IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Una mirada al Universo profundo en rayos X Xavier Barcons Instituto de Física de Cantabria.

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1 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Una mirada al Universo profundo en rayos X Xavier Barcons Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC)

2 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Indice Motivación y herramientas –El Universo en rayos X –Los observatorios modernos de rayos X: Chandra y XMM- Newton –Algunos hitos recientes en Astronomía de rayos X El medio intergaláctico caliente Galaxias Activas y el Universo oscurecido –AGNs atípicos: cuestionando el modelo unificado –Rastreando el cielo: Resultados del programa AXIS –Cielo profundo en rayos X Retos para el futuro

3 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X ¿Cómo empezó la Astronomía de rayos X? 18 de Junio de 1962: Giacconi y colaboradores envian un cohete (Aerobee) a más de 80 km de altura durante 5 min con 3 detectores de rayos X. Objetivo: detectar los rayos X solares reflejados en la Luna. Se descubren dos hechos sorprendentes: Una fuente extremadamente brillante en rayos X y muy poco aparente en el óptico (Sco X-1) Una radiación difusa por todas direcciones (la radiación cósmica de fondo de rayos X) Y, por supuesto, la Luna no se ve... …!hasta el año1990!

4 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Sco X-1 FRX

5 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Riccardo Giacconi (Génova 1931) 2000 1962 Premio Nobel de Física 2002

6 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Procesos cósmicos que producen radiación X Plasmas (gases ionizados) a temperaturas de millones de grados (bremsstrahlung y lineas) Electrones muy energéticos en campos magnéticos intensos (sincrotrón) Efecto Compton inverso sobre electrones energéticos. Material en caída hacia objetos compactos o agujeros negros (discos de acreción) Cascadas de pares electrón-positrón

7 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Los grandes observatorios Chandra (NASA) Julio 1999 XMM-Newton (ESA) Diciembre 1999

8 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X ¿Cómo funciona un telescopio de rayos X?

9 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Chandra Cámara de Alta Resolución (HRC): Placa Micro-Canal Espectrómetro CCD Avanzado (ACIS) Red de Transmisión de baja energía (LETG): 0.08-2 keV, E/  E=30-2000 (+HRC-S) Red de Transmisión de Alta Energía (HETGS): 0.4-10 keV, E/  E  1000 (+ACIS-S) Espectroscopía de baja resolución (E/  E~20-50) espacialmente resuelta (0.5“). Espectroscopía dispersiva de resolución intermedia (0.02- 0.04 Ang, E/  E~200-500)

10 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X XMM-Newton Espectroscopía de baja resolución (E/  E~20-50) espacialmente resuelta (15“). Espectroscopía dispersiva de resolución intermedia (0.03- 0.06 Ang, E/  E~200-500) EPIC: (3) Cámaras CCD de imagen espectroscópica. 0.1-12 keV (2) Espectrógrafos dispersivos por reflexión (RGS): 0.05-3 keV (1) Monitor óptico (OM): imagen óptica/UV y grismas.

11 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Comparación de Chandra y XMM-Newton XMM-Newton : Area efectiva 0.4 m 2 Resolución angular: 15 ’’ HEW Sensitividad límite: 10 -15 erg cm -2 s -1 Chandra: Area efectiva: 0.08 m 2 Resolución angular: 0.5 ’’ HEW Sensitividad límite: <10 -16 erg cm -2 s -1

12 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X N132D SNR Fe line OVII OVIII

13 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X SNRs y Púlsares EL Púlsar del Cangrejo Chandra Púlsar

14 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Campo Magnético en estrellas de neutrones aisladas Primera detección de líneas de absorción ciclotrón en una estrella de neutrones aislada: medida directa del campo magnético. B~8 x 10 10 Gauss Bignami, Caraveo, De Luca & Mereghetti 2003 Líneas ciclotrón 1E1207.4–5209

15 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X El centro Galáctico en rayos X

16 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Cúmulos de galaxias Coma Sérsic 159-03

17 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X ¿Cooling flows, calentemiento, turbulencia,…? Fe L O VIII Mg XII Ausencia de líneas de emisión de Fe L La temperatura del gas intracúmulo no baja de 1/3 de la temperatura “exterior” Calentamiento del gas en el centro de los cúmulos Gran cantidad de gas a 300000K (FUSE)

18 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X El medio intergaláctico caliente (WHIM) Una importante fracción de la materia bariónica se encuentra en el medio intergaláctico a T~10 5 -10 7 K El IGM está más caliente a redshift más bajo debido a la caida de los bariones en los pozos de potencial. Podría incluso estar a temperaturas mayores debido al calentamiento derivado de la formación estelar y de la actividad en los AGNs. Davé et al 2002 Las simulaciones predicen:

19 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Historia térmica del WHIM Davé et al (2001)

20 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Detección del WHIM asociado al grupo local Nicastro et al 2002 ChandraFUSE

21 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X OVII del WHIM local Rasmussen et al 2002 XMM-Newton

22 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X “Detección” del WHIM más allá del grupo local Mathur et al 2002 H1821+643, z=0.297 Detección 2  de absorbentes OVII, OVIII,NeIX, en sistemas previamente conocidos z=0.12-0.27

23 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X ¿Detección de un grupo de galaxias “frío” en absorción? Barcons, Paerels et al 2004 Pks0548-322, z=0.069 Detección (3.6  ) de OVI en absorción a z=0.058 EW=30 mA, implica turbulencia >200 km/s No hay rastro de OVII o OVIII, T~10 5 K Zona permitida

24 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X (Chris Done, Univ of Durham) La visión de los AGN en rayos X C. Done, Durham U

25 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X El espectro en rayos X de los AGN nRadiación del disco de acreción reprocesada por una corona de electrones energéticos nReflexión (línea del Fe y “retroceso” Compton) nAbsorbentes nExceso blando (radiación directa del disco)

26 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X La variedad de perfiles de la línea de Fe K Nandra (2001) Reeves et al (2001) Disco Toroide XMM ASCA

27 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Efectos relativistas en la línea de MCG-6-30-15 Iwasawa et al. (1996, 1999) 19941997 t Mín Flare Fabian et al 2002 XMM ASCA

28 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Absorbentes (parcialmente) ionizados H1419+480 z=0.07229 IUE XMM-Newton Barcons, Carrera & Ceballos 2003b Absorbentes ionizados en RX ~ Absorbentes “asociados” en UV

29 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Absorbentes ionizados en ata resolución espectral Sako et al 2001

30 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X La importancia la absorción: el fondo de rayos X y el modelo unificado para AGNs La densidad espectral de energía es máxima a ~30 keV Modelo unificado: Mezcla de AGNs, con distintas cantidades de absorción fotoeléctrica reproduce el fondo de rayos X Predicciones: –La mayoría de la acreción se produce en AGNs absorbidos –Deben existir grandes cantidades de Cuásares absorbidos a alto redshift Gilli et al 2000

31 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X AGNs atípicos: cuestionando el modelo unificado Barcons, Carrera & Ceballos 2003 H1320+551, z=0.0653 Seyfert 1.8/1.9 H  /H  >27 Absorción esperada: >10 22 cm -2 XMM-Newton: Disco + reprocesado Absorción<10 20 cm -2

32 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Cuásares de tipo 2 Seleccionado por su emisión en rayos X QSO con líneas estrechas a z=1.246 Luminosidad X > 10 45 erg/s Radiofuente doble Emisión X no relacionada con los lóbulos radio AGN normal moderadamente absorbido en rayos X Barcons et al 1998 Barcons et al 2003 XMM VLA

33 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X El muestreo del Survey Science Centre de XMM-Newton Cada apuntado de XMM-Newton descubre ~30-150 nuevas fuentes de rayos X. En un año, se añaden entre 30000 y 50000 nuevas fuentes El muestreo del Survey Science Centre consiste en: –Programa central: 1000 fuentes brillantes 1000 fuentes intermedias 1000 fuentes débiles 1000 fuentes en el plano Galáctico –Imágenes ópticas de muchos campos de XMM-Newton –Identificaciones estadísticas OY Car

34 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X El Programa AXIS (An XMM- Newton International Survey) Espina dorsal del programa de identificación del SSC ~85 noches en INT, NOT, TNG y WHT (Abril 00-Abril 02) Multipropósito, pero concentrado en: –Flujos intermedios –Flujos brillantes –Plano galáctico –Imagen óptica Consorcio: IFCA, IAC, LAEFF, VILSPA, Leicester, MPE, AIP, MSSL, CESR, Bristol, OAS, Brera, Central Lancashire, Cambridge.

35 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X AXIS: Identificaciones fuera del plano galáctico 152+28 BLAGN 29+12 NELG 13+8 Galaxias 2 BL LAC 54+8 Estrellas

36 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Galaxias sin líneas de emisión, fuertemente emisoras en X z=0.044 L X =10 42 erg/s TNG Subaru  =1.7 N H =2 10 23 cm -2 XMM

37 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X XMS: Muestra a flujos intermedios (> 2 10 -14 erg/cm 2 /s)

38 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X XMS: Magnitud óptica frente a flujo en rayos X F X /F opt =1 F X /F opt =10

39 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X XMS: Enrojecimiento óptico a flujos débiles

40 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X XMS: Colores ópticos QSOs Galaxias tempranas

41 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Índice espectral en rayos X (  ) Ley de potencias simple N H no detectado dN(E)/dE  E -  Ley de potencias absorbida dN(E)/dE  exp(-  abs (E)N H )E -  Mateos et al (2004a)

42 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X ¿Evolución espectral?

43 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Absorción fotoeléctrica Fuentes con exceso blando Absorción en: 10% de los AGN de tipo 1 40% de los AGN de tipo 2 Todas las Galaxias sin líneas de emisión

44 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X XMMU J061515.2+710204 S 0.5-4.5 keV = 7.2 x 10 -14 erg cm -2 s -1 z=0.872 N H =2.8  10 21 cm -2 Broad-Line AGN L 2-10 =3.2  10 44 erg s -1 WHT/ISIS XMM

45 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Comparación con modelos para el fondo de rayos X Source too faint Abs too low Source too faint Los modelos predicen el doble de fuentes absorbidas Faltan las más absorbidas N H > 10 22 cm -2

46 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Las observaciones más profundas con Chandra La mayoría (50%) de la emisión X (acreción en AGNs) en el Universo ocurre a z<1 Fuentes progresivamente más enrojecidas, incluyendo EROs. Tozzi et al 2001, Barger et al 2003, Alexander et al 2003

47 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X La observación más profunda con XMM-Newton

48 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Resultados preliminares en el “Lockman Hole” AGN de tipo 1 (15): –Ninguno absorbido –Buen ajuste con  2 –4 tienen excesos blandos, con kT~0.1-0.4 keV, todos variables espectralmente –Adicionalmente, otro presenta variaciones temporales en el índice espectral AGN de tipo 2 (6): –5 absorbidos con N H =10 21 - 2 10 23 cm -2 (uno de ellos muy variable) –1 no absorbido No identificadas (4): –1 altamente absorbida, con una componente de “scattering” y línea de emisión de Fe Mateos et al 2004b

49 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Variabilidad espectral en AGN de tipo 1 AGN tipo 1 (líneas anchas) z=0.784 N H =0  =1.7-2.0 =1.83

50 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Variabilidad espectral en AGN de tipo 2 Source #94; AGN tipo 2; z=0.205 Mateos et al 2004b

51 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X AGN de tipo 2 sin absorción AGN de tipo 2 (líneas estrechas) z=0.711  =1.8 N H =0

52 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Fuente no identificada, fuertemente absorbida y con 5% de scattering  =2.1±0.1 N H =5 10 22 cm -2 f=95% z~1, si es la línea Fe K Prototipo de fuente de rayos X a flujos débiles

53 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Algunas conclusiones La mayoría de la emisión en Rayos X en el Universo, es debida a acreción en agujeros negros supermasivos. La acreción “oscurecida” en AGNs enrojecidos se vuelve más importante a flujos débiles Cerca del 50% de la energía generada por acreción a z<1, historia reciente Generalmente consistente con los modelos unificados de AGNs, pero: –Existen AGNs de tipo 2 NO absorbidos en rayos X –Un 10% de los AGNs de tipo 1 están absorbidos en rayos X –Existen AGNs de muy baja actividad, dificilmente detectable en el óptico, pero fuerte en rayos X.

54 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Retos para el futuro Cosmología de precisión, usando cúmulos de galaxias Evolución química del Universo Formación y evolución de los agujeros negros supermasivos y su relación con la formación de galaxias Caracterización del medio intergaláctico caliente Las primeras grandes estructuras en el Universo Efectos de la gravedad fuerte en los alrededores de agujeros negros

55 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X DUO (Dark Universe Observatory) Cluster survey mission combining X- ray dedicated obs with ground based observations Free-flyer version of ABRIXAS/ROSITA, focusing on 1º FOV CCD detector. Proposed to NASA as SMEX (PI: R.E. Griffiths), with significant European participation. Under Phase A now. Obtain cosmological parameters to high precision from cluster redshift counts and power spectrum (0<z<1.5)

56 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X DUO k [h Mpc -1 ] [h -1 Mpc] MM EE w

57 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X XEUS (X-ray Evolving Universe Spectroscopy) Collaborative ESA/JAXA mission Under pre-phase A study Major X-ray observatory, separate mirror (MSC) and detector (DSC) spacecrafts (active alignment 50 m) Broadband response 0.1-50 keV (incl multilayer coating) 10-30 m 2 @ 1 keV, 5” (goal 2”) Instruments: –Large FOV CCD/DFET (5’) –Cryogenic 1’ imaging spectrographs, 2(1)eV @ 1 keV, 5 eV @ 6 keV –High energy detector –High count rate detector –Extended Field of View Imager (15’)

58 IAC, 29 Enero 2004 Una mirada profunda al Universo con rayos X Ciencia con XEUS AGN a z=7 WHIM Primeros AGN Grupo de galaxias Evolución Química Cerca del Agujero Negro de 3C273