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ONDAS GRAVITACIONAIS E A ASTROFÍSICA DE ALTAS-ENERGIAS

RODRIGO NEGREIROS – IF/UFF

“REVIVAL” DA ASTROFÍSICA DE ALTAS ENERGIAS


XMM - Newton


XMM - Newton

ROSAT


XMM - Newton

ROSAT

Very large array (VLA)


XMM - Newton

ROSAT

Very large array (VLA) FAST (CHINA)


XMM - Newton

ROSAT


SKA (square kilometer array)


XMM - Newton

ROSAT


SKA (square kilometer array)

LIGO

ASTROFÍSICA DE ALTAS ENERGIAS E A FÍSICA NUCLEAR

ASTROFÍSICA DE ALTAS ENERGIAS E A FÍSICA NUCLEAR

LHC

SOBRE A RELATIVIDADE ....

• RELATIVIDADE ESPECIAL:

1. that the laws of physics are invariant (i.e. identical) in all inertial systems (non-accelerating frames of reference).

2. that the speed of light in a vacuum is the same for all observers, regardless of the motion of the light source

https://en.wikipedia.org/wiki/Invariant_(physics)

https://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_frame_of_reference

https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum

SOBRE A RELATIVIDADE ....

• RELATIVIDADE ESPECIAL:

1. that the laws of physics are invariant (i.e. identical) in all inertial systems (non-accelerating frames of reference).

2. that the speed of light in a vacuum is the same for all observers, regardless of the motion of the light source

MUDANÇA DE PARADIGMA!

https://en.wikipedia.org/wiki/Invariant_(physics)

https://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_frame_of_reference

https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum

OLHANDO PARA O UNIVERSO COM “NOVOS OLHOS”


Acreção em estrelas de nêutrons

https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjbhIujuLvMAhXBfZAKHau1D7gQjRwIBw&url=http://pics-about-space.com/black-holes-and-neutron-stars?p=1&bvm=bv.121070826,d.Y2I&psig=AFQjCNGTkkEGFMAhQoSy7NHPeyVrBKhvGw&ust=1462280141498988



Gamma – Ray Bursts





Resfriamento de estrelas de nêutrons





Resfriamento de estrelas de nêutrons

Coalescência de Buracos Negros


RELATIVIDADE GERAL....

• “glueckischte Gedanke meines Lebens” – o pensamento mais feliz da minha vida

• Para um observador em queda-livre, “não existe”, em sua vizinhança, um campo gravitacional.

CURVATURA

• Definimos um circuito em um espaço.

• Transportamos um vetor paralelamente.

CURVATURA



𝑅𝛼𝜇𝜆𝜎 = Γ𝛼

𝜇𝜎.𝜆 −Γ𝛼𝜇𝜆,𝜎 +Γ𝛼

𝜈𝜆 Γ𝜈

𝜇𝜎 -Γ𝛼

𝜈𝜎 Γ𝜈

𝜇𝜆

CURVATURA





𝜈𝜆 Γ𝜈

𝜇𝜎 -Γ𝛼

𝜈𝜎 Γ𝜈

𝜇𝜆

Γ𝜖𝛽𝛾 =

1

2𝑔𝜖𝜆 𝑔𝜆𝛽,𝛾 + 𝑔𝜆𝛾,𝛽 − 𝑔𝛽𝛾,𝜆

CURVATURA





𝜈𝜆 Γ𝜈

𝜇𝜎 -Γ𝛼

𝜈𝜎 Γ𝜈

𝜇𝜆

Γ𝜖𝛽𝛾 =

1

2𝑔𝜖𝜆 𝑔𝜆𝛽,𝛾 + 𝑔𝜆𝛾,𝛽 − 𝑔𝛽𝛾,𝜆

Símbolos de Christoffel Métrica

UMA NOVA DESCRIÇÃO PARA A GRAVIDADE

• Buscamos uma equação relativística para a equação clássica para o campo gravitacional: Δ2𝑈 = 4𝜋𝜌

• Fontes de curvaturas dadas pelo tensor energia momento: 𝜌 → 𝑇𝜇𝜈

• É necessário um tensor de rank 2 para substituir o campo U : Tensor de Einstein 𝐺𝜇𝑣

• Conservação de energia (𝑇𝜇𝜈;𝜇 = 0) implica 𝐺𝜇𝜈

;𝜇 = 0

• Nos guiando pelo princípios de conservação de energia e utilizando as propriedades de curvatura, encontramos

𝐺𝜇𝜈 = 𝑅𝜇𝑣 −1

2𝑔𝜇𝑣𝑅 = 8𝜋𝑇𝜇𝜈

SOLUÇÃO DE SCHWARZSCHILD

• Curvatura no exterior de uma distribuição de massa esfericamente simétrica


• Potencial efetivo em uma geometria de Schwarzschild


• Forma das órbitas

RELATIVIDADE GERAL: SOLUÇÕES ONDULATÓRIAS

• Pequenas perturbações



Equação da onda para as 10 componentes de h



Equação da onda para as 10 componentes de h

SOLUÇÃO GERAL

ONDAS GRAVITACIONAIS: SOLUÇÃO GERAL PARA O CASO LINEAR

Para 𝑟 ≫ 𝑅𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 e 𝜆 ≫ 𝑅𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒

ONDAS GRAVITACIONAIS: SOLUÇÃO GERAL PARA O CASO LINEAR

Para 𝑟 ≫ 𝑅𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 e 𝜆 ≫ 𝑅𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒

Amplitude de ondas gravitacionais em grandes

distâncias

SISTEMA BINÁRIO DE ESTRELAS DE NÊUTRONS

ONDAS GRAVITACIONAIS – REGIME FORTE

• Simulações numéricas

“WHY DOES IT MATTER?

ASTROFÍSICA DE ALTAS ENERGIAS – ESTRELAS COMPACTAS

ASTROFÍSICA DE ALTAS ENERGIAS – ESTRELAS COMPACTAS

• N ~1057 barions

• M ~ 1−2 𝑀⊙

• R ~ 10−12 km

• B~108 .... 16 G

• E ~1014-18 V/cm

• T~106 .... 11 K

ESTRELAS DE NÊUTRONS


Altas Energias


Altas Energias

Médias Energias


Altas Energias

Médias Energias

Baixas Energias

ESTRELAS DE NÊUTRONS – BAIXAS ENERGIAS

• Composta por um gás de elétrons e íons pesados

• Importante para a evolução térmica da estrela

NS mantle T = T

b

NS Photosphere

Ts = F(T

m)

ESTRELAS DE NÊUTRONS – BAIXAS ENERGIAS

• Processos de acreção

ESTRELAS DE NÊUTRONS – MÉDIAS ENERGIAS

• Crosta de estrelas compactas


• Questões em aberto:

• Morfologia do campo magnético?

• Influência do campo magnético na EoS da crosta?

• Pastas?

• Conservação local ou global de cargas?

• Reações Pycnonucleares?


• Neutralidade de cargas: global ou local?

S.M. de Carvalho, R. Negreiros, Jorge A. Rueda, Remo Ruffini. Nov 19, 2014. 6 pp. Published in Phys.Rev. C90 (2014) 5, 055804

ESTRELAS DE NÊUTRONS – ALTAS ENERGIAS

Composição Microscópica Equação de Estado Estrutura Macroscópica

ESTRELAS DE NÊUTRONS – ALTAS ENERGIAS

EQUAÇÃO DE ESTADO

TRANSIÇÃO DE FASE

• Estrelas compactas compostas por uma mistura de matéria hadrônica e matéria de quarks (desconfinada).

• Matéria de quarks NÃO é considerada absolutamente estável.

TRANSIÇÃO DE FASE • Estrelas compactas compostas por uma mistura de matéria hadrônica e matéria de

quarks (desconfinada).


R. Negreiros, V.A. Dexheimer, S. Schramm, Phys.Rev. C 82, 035803 (2010)




Matéria de Quarks





Matéria de Quarks

Matéria hadrônica





Matéria de Quarks

Matéria hadrônica

Matéria Mista


“RECONCILIAÇÃO” DAS PROPRIEDADES NUCLEARES EM ESTRELAS DE NÊUTRONS

• Energia de simetria (e seu coeficiente angular)!

V. Dexheimer, R. Negreiros, S. Schramm Published in Rapid Communications Phys.Rev. C92 (2015) 1, 012801

EVOLUÇÃO TÉRMICA

• Precisamos de uma maneira adicional para restringir a Equação de Estado e composição de uma estrela compacta

• Precisamos usar todos os dados observacionais disponíveis.

• Existe uma grande quantidade de dados observacionais referentes as propriedades térmicas de estrelas compactas

Microscopic composition

Equation of State Macroscopic structure

EVOLUÇÃO TÉRMICA




Microscopic composition

Equation of State Macroscopic structure

EVOLUÇÃO TÉRMICA




Thermal Evolution

• Resfriamento estelar se dá de dentro pra for a!

EVOLUÇÃO TÉRMICA

RELEMBRANDO AS POSSÍVEIS ESTRUTURAS

EQUAÇÕES DE EVOLUÇÃO TÉRMICA

• Equações relativísticas para o balanço e transporte de energia.



Propriedades macroscópicas



Propriedades microscópicas

EVOLUÇÃO TÉRMICA - INGREDIENTES • Ingredientes Macroscópicos

Distância radial

Perfil de massa

Prefil de pressão

Perfil de densidade

Métrica

• Ingredientes microscópicos

Condutividade Térmica

Calor específico

Emissividade de Neutrinos

Emissividade de fótons

Emparelhamento

EVOLUÇÃO TÉRMICA – RESFRIAMENTO RÁPIDO/LENTO

R. Negreiros, V.A. Dexheimer, S. Schramm, Phys.Rev.C 82, 035803 (2010)



Slow



Fast

Slow



Core-Crust thermal coupling τc ~ 100 years

Fast

Slow

• Processo Urca direto leva ao resfriamento rápido

Evolução Térmica – resfriamento rápido/lento


Só ocorre quando existem conservação do momento:

Limiar: Fração de prótons ~ 11 – 15 %

Composição microscópica é fundamental para o resfriamento!



Só ocorre quando existem conservação do momento:

Limiar: Fração de prótons ~ 11 – 15 %

Composição microscópica é fundamental para o resfriamento!

Emparelhamento!!


• A importância do “miolo” de quarks

EVOLUÇÃO TÉRMICA – ESTRELAS HÍBRIDAS

Negreiros, Dexheimer, Schramm, Phys.Rev.C 85, 035805 (2012)

Evolução Térmica – Estrelas híbridas

Negreiros, Dexheimer, Schramm, Phys.Rev.C 85, 035805 (2012)

Model A

Evolução Térmica – Estrelas híbridas

• Vamos discutir os mais recentes avanços no estudo da evolução térmica de estrelas compactas.

• Os mais recentes dados observacionais também serão discutidos.

INTRODUÇÃO

CASSIOPEIA A

CASSIOPEIA A

● Supernova ocorreu ~ 300 anos atrás. ● Fonte de radio mais forte no céu. ● Extremamente fraca opticamente. ● Em 1999, Chandra detectou uma fonte quente de raios-X. ● A evolução quente desta fonte foi acompanhada por 10 anos.

CASSIOPEIA A

● Supernova ocorreu ~ 300 anos atrás. ● Fonte de radio mais forte no céu. ● Extremamente fraca opticamente. ● Em 1999, Chandra detectou uma fonte quente de raios-X. ● A evolução quente desta fonte foi acompanhada por 10 anos.

Cas A está resfriando muito rapidamente!

EVOLUÇÃO TÉRMICA DE ESTRELAS COM ROTAÇÃO NÃO-NULA

• Evolução Térmica de Estrelas de Nêutrons

Esfericamente simétricas

Composição “congelada”

• Nós introduzimos uma composição dinâmica.

EVOLUÇÃO TÉRMICA DE ESTRELAS COM ROTAÇÃO NÃO-NULA

• Evolução Térmica de Estrelas de Nêutrons

Esfericamente simétricas

Composição “congelada”

• Nós introduzimos uma composição dinâmica.

• Para sermos consistentes precisamos levar em conta a quebra de simetria esférica devido a rotação.

• Equações de evolução térmica.

Negreiros, Schramm and Weber, Phys.Rev. D85 (2012) 104019

Evolução Térmica de Estrelas com Rotação Não-Nula


Mg = 1.48, ec = 350 MeV/fm³, freq = 750 Hz




Polar hot spot




~80 years

Polar hot spot


AXIS-SYMMETRIC THERMAL EVOLUTION


PERSPECTIVAS

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