Μελέτη χρονοεξαρτώμενων φωτο-αδρονικών καταιονισμών σε κοσμικές πηγές υψηλών ενεργειών

Abstract

In this work we have studied hadronic radiation models for active galactic nuclei, by using a self-consistent, time-dependent code that was adapted for that purpose.To study the relevant systems, we considered a one-zone model in which protons and/or electrons are continuously injected with some acceleration mechanism; then we numerically calculate the nonlinear interaction of the various particle populations that arise. Protons lose energy via several mechanisms, most important of which, for the purposes of this study, is pion production from interaction with photons. The produced pions decay into muons and then electrons, while simultaneously emitting neutrinos; meanwhile, a population of neutrons is created by photohadronic interactions. The system’s electrons and photons gain and lose energy via many intertwined mechanisms. Neutrons have a small probability of interacting with photons before they escape the source, but most of them will escape unimpeded, decaying into protons outside the source. Neutrinos, finally, escape without any interactions.The evolution of the distributions of those five particle types (protons, electrons, photons, neutrons and neutrinos) in the source is described by a set of kinetic equations that are solved simultaneously in the numerical code. To include photohadronic interactions in the code we used data from the Monte Carlo code SOPHIA, thereby attaining unprecedented accuracy in this particular field of research. The advanced code that resulted from this process was used to study both steady states of a source for various initial condition phase spaces and to fit an observed source, Mrk 421, based on multiwavelength observations in X rays, gamma rays and the optical, from which we deduced our estimated neutrino distributions.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν αδρονικά μοντέλα ακτινοβολίας των ενεργών γαλαξιών με τη χρήση ενός αυτοσυνεπούς χρονοεξαρτώμενου κώδικα που εξελίχθηκε για αυτό τον σκοπό.Για τη μελέτη των σχετικών συστημάτων θεωρήθηκε ένα μοντέλο μίας ζώνης, στο οποίο πρωτόνια ή/και ηλεκτρόνια εισάγονται συνεχώς από κάποιον μηχανισμό επιτάχυνσης και έπειτα υπολογίζεται αριθμητικά η μη-γραμμική αλληλεπίδραση των διάφορων πληθυσμών σωματιδίων που ανακύπτουν. Τα πρωτόνια χάνουν ενέργεια από διάφορους μηχανισμούς, πιό σημαντικός εκ των οποίων για τη παρούσα εργασία είναι η παραγωγή πιονίων από την αλληλεπίδραση με φωτόνια. Τα πιόνια που παράγονται διασπώνται σε μιόνια και έπειτα σε ηλεκτρόνια, με ταυτόχρονη εκπομπή νετρίνων, ενώ ένας επιπλέον πληθυσμός νετρονίων δημιουργείται από τις φωτοαδρονικές αντιδράσεις. Τα ηλεκτρόνια και φωτόνια του συστήματος κερδίζουν και χάνουν ενέργεια από πολλούς εμπλεκόμενους μηχανισμούς. Τα νετρόνια έχουν μία μικρή πιθανότητα αλληλεπίδρασης με φωτόνια προτού διαφύγουν από τη πηγή, αλλά στη πλειοψηφία τους δραπετεύουν ανενόχλητα, διασπώμενα σε πρωτόνια έξω από αυτή. Τα νετρίνα, τέλος, διαφεύγουν χωρίς αλληλεπιδράσεις.Η εξέλιξη των κατανομών των πέντε τύπων σωματιδίων (πρωτόνια, ηλεκτρόνια, φωτόνια, νετρόνια και νετρίνα) στη πηγή περιγράφεται από μία σειρά κινητικών εξισώσεων, που επιλύονται ταυτόχρονα στον αριθμητικό κώδικα. Για την εισαγωγή φωτοαδρονικών αλληλεπιδράσεων στον κώδικα χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από τον κώδικα Monte Carlo SOPHIA, προσφέροντας πρωτόγνωρη ακρίβεια στα πλαίσια της σχετικής έρευνας. Η εφαρμογή του βελτιωμένου κώδικα που προέκυψε έγινε τόσο στη μελέτη σταθερών καταστάσεων της πηγής για διάφορες περιοχές αρχικών συνθηκών, όσο στη μελέτη χρονοεξαρτόμενων συστημάτων και στο φιτάρισμα μίας παρατηρούμενης πηγής, του Mrk 421, με βάση πολυκυματικές παρατηρήσεις στις ακτίνες Χ, γ, και στο οπτικό, από το οποίο προέκυψαν οι εκτιμώμενες κατανομές νετρίνων.