
. Eventos transitorios: fulguraciones
561 91
. . Inyección de partículas
562 92
. . Evolución de la SED
563 93
. . Emisión de neutrinos
57 94
. Discusión
6 aplicación a gro j0422 32 97
+
61 97
. Binarias de baja masa
62 0422 32 98
. El sistema binario GRO J +
63 100
. Caracterización del sistema
631
. . Aceleración de partículas y pérdidas radiati-
101
vas
64 102
. Distribuciones espectrales de energía
65 104
. Fulguración
66 0422 32 105
. Detectabilidad de neutrinos de GRO J +
661 105
. . Efectos instrumentales
662 107
. . Fondo de neutrinos atmosféricos
67 110
. Discusión
7 producción de neutrones en la corona 113
71 114
. Inyección de neutrones
72 115
. Pérdidas radiativas
73 116
. Transporte de neutrones
74 118
. Decaimiento de neutrones
741 118
. . Inyección de protones
742 118
. . Inyección de electrones
75 119
. Interacción dentro del jet
76 120
. Interacción en el medio del sistema binario
77 122
. Discusión
8 aplicación a erupciones de rayos gamma 125
81 127
. Modelo
811 129
. . Choque lateral reverso
812 130
. . Choque lateral delantero
82 131
. Distribuciones de partículas
821
. . Aceleración de partículas y pérdidas radiati-
131
vas
índice ix
83 134
. Emisión de neutrinos
831 134
. . Precesióndelmomentomagnéticodelneutrino
832 136
. . Flujos de neutrinos en la Tierra
833 137
. . Tasa de eventos y detección con IceCube
84 137
. AplicaciónaGRBsconprogenitoresdePoblaciónIII
841
. . Efecto de lentes gravitacionales sobre el flujo de
139
neutrinos
85 141
. Discusión
9 conclusiones 145
a procesos radiativos 149
a1 149
. Radiación sincrotrón
a2 150
. Dispersión Compton inversa
a3 152
. Bremsstrahlung relativista
a4 153
. Colisiones inelásticas protón-protón
a5 155
. Interacciones fotohadrónicas
a6 157
. Aniquilación de pares electrón/positrón
b publicaciones 159
b1
. Trabajos científicos publicados en revistas internaciona-
159
les con referato
b2
. Artículos completos en libros y actas de circulación
159
internacional, con arbitraje formal o informal
b3
. Trabajos científicos publicados en revistas nacionales
160
con referato
bibliografía 161
ÍNDICE DE FIGURAS
1 1879 1955
Figura Albert Einstein ( - ): físico alemán que
desarrolló la Teoría General de la Relatividad.
Entre sus numerosos aportes a la física teórica,
cabe mencionar su trabajo sobre el efecto foto-
eléctrico, por el que recibió el Premio Nobel en
1921 5
.
2
Figura Efecto del campo gravitatorio de una estrella de
neutrones. Un observador en la superficie de la
estrella podría observar más allá del horizon-
te debido a que la fuerza gravitatoria curva el
7
camino de la luz.
3
Figura Fuentes del tercer catálogo de fuentes EGRET
1999 9
[Hartman et al., ].
4
Figura Diagramadelespacio-tiempodeMinkowski.Las
trayectorias de partículas masivas son tipo tiem-
po, es decir, con ds2 > 0. La luz se mueve en
rectas a 45◦ en un espacio-tiempo llano. 11
5
Figura Diagrama espacio-temporal en las coordenadas
13
de Eddington-Filkenstein.
6
Figura Potencial efectivo para distintos valores del mo-
mento angular h¯ [Hobson et al., 2006]. 14
7
Figura Potencialefectivoparaelmovimientodefotones
alrededor de unagujero negro de Schwarzschild
2006 15
[Hobson et al., ].
8
Figura Geometría del espacio-tiempo en la métrica de
17
Kerr.
9
Figura Radiodelaúltimaórbitaestablecircularparaun
agujero negro de Kerr en función del parámetro
a. La curva negra representa el caso en que la
partícularotaenelmismosentidoqueelagujero
negro, mientras que la curva roja representa el
18
caso en que rota en sentido opuesto.
10
Figura Diagrama espacio-temporal que muestra la for-
mación de un agujero negro por colapso gravi-
tacional. El agujero negro está localizado en la
regióndelespacio-tiempodondetodoslosconos
20
apuntan hacia la singularidad.
11
Figura Esquema que muestra los caminos evolutivos
posibles para la formación de un agujero negro
2010 21
supermasivo [Volonteri, ].
12
Figura Reconstrucción de las órbitas de las estrellas or-
2012 22
bitandoelcentrogaláctico[Meyeretal., ].
13
Figura Sistema binario en el que la estrella ha llenado
el lóbulo de Roche, y la transferencia de masa se
hace a través del punto de Lagrange L . 25
1
x