Μελέτη των ακτινοβολιακών ασταθειών και της επιτάχυνσης σωματιδίων σε συμπαγείς μαγνητισμένες πηγές

Διδακτορική Διατριβή uoadl:1309123 410 Αναγνώσεις

Μονάδα:
Τομέας Αστροφυσικής, Αστρονομίας και Μηχανικής
Βιβλιοθήκη Σχολής Θετικών Επιστημών
Ημερομηνία κατάθεσης:
2014-06-05
Έτος εκπόνησης:
2013
Συγγραφέας:
Πετροπούλου Μαρία
Στοιχεία επταμελούς επιτροπής:
Απόστολος Μαστιχιάδης Αναπλ. Καθηγητής ΕΚΠΑ (επιβλέπων), Νεκτάριος Βλαχάκης Επίκ. Καθηγητής, Tsvi Piran Καθηγητής Ινστιτούτο Φυσικής Racah, Πανεπιστήμιο Hebrew
Πρωτότυπος Τίτλος:
Μελέτη των ακτινοβολιακών ασταθειών και της επιτάχυνσης σωματιδίων σε συμπαγείς μαγνητισμένες πηγές
Γλώσσες διατριβής:
Ελληνικά
Μεταφρασμένος τίτλος:
A study on radiative instabilities and particle acceleration in magnetized compact sources
Περίληψη:
Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται σε δύο ερευνητικά αντικείμενα αστροφυσικού
ενδιαφέροντος: σε πιθανές ακτινοβολιακές αστάθειες που μπορούν να αναπτυχθούν
εντός συμπαγών πηγών ακτίνων γάμμα και στην ακτινοβολία μετάλαμψης που
ακολουθεί τις πιο βίαιες εκρήξεις στο σύμπαν, δηλαδή των εκλάμψεων ακτίνων
γάμμα (Gamma-Ray Bursts – GRBs). Το πρώτο αντικείμενο, παρότι είναι περισσότερο
θεωρητικού ενδιαφέροντος, έχει σημαντικές συνέπειες για αστροφυσικές πηγές,
όπως οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες (Active Galactic Nuclei – AGN). Αντί να
μελετήσουμε τις εφαρμογές ακτινοβολιακών ασταθειών οι οποίες ανακαλύφθηκαν στο
παρελθόν, στην παρούσα εργασία θα επικεντρωθούμε σε μια αστάθεια που
ανακαλύφθηκε μόλις πρόσφατα και ονομάζεται ‘αυτόματη απορρόφηση/απόσβεση
ακτίνων γάμμα’. Αρχικά, προσδιορίσαμε τις συνθήκες οι οποίες επιτρέπουν την
ανάπτυξη της αστάθειας. Για το σκοπό αυτό, μελετήσαμε χρησιμοποιώντας
αναλυτικές μεθόδους την ευστάθεια των λύσεων ισορροπίας οι οποίες περιγράφουν
το φυσικό σύστημα: οι ακτίνες γάμμα, οι οποίες παράγονται μέσω κάποιου μη
θερμικού μηχανισμού εκπομπής, εισέρχονται με σταθερό ρυθμό σε μια σφαιρική
περιοχή η οποία περιέχει μαγνητικό πεδίο (η έντασή του θεωρείται ομοιόμορφη και
η κατεύθυνσή του τυχαία), ενώ την ίδια στιγμή μπορούν να διαφύγουν από την
περιοχή. Στη συνέχεια, προσδιορίσαμε την διαδικασία εκπομπής η οποία είναι
υπεύθυνη για την εκπομπή ακτίνων γάμμα. Συγκεκριμένα, υποθέσαμε ότι οι ακτίνες
γάμμα είναι το αποτέλεσμα ακτινοβολίας σύγχροτρον των δευτερογενών ηλεκτρονίων,
τα οποία προέρχονται από την διάσπαση φορτισμένων πιονίων. Τα τελευταία
παράγονται μέσω φωτοπιονικών αλληλεπιδράσεων σχετικιστικών πρωτονίων με το
υπάρχον πεδίο φωτονίων. Με άλλα λόγια, μελετήσαμε τις ιδιότητες της ‘αυτόματης
απορρόφησης ακτίνων γάμμα’ στα πλαίσια ενός μαγνητισμένου σχετικιστικού
λεπτοαδρονικού πλάσματος, δηλαδή ενός μαγνητισμένου πλάσματος που αποτελείται
αρχικά από σχετικιστικά πρωτόνια, ηλεκτρόνια και, σε ορισμένες περιπτώσεις,
φωτόνια. Χρησιμοποιώντας την ανάλυση ιδιοτιμών/ιδιοσυναρτήσεων για το
γραμμικοποιημένο σύστημα εξισώσεων που περιγράφει το φυσικό σύστημα,
προσδιορίσαμε τα κριτήρια που επιτρέπουν την ανάπτυξη της αστάθειας και δείξαμε
ότι, αν αυτά ικανοποιούνται, τότε η δυναμική του συστήματος πρωτονίων-
ηλεκτρονίων-φωτονίων μοιάζει με εκείνη ενός δυναμικού συστήματος ‘θηράματος-
θηρευτή’. Σε ορισμένες περιπτώσεις, δείξαμε αναλυτικά ότι η καμπύλη φωτός και η
ενεργειακή πυκνότητα των πρωτονίων μεταβάλλονται περιοδικά με το χρόνο. Επίσης
ελέγξαμε τα αναλυτικά μας αποτελέσματα έναντι εκείνων στα οποία καταλήξαμε
κάνοντας χρήση της αριθμητικής επίλυσης του πλήρους συστήματος των εξισώσεων.
Τέλος, εφαρμόσαμε τις ιδέες της ‘αυτόματης απόσβεσης ακτίνων γάμμα’ στους
μπλέιζαρς ακτίνων γάμμα που αποτελούν μια υποκατηγορία των ενεργών γαλαξιακών
πυρήνων. Στόχος μας ήταν να χρησιμοποιήσουμε την αστάθεια της ‘αυτόματης
απόσβεσης’ για να περιορίσουμε τον παραμετρικό χώρο που χρησιμοποιείται στη
μοντελοποίηση της ακτινοβολίας από τους μπλέιζαρς. Συγκεκριμένα, επιλέξαμε τον
κβάζαρ 3C 279 ο οποίος αποτελεί ένα πρωτότυπο αυτής της κλάσης ενεργών
γαλαξιών. Το δεύτερο ερευνητικό αντικείμενο σχετίζεται με την μακράς διάρκειας
πολυκυματική ακτινοβολία που ακολουθεί την ίδια την έκλαμψη ακτίνων γάμμα, και
η οποία είναι πλέον γνωστή ως ‘ακτινοβολία μετάλαμψης’. Η θεωρητική κατανόηση
της φυσικής που διέπει την φάση της μετάλαμψης άλλαξε ριζικά μετά τις πρώτες
παρατηρήσεις ακτίνων Χ που πραγματοποιήθηκαν από το δορυφόρο Swift, που τελικά
αποκάλυψαν μια ολόκληρη νέα κλάση καμπύλων φωτός στις ακτίνες Χ. ΄Ενα από τα
νέα χαρακτηριστικά είναι ότι η ροή ακτινοβολίας στις ακτίνες Χ, γενικά, δεν
ελαττώνεται ακολουθώντας έναν απλό νόμο δύναμης με το χρόνο αλλά αποτελείται
από πολλά διαφορετικά τμήματα που το καθένα έχει το δικό του νόμο δύναμης. Στο
δεύτερο τμήμα της παρούσας εργασίας προσπαθήσαμε να δώσουμε μια φυσική εξήγηση
της παρατηρούμενης φαινομενολογίας των καμπυλών φωτός στις ακτίνες Χ.
Συγκεκριμένα, δείξαμε ότι διαφορετικές μορφολογίες στις καμπύλες φωτός των
ακτίνων Χ μπορούν να αποκτηθούν εντός του τυπικού μοντέλου που περιγράφει την
ακτινοβολία στη φάση της μετάλαμψης, αρκεί να θεωρήσει κανείς την μέγιστη
ενέργεια των ακτινοβολούντων ηλεκτρονίων ελεύθερη παράμετρο, η οποία μπορεί να
πάρει ένα μεγάλο εύρος τιμών. Για παράδειγμα, δείξαμε ότι καμπύλες φωτός
ακτίνων Χ που επιδεικνύουν μια πολύ αργή ελάττωση της ροής (φάση ‘οροπεδίου’)
μπορούν να προκύψουν αν θεωρήσει κανείς ότι η μέγιστη ενέργεια των ηλεκτρονίων
είναι μερικές φορές πι ο μεγάλη από την ελάχιστη τους. Αντιθέτως, αν η κατανομή
των ηλεκτρονίων εκτείνεται σε πολύ υψηλές ενέργειες, βρήκαμε ότι οι καμπύλες
φωτός έχουν την μορφή ενός απλού νόμου δύναμης και ότι η εκπομπή στις ακτίνες Χ
μέχρι και σε πολύ μεγάλους χρόνους αποδίδεται στην σύγχροτρον ακτινοβολία των
ηλεκτρονίων.
Λέξεις-κλειδιά:
Αστροσωματιδιακή φυσική, Μη θερμικοί μηχανισμοί εκπομπής, Ακτινοβολιακές αστάθειες, Ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες, Εκλάμψεις ακτίνων γάμμα
Ευρετήριο:
Ναι
Αρ. σελίδων ευρετηρίου:
ix-xvi
Εικονογραφημένη:
Ναι
Αρ. βιβλιογραφικών αναφορών:
134
Αριθμός σελίδων:
[8], xvi, 194