Ενότητα 5: Μη θερµική ακτινοβολία σε blazars: Ακτινοβολία Σύγχροτρον Φύλλο Φοιτητή

Transcript

1 ΑστροφυσικήΥψηλώνΕνεργειών Διδάσκ.:Β.Παυλίδου Ενότητα5:Σύγχροτρον 1 Ενότητα 5: Μη θερµική ακτινοβολία σε blazars: Ακτινοβολία Σύγχροτρον Φύλλο Φοιτητή Σκοπός της ενότητας αυτής: Η ακτινοβολία σύγχροτρον είναι ένας από τους πιο σηµαντικούς µηχανισµούς η θερµικής ακτινοβολίας στη φυσική υψηλών ενεργειών. Το χαρακτηριστικό της φάσµα και ο υψηλός βαθµός πόλωσής της µαρτυρά την ύπαρξη σχετικιστικών ηλεκτρονίων και ισχυρών µαγνητικών πεδίων, και µας επιτρέπει να µετρήσουµε την κατανοµή ενεργειών των πρώτων και την ένταση των τελευταίων. Ειδικά στους blazars, η ακτινοβολία σύχροτρον είναι υπεύθυνη για τη δηµιουργία της πρώτης φασµατικής κορυφής στο ευρύ φάσµα τους. Στην ενότητα αυτή θα επικεντρωθούµε στην κατανόηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών της ακτινοβολίας σύχροτρον και των συνεπειών της: ευρύτητα φάσµατος, ισχύς εκποµπής, απώλειες εξαιτίας της ακτινοβολιας σύχροτορον, πόλωση, αυτοαπορρόφηση. Θα προσπαθήσουµε να εξάγουµε µόνοι µας όλα τα ποιοτικά αυτά χαρακτηριστικά µε την ελάχιστη δυνατη άλγεβρα, και να τα εφαρµόσουµε στην περίπτωση των φλογαστέρων. Τι θα συζητήσουµε: A. Κίνηση σχετικιστικού σωµατίου σε µαγνητικό πεδίο B. Ολική Ισχύς της Ακτινοβολίας Σύχροτρον C. Συχνότητα D. Πόλωση E. Αυτοαπορόφηση F. Συνολικό φάσµα. G. Αυτο-απορροφούµενες πηγές επίπεδου φάσµατος (flat spectrum sources): blazars Γνώσεις και δεξιότητες που θέλουµε να αποκτήσουµε ή να φρεσκάρουµε (τα SOS!) : i. Να µπορούµε να επιχειρηµατολογίσουµε µε βάση τη φυσική για καθένα από τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας σύγχροτρον: γιατί εξαρτάται η ισχύς από τις συγκεκριµένες παραµέτρους; Γιατί εξαρτάται το φάσµα της από την κατανοµή ενεργειών των ηλεκτρονίων; Γιατί είναι πολωµένη; Γιατί είναι πολωµένη στην κατεύθυνση που είναι; Γιατί αυτοαπορροφάται; Γιατί το αυτοαπορροφούµενο φάσµα έχει την µορφή που έχει; Γιατί οι blazars έχουν επίπεδο φάσµα; ii. Να µπορούµε να αναγνωρίσουµε την κορυφή σύχροτρον και τις διαφορετικές της συνιστώσες σε ένα ευρύ φάσµα blazar. iii. Να µπορούµε να ζωγραφίσουµε ένα φάσµα σύχγροτρον κατά προσέγγιση για µια πηγή δεδοµένων χαρακτηριστικών.

2 ΑστροφυσικήΥψηλώνΕνεργειών Διδάσκ.:Β.Παυλίδου Ενότητα5:Σύγχροτρον 2 A. Κίνηση σχετικιστικού σωµατίου σε µαγνητικό πεδίο? Τι είδους κίνηση θα πραγµατοποιεί το φορτίο; Ζωγραφίστε την πιο πάνω Ενα τέτοιο σωµάτιο θα ακτινοβολεί ακτινοβολία σύγχροτρον, ως επιταχυνόµενο φορτίο.? Με αυτό το δεδοµένο, µπορεί η 2 η σχέση πιο πάνω να είναι αυστηρά σωστή;? Ποιο το µέτρο της επιτάχυνσης;? Ποια η συχνότητα της κυκλικής συνιστώσας της κίνησης; Το ηλεκτρικό πεδίο για ένα κινούµενο φορτίο δίνεται από την σχέση η έκφραση αυτή είναι γνωστή από τον ηλεκτροµαγνητισµό. Αυτό είναι το πεδίο Liénard Wiechert.? Ποιος όρος του πεδίου Liénard Wiechert επιζεί στην ακτινοβολία; Γιατί;

3 ΑστροφυσικήΥψηλώνΕνεργειών Διδάσκ.:Β.Παυλίδου Ενότητα5:Σύγχροτρον 3 Β. Ολική ισχύς της ακτινοβολούµενης ενέργειας? Πώς θα εξαρτάται η ολική ισχύς της ακτινοβολούµενης ενέργειας από την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου του κύµατος;? Από τη µορφή του πεδίου Liénard Wiechert και τη σχέση που υπολογίσαµε πιο πάνω για το µέτρο της επιτάχυνσης, ποια περιµένετε να είναι η εξάρτηση της ισχύος από τη µάζα; Από το µαγνητικό πεδίο;? Ποια περιµένετε να είναι η εξάρτηση της ισχύος από τον παράγοντα Lorentz του ακτινοβολούµενου σωµατίου;? Με δεδοµένες τις παραπάνω εξαρτήσεις, ποια περιµένετε να είναι η εξάρτηση της χρονικής κλίµακας απωλειών των ηλεκτρονίων λόγω σύγχροτρον (Synchrotron cooling time) από τη µάζα, το µαγνητικό πεδίο, και τον παράγοντα Lorentz?? Με βάση τα παραπάνω, ποια σωµάτια χάνουν την ενέργειά τους πρώτα; C. Συχνότητα? Να εκτιµήσετε τη συχνότητα στην οποία ένα ηλεκτρόνιο µε παράγοντα Lorentz γ εκπέµπει την µέγιστη ισχύ ακτινοβολίας Σύγχροτρον.

4 ΑστροφυσικήΥψηλώνΕνεργειών Διδάσκ.:Β.Παυλίδου Ενότητα5:Σύγχροτρον 4? Με βάση το παραπάνω σχηµα, πόσο διαρκεί κάθε παλµός σύγχροτρον που µπορεί να ανιχνεύσει ο παρατηρητής στο σύστηµα αναφοράς του ηλεκτρονίου; Στο σύστηµα αναφοράς του παρατηρητή;? Με βάση τη διάρκεια του παλµού, περιµένετε το εύρος συχνοτήτων από ένα µόνο ηλεκτρόνιο να είναι µικρό ή µεγάλο;? Αν η εξάρτηση της ακτινοβολούµενης ισχύος από τη συχνότητα είναι P F(ω/ω c ) και η σταθερά αναλογίας δεν περιέχει κανέναν παράγοντα γ (πράγµα το οποίο πράγµατι ισχύει, βλ. Rybicki & Lightman 6.18), να γράψετε ένα ολοκλήρωµα που να δίνει την ισχύ της ακτινοβολούµενης έντασης από µια κατανοµή ηλεκτρονίων µε ενέργειες N E -p συναρτήσει της συχνότητας D. Πόλωση? Πίσω στο πεδίο Liénard Wiechert. Να γράψετε τη µορφή του πεδίου επιτάχυνσης σε ένα σύστηµα συντεταγµένων µε διανύσµατα βάσης παράλληλα στην κατεύθυνση παρατήρησης, n, στην προβολή του µαγνητικού πεδίου στο πεδίο του ουρανού, e//, και στην κάθετη των δυο προηγούµενων, e.? Ποια συνιστώσα ενισχύεται όταν προσθέτουµε πολλά ηλεκτρόνια µε τυχαίες κατευθύνσεις στην ταχύτητά τους;? Ποια συνιστώσα αλληλοκαταργείται;? Ποια συνιστώσα δεν υπάρχει; γιατί;? Ποια η κατεύθυνση πόλωσης της ακτινοβολίας σύχγροτρον? Άρα, τι πληροφορία µας δίνει η παρατήρηση της κατεύθυνσης της πόλωσης στην ακτινοβολία σύγχροτρον;? Πώς µπορώ να κάνω την ακτινοβολία σύγχροτρον λιγότερο πολωµένη; Άρα, τι πληροβορία µας δίνει η παρατήρηση του βαθµού πόλωσης της ακτινοβολίας σύγχροτρον; Ε. Αυτοαπορρόφηση Η ακτινοβολία σύγχροτρον αυτοαπορροφάται όταν η πυκνότητα των ηλεκτρονίων είναι µεγάλη, τότε τα φωτόνια σύγχροτρον, παρουσία του µαγνητικού πεδίου, µπορούν να δώσουν την ενέργειά τους στα ηλεκτρόνια. Στην περιοχή αυτή, το φάσµα έχει πάντοτε την ίδια εξάρτηση από την συχνότητα: F ν 2.5 Ο συντελεστής απορρόφησης είναι

5 ΑστροφυσικήΥψηλώνΕνεργειών Διδάσκ.:Β.Παυλίδου Ενότητα5:Σύγχροτρον 5? Ποιο το οπτικό βάθος συναρτήσει του συντελεστή απορρόφησης;? Να βρείτε την εξάρτηση της συχνότητας στην οποία η αυτοαπορρόφηση γίνεται σηµαντική από το µαγνητικό πεδίο και από την ακτίνα.? Στους blazars υπάρχουν 4 περιοχές στην κορυφή σύχροτρον µε διαφορετικές εξαρτήσεις από τη συχνότητα. Ποιες δύο συζητήσαµε ήδη;? Μπορείτε να σκεφτείτε ποιες είναι οι άλλες δύο; Η µία είναι µοναδική στους blazars, η άλλη έχει να κάνει µε cooling...

6 ΑστροφυσικήΥψηλώνΕνεργειών Διδάσκ.:Β.Παυλίδου Ενότητα5:Σύγχροτρον 6 Ασκήσεις 1. (11β) Η παρακάτω καµπύλη δείχνει το ενεργειακό φάσµα ηλεκτρονίων που ακτινοβολούν σύχροτρον σε χρόνο t=0 και t=10kyr. Να σχεδιάσετε το ενεργειακό φάσµα (α) πρωτονίων σε χρόνο t = 10kyr. (β) ηλεκτρονίων σε χρόνο t=50kyr. (γ) Ηλεκτρονίων σε 10kyr αν η ίδια πηγή είχε διπλάσιο µαγνητικό πεδίο. Log N Log E 2. (12β) Διαβάστε στην πηγή της προτίµησής σας για το φάσµα της σύγχροτρον στην περιοχή της αυτοαπορρόφησης. Μπορείτε να εξηγήσετε φυσικά γιατί η εξάρτησή του από τη συχνότητα είναι πάντοτε η ίδια; 3. (12β) Αναγνωρίστε τις διαφορετικές περιοχές του φάσµατος Σύγχροτρον για τον Markarian 501 στην πιο κάτω εικόνα (τα δεδοµένα, όχι το µοντέλο! Γιατί νοµίζετε ότι το µοντέλο αποτυγχάνει σε χαµηλές συχνότητες;) Βιβλιογραφία: Rybicki & Lightman κεφάλαιο 6 Rosswog & Brueggen, Σηµειώσεις του Andrew Cumming από το McGill: