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

Abstract

The present work focuses on two astrophysically important research sub-jects: (i) on the possible radiative instabilities in compact gamma-ray sourcesand (ii) on the afterglow emission from the most violent explosions in theuniverse, i.e. from Gamma-Ray Bursts (GRBs). The first subject, although of more theoretical interest, has important implications for astrophysical sources, such as Active Galactic Nuclei (AGN). Instead of studying the applications of radiative instabilities that were discovered in the past, we focused on one newly discovered radiative instability called ‘automatic γ-ray quenching’. First, we specified the conditions which enable the growth of the instability. For this, we studied using analytical methods the stability of the steady-state solutions that describe the following physical system: gamma-rays, that are emitted by some non-thermal radiation process, are being constantly injected into a spherical region that containsa tangled magnetic field, while at the same time they may escape from theregion. As a second step, we specified the radiation process responsibe forthe gamma-ray emission. In particular, we assumed that gamma-rays arethe synchrotron radiation of secondary electrons, which are the final decayproduct of charged pions. The latter, are produced through photopion interactions of relativistic protons with some ambient photon field. In other words, we studied the properties of ‘automatic γ-ray quenching’ when this is embedded in a leptohadronic magnetized plasma, i.e. a magnetized plasma that initially consists of relativistic protons, electrons, and, in some cases photons. Using an eigenvector/eigenvalue analysis of the linearized system of differential equations describing the leptohadronic processes, we derived the criteria for the growth of the instability and showed that, if these aresatisfied, the dynamics of the proton-electron-photon system resemble that of a prey-predator one. In some cases, we showed analytically that the photon lightcurve and the energy density of protons oscillate periodically, while we tested our results against those obtained from a fully numerical treatment of the problem. As a final step, we applied the ideas of ‘automatic γ-ray quenching’ to a subclass of AGN, i.e. to γ-ray emitting blazars, for constraining some of their properties, such as their Doppler factor and theirmagnetic field strength; in particular, we chose the blazar 3C 279 which is a prototype of this subclass.The second research subject is relevant to the long-lasting multiwavelength emission that follows the Gamma-Ray Burst itself, the so-called afterglow emission. The theoretical understanding of the GRB afterglow physics changed radically after the first X-ray observations of the Swift satellite, which revealed a whole new class of X-ray afterglow lightcurves. One of the new features is that the X-ray emission does not, in general, decay as a power-law with time but it consists of several power-law segments. In the second part of the present work, we attempted to give an explanation of the newly discovered X-ray afterglow phenomenology. In particular , we showed that different X-ray lightcurve morphologies can be obtained within the standard afterglow model by varying only the maximum Lorentz factor of the electron distribution, which is responsible for the non-thermal multiwavelength afterglow emission. For example, we showed that lightcurvesshowing a shallow decay phase may be obtained if the maximum energy of the distribution is a few times larger than the minimum one. Since the maximum energy of radiating electrons emerged as an important parameter in our analysis, we attempted as a second step, to derive it self-consistently instead of treating it as a free-parameter. For this, we applied the ideas of the ‘box’-model acceleration to the GRB afterglow phase. By modellingin an approximate manner the acceleration timescales and by numerically solving the kinetic equation of electrons including both synchrotron and synchrotron-self Compton cooling, we derived time-dependent solutions of the electron and photon distributions. These solutions are relevant to the GRB afterglow phenomenology only if electron acceleration is mediated by Fermi-type shock acceleration and the escape of electrons from the acceleration zone is fast.

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 ανα-καλύφθηκαν 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 ευ-στάθεια 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, ταοποία 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 αστάθειαςκαι 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 αναλυ-τικά 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 περιορίσουμετον 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 αντίκειμενο 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 πραγμα-τοποιήθηκαν 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 οι 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 πιο μεγάλη από την ελάχιστή 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 στη σύγχροτρον ακτινοβολία των ηλεκτρονίων.