Πηγές, επιτάχυνση Κοσμικών Ακτίνων

Transcript

1 Πηγές, επιτάχυνση Κοσμικών Ακτίνων

2 Διαστάσεις Γαλαξία Διαστάσεις Γαλαξία: Ακτίνα 5 kpsc, ύψος δίσκου 500 psc (psc= 3, 0 6 m). Ο ήλιος βρίσκεται σε απόσταση 8,5 kpc από το κέντρο του γαλαξία. Πυκνότητα κατά μέσον όρο p /cm 3, υπάρχουν περιοχές με διαστασεις 0 pc όπου η πυκνότητα είναι πολλές χιλιάδες φορές μεγαλύτερη και ονομάζονται μοριακά νέφη. Η κεντρική περιοχή περίπου 4kpc έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από το δίσκο και καλύπτεται από μοριακά νέφη. Επίσης περιβάλεται με άλω υψους pc

3 Μαγνητικό πεδίο γαλαξία Το μαγνητικό πεδίο του γαλαξία διευθύνεται εφαπτομενικά προς τις σπείρες. Είναι ισχυρότερο κοντά στο κέντρο του γαλαξία. Στην περιοχή του ήλιου είναι περίπου μg και αυξάνει προς το κέντρο του γαλαξία. Πρόσφατες εκτιμήσεις δίδουν μέση τιμή 5-6 μg.

4 Μαγνητικό πεδίο Γαλαξία Το μαγνητικό πεδίο παγιδεύεται στο πλάσμα το οποίο συμπεριφέρεται σαν μαγνητο-υδροδυναμικό υγρό. Παράδειγμα: Στις σπείρες του γαλαξία το μαγνητικό πεδίο είναι Gauss. H πυκνότητα ενέργειας του μαγνητικού πεδίου είναι ρυ = Β 8π B 8π 0 4, 0 3 erg / cm Η ενέργεια είναι συγκρίσιμη με την πυκνότητα ενέργειας των κοσμικών ακτίνων,5 0 - erg/cm 3!

5 Μοντέλο διάδοσης Οι K.A. παράγονται από τις πηγές (Πιθανότερες πηγές είναι οι υπερκαινοφανείς). Στη διαδρομή αντιδρούν με την διαστρική ύλη. Μετά από κάποιο χρόνο διαφεύγουν από τον γαλαξία. Από τις δευτερογενείς αντιδράσεις παράγονται νέα σωματίδια μικρότερης ενέργειας. Το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία. Όσα σωματίδια παράγονται τόσα χάνονται.

6 Διαφυγή ακτίνων Αν αγνοήσουμε τη δευτερογενή παραγωγή σωματιδίων ο αριθμός σωματιδίων Ν με ενέργεια Ε : t N(,t ) = N 0 ( )exp( ) τ όπου τ esc ο μέσος χρόνος διαφυγής από το «κουτί». esc Η μέση πυκνότητα που διασχίζει είναι λ esc = ρβcτ esc όπου ρ η πυκνότητα της διαστρικής ύλης και βc η ταχύτητα του σωματιδίου Από τα πειραματικά δεδομένα προκύπτει ότι το μήκος διαφυγής στις μικρές ενέργειες είναι σταθερό και ανεξάρτητο από το είδος του πυρήνα. (C, O, Fe, κ.α.) Αντί για χρόνο διαφυγής χρησιμοποιούμε μήκος διαφυγής για να είναι συγκρίσιμο με το μήκος αντίδρασης.

7 Για ακαμψίες μικρότερες από 4 GV, ο χρόνος παραμονής είναι ανεξάρτητος από την ενέργεια του σωματιδίου. Το μήκος διαφυγής είναι 0.8 g/cm Ο τύπος δίνει για πρωτόνια με ακαμψία 0 GV, λ esc = 6, g/cm ενώ gia πυρήνα ηλίου ίδιας ακαμψίας, λ esc = 9,5 g/cm.

8 Ελάττωση αριθμού N(, x,t ) = x N exp( ( + λ t γτ 0 )) Αντίδραση Διάσπαση Για πρωτόνια, το μήκος αντίδρασης είναι 50,8 g/cm, ενώ δεν διασπώνται.άρα ο σημαντικότερος παράγοντας απώλειας για τα πρωτόνια είναι η διαφυγή. Για τον άνθρακα το μήκος αντίδρασης είναι 6,4 g/cm και σίδηρο,6 g/cm.

9 Λόγος αριθμού πυρήνων βορίου προς αριθμό πυρήνων άνθρακα, σαν συνάρτηση της ενέργειας. Ο Άνθρακας θεωρείται πρωτογενές στοιχείο, ενώ το Βόριο δημιουργείται από το spalation του Άνθρακα. Το ποσοστό του Βορίου εξαρτάται από το μήκος της διαδρομής του πυρήνα άνθρακα στον γαλαξία, Από το διάγραμμα προκύπτει ότι η διαδρομή είναι μικρότερη στις μεγάλες ενέργειες άρα και ο χρόνος παραμονής των πυρήνων.

10 Υπολογισμός χρόνου διαφυγής Μετρώντας τον λόγο ενός ασταθούς ισοτόπου σε προς το σταθερό. Tο 0 Be είναι ασταθές με χρόνο ζωής,6 0 6 y και συγκρίνουμε το ποσοστό του σε σχέση με το σταθερά 9 Be και 7 Be. Δορυφορικές μετρήσεις (ΙΜΡ, Voyager ) δίνουν χρόνους 8-30 x0 6 y Άλλες μετρήσεις: (Ulysses) 6 Al/Al 6±3 0 6 y 36 Cl/Cl ±6 0 6 y Μέσος όρος; τ esc =5 ± 0 6 y ρ ΙΣΜ =0.39 ±0.05 cm -3 d halo =.8 ±0. kpc

11 Υπολογισμός χρόνου διαφυγής Για ακαμψίες μικρότερες από 4 GV ο χρόνος παραμονής είναι ανεξάρτητος από την ενέργεια του σωματιδίου. Το μήκος διαφυγής είναι 0.8 g/cm Ο τύπος δίνει για πρωτόνια με ακαμψία 0 GV έχει =6, g/cm ενώ ένας πυρήνας ηλίου ίδιας ακαμψίας 9,5 g/cm.

12 Επιτάχυνση στα Μαγνητικά Νέφη, Κύμα Κρούσης Τα κελύφη των σουπερνόβα είναι οι πιο πιθανοί τόποι επιτάχυσης επειδή επεκτείνονται με μεγάλη ταχύτητα, έχουν ισχυρό μαγνητικό πεδίο, και μεγάλο χρόνο ζωής. Τα κοσμικά σωματίδια επιταχύνονται στο κρουστικό κύμα που δημιουργείται από την εκτινασσόμενη ύλη στους υπερκαινοφανείς. Ένα μικρό ποσοστό της ενέργειας του κρουστικού κύματος μεταφέρεται στις κοσμικές ακτίνες.

13 Κύμα κρούσης σε Υ.Κ.

14 Υπολογισμός ισχύος που διαφεύγει από τον γαλαξία λόγω κοσμικών ακτίνων. Χρόνος παραμονής ακτίνων στον γαλαξία: t GD =0 7 y Πυκνότητα ενέργειας κοσμικών ακτίνων : ρ Ε = 0,5 ev/cm 3 Θεωρούμε το γαλαξία δίσκο ακτίνας 5 kpc και ύψους 500 pc Όγκος Γαλαξία: V GD =0 67 cm 3 Οι ακτίνες διαφεύγουν από το Γαλαξία και η ισχύς που διαφεύγει από τον Γαλαξία είναι: L CR = (V GD ρ Ε )/t GD =30 40 erg/s Αρκούν 3 εκρήξεις σουπερνόβα με μάζα 0 ηλιακών. Το κέλυφος τους απλώνεται με ταχύτητα 50 8 cm/century. Ελευθερώνουν ενέργεια Q=30 4 erg/s. Περίπου 00 φορές την ενέργεια που διαφεύγει λόγω των κοσμικών ακτίνων. Αρκεί λοιπόν ένας μηχανισμός με απόδοση % για να παραχθούν οι παρατηρούμενες κοσμικές ακτίνες.

15 Επιτάχυνση σε νέφη, μηχανισμός Fermi ης τάξης Δ 0 ξ = = γ ( + β ) 0 Μέση τιμή < ξ >= 4 3 β Μετά από n κρούσεις + n n = 0 ( ξ ) Επειδή η μεταβολή της ενέργειας εξαρτάται απ ο το τετράγωνο του, β δεν είναι αποδοτικός

16 Υπολογισμός Ε p c u ΔΕ η ένέργεια εισόδου και Ε = γ = = γ ( u Τελικά : β = γ ( + β p ) = γ Τελικά ταχύτητα νέφους Αντικαθιστώντας από την () = γ ( β ( + β ) p ) β ) = γ u = c Ενέργεια στο σύστημα νέφους μετά από ελαστική" κρούση": η ενέργεια εξόδου ( β ) ( + β )

17 Μηχανισμός στοχαστικής επιτάχυνσης ης τάξης Σκέδαση σε κύμα κρούσης

18 Υπολογισμός για νέφος Επαναλαβάνουμε τους υπλογισμούς, παίρνοντας τις προβολές της ταχύτητας του σωματιδίου στην ταχύητα του νεφους Στο νέφος οι γωνίες μετά τη σκέδαση είναι ομογενείς dn dcosθ cosθ = cons tan t = 0 cosθ = γ = γ ( ( β β p p 0 0 cosθ ) 0 cosθ ) β cosθ + β cosθ β cosθ cosθ = β Αντικαθιστώντας την μέση τιμή του cosθ Δ β cos θ = β

19 Υπολογισμός για νέφος Για τα νέφη, η πιθανότητα κρούσης είναι ανάλογη της σχετικής ταχύτητας ανάμεσα στο νέφος και το σωματίδιο. ξ = + β 3 β 4 3 β

20 Υπολογισμός για επίπεδο κύμα κρούσης Δ = β cosθ + β cosθ β β cosθ cosθ V = u + u u < u V β = c Μέση τιμή του cosθ dn dcosθ cosθ = cosθ b = 3 0 cosθ

21 Υπολογισμός για επίπεδο κύμα κρούσης Αντικαθιστώντας τη μέση τιμή του cosθ βcosθ + β β cosθ = 3 3 β Δ β) Για το κύμα η κατανομή του cosθ είναι η προβολή μιας ισοτροπικής ροής σε ένα επίπεδο με cosθ έτσι 0 cosθ = b 3 Τελικά το σωματίδιο κερδίζει ενέργεια με ρυθμό: 4 ξ β = 3 u S c u R