Promieniowanie synchrotronowe

Promieniowanie synchrotronowe
Bożena Czerny
Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika Warszawa
Natura zjawiska
 przyspieszająca/hamująca
cząstka naładowana wysyła
promieniowanie
elektromagnetyczne
 konkretniej: cząstka w polu
magnetycznym porusza się ‘po
kole’ i to specyficzne
promieniowanie
elektromagnetyczne nazywamy
promieniowanie cyklotronowym
 a jeżeli na dodatek cząstka ma
prędkość bliską prędkości
światła, to taką emisję
astronomowie nazywają
promieniowaniem
synchrotronowym.
Teoria zjawiska znana
od 100 lat.
Synchrotron dla polskich fizyków
To urządzenie będzie za parę lat
produkowało emisję synchrotronową dla
polskich fizyków „na życzenie”...
Stanie w Krakowie (UJ).
makieta
Synchrotron dla polskich astronomów
Działa już. Prosto z nieba, leci do nas promieniowanie
synchrotronowe, wystarczy je łapać.
Ma swoje zalety:
• produkcja za darmo, tylko koszty rejestracji
• jest przepiękne
I ma swoje wady:
• trzeba się go naszukać
• nie można tego regulować
• nie zawsze nawet wiemy, czy to jest to
Wycieczka w kosmos, tropem
promieniowania synchrotronowego
Plan wycieczki:
• okolice Ziemi
• Słońce
• Jowisz
• gwiazdy
• centrum naszej Galaktyki
• odległe galaktyki
• błyski gamma
Posumowanie, czyli parametry promieniowania synchrotronowego w akceleratorach i
w kosmosie.
Okolice Ziemi – pasy Van Allena
Wikipedia
Pierwsza sugestia emisji synchrotronowej z pasów Van Allena to rok 1959 (R.B. Dyce), detekcja
wkrótce potem, ale tylko niewielka część emisji ma taki charakter.
W okresie przemagnesowywania Ziemi bywa zapewne widoczne w różnych szerokościach
geograficznych.
Korona słoneczna - rozbłyski
Hinode – X-ray Telescope
Silva et al. 2007, Solar Physics, 245, 311; RHESSI + sub-mm (SST)
Argumenty za synchrotronowym
charakterem emisji:
Kolejność prac:
• pierwsza detekcja promieniowania sub-mm (powyżej 200 GHz) z rozbłysków słonecznych
Trottet et al. 2002
• dalsze badania tej emisji oraz emisji rentgenowskiej: dyskusja: promieniowanie
hamowania vs. Synchrotron
• jednoczesne monitorowanie w
zakresie sub-mm (SST) oraz
rentgenowskim (satelita RHESSI)
oraz detekcja w zakresie mikrofal
(Ovens Valley Solar Array-OVRO)
• modelowanie widma w funkcji
czasu wykazało synchrotronowy
charakter emisji (B = 4500 G, n =
1.7e12/cm3
Silva et al. 2007
Jowisz
Jowisz, podobnie jak Ziemia, ma silne
dipolowe pole magnetyczne. Wokół planety
istnieją pasy radiacyjne z relatywistycznymi
elektronami. Pole magnetyczne 4 – 14
Gauss, silniejsze na biegunach.
Schemat magnetosfery Jowisza
Zdjęcie Jowisza, sonda Cassini
Jowisz
Pomiary
promieniowania
synchrotronowego
przez sondę Cassini,
na częstości 13.8
GHz, energie
elektronów do 50
MeV. Emisja ma
charakter
synchrotronowy,
mechanizm
przyspieszania
cząstek –
oddziaływania z
falami plazmowymi.
Mapy polaryzacji liniowej poziomej (z lewej) i pionowej (z
prawej), otrzymane przy pomocy 4-m anteny Cassiniego,
zasadniczo służącej do komunikacji z satelitą.
Bolton et al. 2001
Gwiazdy: polary
Białe karły to gwiazdy
bardzo gęste, o masie
ok. 0.6 masy Słońca, a
rozmiaru Ziemi
(średnicy około 5 000
km). Źródłem ciśnienia
są w nich
zdegenerowane
elektrony.
Białe karły wykrywamy
przede wszystkim w
układach podwójnych –
układach dwóch
bliskich sobie gwiazd –
z wymianą masy.
Białe karły z silnym
polem magnetycznym
to polary.
Wizja artysty – obserwacyjnie widać tylko widmo
promieniowania, obiekty są za małe.
Polary
Spolaryzowana emisja
radiowa AM Her po raz
pierwszy zaobserwowana
przez Chanmugama & Dulka
(1982). Typowe pola
magnetyczne: 10^6 – 10^7
Gauss.
Komplementarne obserwacje – japoński satelita
rentgenowski Suzaku (Terrada et al. 2008).
1994 – przegląd polarów,
teleskop Jodrell Bank (Pavelin
et al.), 5 MHz, tylko 5 detekcji.
Charakter emisji wnioskowany
na podstawie zmienności
(rozbłyski). Emisja albo z
białego karła, albo z okolic
towarzysza...
Widać okres rotacji białego karła. Z czterech rozważanych mechanizmów emisji (synchrotron,
nietermiczne promieniowanie hamowania, promieniowanie krzywiznowe, odwrotny efekt
Comptona autorzy faworyzują synchrotron w zakresie twardych X. Gamma ok. 10^4.
Gwiazdy: pulsary
Pulsary to gwiazdy neutronowe (masa = 1
masa Słońca, promień = 10 km,
podtrzymywane ciśnieniem zdegenerowanych
neutronów) o bardzo silnym polu
magnetycznym, ok.. 10^12 Gaussa.
Rotując, wysyła skolimowaną wiązkę
promieniowania w zakresie radiowym.
Jeden z pulsarów (PSR
1257+12) posiada planety
– to pierwsze odkryte
planety pozaziemskie (A.
Wolszczan).
Pulsary
FERMI
Profile pulsarów, D.J. Thompson(NASA/GSFC
Dwa mechanizmy emisji są rozważane:
promieniowanie synchrotronowe i
promieniowanie krzywiznowe. Czynnik
Lorentza elektronów ponad 10^7 (Abdo et al.,
2010, satelita Gamma FERMI). Wydaje się, że
przynajmniej powyżej 100 MeV dominuje prom.
krzywiznowe.
Gwiazdy: mikrokwazary
To gwiazdy neutronowe
w układach podwójnych
z wymianą masy.
Świecą w szerokim
zakresie widmowym,
przede wszystkim w X.
Akrecja na zwarty obiekt
powoduje powstawanie
dżetu.
Picture by Rob Hynes
Mikrokwazary
Sekwencja obserwacji obiektu
GRS 1915+105 (Mirabel &
Rodriguez ) przy pomocy
radioteleskopu VLA.
Ekspansja 'nadświetlna'.
Emisja 100 % synchrotron w
zakresie radiowym.
VLA, new Mexico, USA
Pozostałości po supernowych:
najpiekniejszy synchrotron
Mechanizm: zapaść/rozerwanie
gwiazdy po wyczerpaniu paliwa
termojądrowego
Mgławica Krab
Pozostałość po supernowej ,
która rozbłysła w 1054 roku.
Zasięg wybuchu to obecnie
około 10 lat świetlnych,
prędkość wyrzutu materii około
1800 km/s.
Obraz z Teleskopu Kosmicznego Hubble'a (optyka)
Emisja ma charakter
synchrotronowy, elektrony
przyspieszane są w pobliżu
pulsara do ogromnych
prędkości, a następnie
poruszają się w polu
magnetycznym mgławicy.
Pozostałości po supernowych:
zakres energetyczny
Najwyższe energie to inny mechanizm (IC ? Hadrony ?). Modelowanie utrudnia przerwa
energetyczna w pomiarach w zakresie gamma pomiędzy pomiarami satelitarnymi (n.p.
Fermi) i naziemnymi (np.HESS).
1 keV – 1017 Hz
1 MeV – 1020 Hz
1 GeV – 1023 Hz
1 TeV – 1026 Hz
Supernowa Keplera
Wybuchła 400 lat temu,
zaobserwowana przez
Keplera
Obserwacje teleskopem
Chandra 8.7 dnia!:
Kolor niebieski – twarde X,
emisja synchrotronowa,
czerwony I zółty – spory
dodatek emisji linii żelaza I
tlenu.
Zdjęcie teleskopem Chandra (zakres rentgenowski)
SN 1987A w sąsiedniej galaktyce Wielkim Obłoku Magellana
W 1987 gwiazda eksplodowała
w Wielkim Obłoku Magellana.
W 1994 Teleskop Kosmiczny
Hubble'a wykonał zdjęcia
wyekspandowanej pozostałości
po wybuchu. W centrum nie
wykryto na razie pulsara.
Kilkanaście neutrin z tego
obiektu zostało zarejestrowane
(m.in. przez Kamiokande) na
ok. 2 godziny przez
rozbłyskiem optycznym.
Gdyby te neutrina były tak
szybkie jak te z Gran Sasso,
powinny przybyć na 3.3 roku
przed błyskiem optycznym....
Teleskop Hubble'a, zakres optyczny
Supernowa w sąsiedniej galaktyce –
Małym obłoku Magellana
Supernowa Sgr A East
Centrum Naszej Galaktyki –
Mlecznej Drogi, widoczne na
niebie w gwiazdozbiorze Strzelca.
Także obserwacja teleskopem
Chandra (zakres rentgenowski)
Centrum Galaktyki
Supermasywna czarna
dziura, otoczona
gwiazdami oraz
gazem/plazmą
Widok w podczerwieni
teleskop Magellan)
Z ruchu gwiazd:
M = 4.1 10^6 mas
Słońca
Centrum Galaktyki
Emisja z bezpośrednich okolic czarnej
dziury została odkryta mniej niż 10 lat temu
Opadająca materia świeci, modelowanie
wskazuje na charakter synchrotronowy w
zakresie radia i sub-mm.
Event Horizon Telescope zobaczy ten
obraz.
Mościbrodzka et al. 2009, modelowe obrazy na 230 GHz zgodne z ograniczeniami
obserwacyjnymi
Ośrodek międzygwiazdowy
Ośrodek ten jest wypełniony:
 Promieniowaniem kosmicznym
(elektrony, pozytrony, protony,
cięższe jądra)
 Polem magnetycznym
 Gazem i pyłem
Promieniowanie kosmiczne – cały zakres
energetyczny;
www.physics.utah.edu/~whanlon/spectrum.html
Promieniowanie kosmiczne –
najwyższe energie
Cząstki oddziałują z międzygwiazdowym i
międzygalaktycznym polem magnetycznym:
świecenie sychrotronowe, odwrotny efekt
Comptona, zakrzywienie toru cząstek.Tory
cząstek stają się prostoliniowe i wskazują
na źródło dopiero powyżej 10^20 eV.
www.physics.utah.edu/~whanlon/spectrum.html
Bliskie galaktyki
NGC 4501 - mapa radiowa (sieć
teleskopów VLA; Vollmer, Soida ... 2010)
Galaktyka spiralna NGC 4501
(odległość 19.5 Mpc) – zdjęcie optyczne
Synchrotronowy charakter: polaryzacja w
całej próbce 8 galaktyk od 10 do 40
procent.
Bliskie galaktyki
Anteny – dwie zderzające się galaktyki. Tak
może wyglądać spotkanie Mlecznej drogi z
Galaktyką Andromedy za parę miliardów
lat...
Mapa radiowa Anten – Chyży & Beck 2004;
pole magnetyczne podążyło za rozkładem
materii, jest silne ale nieregularne 10 – 30
mikrogaussów
Galaktyki na kosmologicznych
odległościach
Możliwości badania emisji
synchrotronowej:
Galaktyki aktywne (kwazary)
W tym:
Galaktyki radiowo głośne: mapy i
widmo promieniowania.
Teleskop kosmiczny Hubble’a: Ultra Deep
Field; najdalsze galaktyki (6 <z<10) ledwo
widoczne. Optyka/IR: gwiazdy, gaz i pył.
Galaktyki radiowo ciche: widmo
promieniowania
Radiowo głośne
kwazary/radiogalaktyki
3C 175
Z = 0.77
Rozmiar tego
radiożródła – ok.
150 kpc (rozmiar
galaktyki to typowo
30 kpc).
Emisja radiowa takich obiektów to praktycznie w 100 % promieniowanie
synchrotronowe.
Radiowo głośne
kwazary/radiogalaktyki
Złożenie obrazu radiowego i
optycznego
Keel et al. 2003
Promieniowanie synchrotronowe
blazarów – zakres długości fal
Jeżeli dżet jest skierowany do nas
(obserwatora), to źródło często widzimy
jako prawie punktowe, ale za to silnie
zmienne. Wtedy prowadzi się kampanie
obserwacyjne widma promieniowania.
Dla cząstek ultrarelatywistycznych
bardzo szeroki zakres widmowy
emitowanego promieniowania, od radia
przez optykę do zakresu
rentgenowskiego
Aleksic et al. 2010
Skąd się biorą relatywistyczne
cząstki?
(I) Przyspieszanie w polu elektrycznym
(rekoneksje pól magnetycznych)
F = qE
Zmienne pole magnetyczne generuje pole
elektryczne. Dokładny mechanizm rekoneksji pól
nie jest jeszcze znany, duży postęp dzięki
obserwacjjom Słońca, m.in. przez Solar Dynamic
Observatory
(II) Przyspieszanie w falach uderzeniowych
Podsumowanie
Możliwości przyspieszania cząstek w kosmosie niemal
nieograniczone....
Produkowane strumienie, niestety, malutkie w
porównaniu z tym, co oferują dedykowane urządzenia do
produkcji promieniowania synchrotronowego.