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

makieta

To urządzenie będzie za parę lat produkowało emisję synchrotronową dla polskich fizyków „na życzenie”...

Stanie w Krakowie (UJ).

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

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.

Wikipedia

Korona słoneczna - rozbłyski

Silva et al. 2007, Solar Physics, 245, 311; RHESSI + sub-mm (SST)

Hinode – X-ray Telescope

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

JowiszJowisz, podobnie jak Ziemia, ma silne dipolowe pole magnetyczne. Wokół planety istnieją pasy radiacyjne z relatywistycznymi elektronami. Pole magnetyczne 4 – 14 Gauss, silniejsze na biegunach.

Zdjęcie Jowisza, sonda Cassini

Schemat magnetosfery Jowisza

JowiszPomiary 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.

Bolton et al. 2001Mapy polaryzacji liniowej poziomej (z lewej) i pionowej (z prawej), otrzymane przy pomocy 4-m anteny Cassiniego, zasadniczo służącej do komunikacji z satelitą.

Gwiazdy: polaryBiałe 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.

PolarySpolaryzowana emisja radiowa AM Her po raz pierwszy zaobserwowana przez Chanmugama & Dulka (1982). Typowe pola magnetyczne: 10^6 – 10^7 Gauss.

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...

Komplementarne obserwacje – japoński satelita rentgenowski Suzaku (Terrada et al. 2008).

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

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.

                                                

FERMI

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.

Emisja ma charakter synchrotronowy, elektrony przyspieszane są w pobliżu pulsara do ogromnych prędkości, a następnie poruszają się w polu magnetycznym mgławicy.Obraz z Teleskopu Kosmicznego Hubble'a (optyka)

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 KepleraObserwacje teleskopem Chandra 8.7 dnia!:

Zdjęcie teleskopem Chandra (zakres rentgenowski)

Kolor niebieski – twarde X, emisja synchrotronowa, czerwony I zółty – spory dodatek emisji linii żelaza I tlenu.

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

Także obserwacja teleskopem Chandra (zakres rentgenowski)

Centrum Naszej Galaktyki – Mlecznej Drogi, widoczne na niebie w gwiazdozbiorze Strzelca.

Centrum GalaktykiSupermasywna czarna dziura, otoczona gwiazdami oraz gazem/plazmą

Z ruchu gwiazd:

M = 4.1 10^6 mas Słońca

Widok w podczerwieni teleskop Magellan)

Centrum Galaktyki

Mościbrodzka et al. 2009, modelowe obrazy na 230 GHz zgodne z ograniczeniami obserwacyjnymi

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.

Ośrodek międzygwiazdowyOśrodek 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

www.physics.utah.edu/~whanlon/spectrum.html

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.

Bliskie galaktyki

Galaktyka spiralna NGC 4501 (odległość 19.5 Mpc) – zdjęcie optyczne

NGC 4501 - mapa radiowa (sieć teleskopów VLA; Vollmer, Soida ... 2010)

Synchrotronowy charakter: polaryzacja w całej próbce 8 galaktyk od 10 do 40 procent.

Bliskie galaktyki

Mapa radiowa Anten – Chyży & Beck 2004; pole magnetyczne podążyło za rozkładem materii, jest silne ale nieregularne 10 – 30 mikrogaussów

Anteny – dwie zderzające się galaktyki. Tak może wyglądać spotkanie Mlecznej drogi z Galaktyką Andromedy za parę miliardów lat...

Galaktyki na kosmologicznych odległościach

Teleskop kosmiczny Hubble’a: Ultra Deep Field; najdalsze galaktyki (6 <z<10) ledwo widoczne. Optyka/IR: gwiazdy, gaz i pył.

Możliwości badania emisji synchrotronowej:

Galaktyki aktywne (kwazary)

W tym:

Galaktyki radiowo głośne: mapy i widmo promieniowania.

Galaktyki radiowo ciche: widmo promieniowania

Radiowo głośne kwazary/radiogalaktyki

Emisja radiowa takich obiektów to praktycznie w 100 % promieniowanie synchrotronowe.

3C 175

Z = 0.77

Rozmiar tego radiożródła – ok. 150 kpc (rozmiar galaktyki to typowo 30 kpc).

Radiowo głośne kwazary/radiogalaktyki

Keel et al. 2003

Złożenie obrazu radiowego i optycznego

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)

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

F = qE

Podsumowanie

Możliwości przyspieszania cząstek w kosmosie niemal nieograniczone....

Produkowane strumienie, niestety, malutkie w porównaniu z tym, co oferują dedykowane urządzenia do produkcji promieniowania synchrotronowego.