Istrazivanje astrofizickih ultrarelativistickih mlazova kroz opservacije i modeliranje ekstragalaktickih bljeskova gama zracenja


Modeliranje visokoenergetske emisije u ekstragalaktickim bljeskovima gama-zracenja

 

Visokoenergetske gama-zrake testiraju fenomene u Svemiru najvisih opazenih energija. Tipicno su vezane za ne-termicke procese i ukljucuju interakciju relativistickih cestica sa materijom, fotonima i magnetskim poljima. Uvjeti u kojima se pojavljuju ovi fenomeni su ekstremni, involviraju velika gravitacijska, magnetska i elektricna polja, te relativisticko gibanje.

Ekstragalakticki bljeskovi gama zracenja (BGZ) (eng. gamma-ray bursts, GRBs) su jedan od najvaznijih fenomena u ovom podrucju. BGZ su kratki (od nekoliko ms to nekoliko 100 sekundi), visokoenergetski bljeskovi fotona gama-zracenja (tipicno izmedju 10 keV i nekoliko MeV), koji prate kataklizmicke eksplozije u Svemiru, najvjerojatnije povezane sa nastajanjem crnih rupa stelarnih velicina ili brzorotirajucih, visokomagnetiziranih neutronskih zvijezda. Za vrijeme kratke epizode emisije zracenja njihova ukupna energija doseze 10^51 - 10^53 erg, sto ih cini najsnaznijim -do sada- opazenim objektima. Promptno BGZ zracenje prati naknadna emisija (eng. afterglow), koja je opazena na nizim energijama od X-zracenja do radio, i traje satima ili danima. Danas se BGZ opazaju uglavnom sa Swift, Fermi i INTEGRAL satelitima.

Teorijski scenarij za BGZ je bio razvijen kasnih 80ih godina (npr. Kumar & Zhang 2015 za nedavni pregled): kataklizmicki dogadjaj kao sto je kolaps masivne zvijezde ili stapanje neutronskih zvijezda vodi do formacije akrecijske crne rupe (ili brzorotirajuce neutronske zvijezde), koja producira ultrarelativisticki mlaz (Lorentzov gama-faktor >100). Mlaz je pri lansiranju (r < 10^8 cm) opticki nepropustan i podvrgnut je adijabatskoj ekspanziji sve dok fotoni ne mogu pobjeci (r > 10^12 cm). Opazene vremenske skale i netermicki spektar sugeriraju da je emisija mlaza nastala u disipacijskom procesu u kojem je energija mlaza rekonvertirana u netermicko zracenje. Nekoliko mehanizama je sugerirano za dispaciju, kao sto su interni udari (eng. internal shocks) ili magnetska rekonekcija ako je mlaz visoko magnetiziran. Pri visim radijusima, BGZ mlaz je deceleriran u mediju ambijenta. Jaki udarni val se formira u medjuzvjezdanoj tvari i elektroni su ponovno akcelerirani. Ova emisija je odgovorna za naknadni sjaj. Ovaj scenarij daje opceniti prikaz, sa mnogo nepoznanica pri svakom stadiju.

Jedno od pitanja na koje nije odgovoreno je kako su gama-zrake, posebno energije >100 MeV, producirane? Ne-termicki spektar je interpretiran kao sinhrotronsko ili Comptonovo rasprsenje sinhrotronskih fotona koje emitiraju relativisticki elektroni akcelerirani za vrijeme disipacije enegrije u mlazu (npr. Meszaros et al. 1994; Daigne & Mochkovitch 1998; Kumar & Panaitescu 2008; Uhm & Zhang 2014), ili kao komptonizirana kvazi-termicka emisija iz fotosfere (npr. Thompson 1994; Pe'er 2008' Toma et al. 2011). Ocekuje se da ce opazanje emisije u GeV i TeV energetskom podrucju pomoci u razlikovanju izmedju razlicitih scenarija emisije koji su predlozeni za BGZ i u ogranicavanju podrucja parametara mlaza u kojem je nastao BGZ. 

 

Zadnjih godina naglasak mog istrazivanja je bio na razvoju numerickog modela za modeliranje visokoenergetske emisije BGZ u kontekstu modela internih udara (eng. internal shock model; Bosnjak, Daigne & Dubus 2009; Diagne, Bosnjak & Dubus 2011; Bosnjak & Daigne 2014). 

Realtivisticki mlazovi se opazaju u razlicitim astrofizickim sistemima kao sto su objekti stelarnih masa (mikrokvazari, bljeskovi gama zracenja) ili supermasivne crne rupe (blazari). Njihov ekstreman karakter zahtjeva kompleksno modeliranje - centralni izvor je crna rupa, materija je izbacena brzinama bliskim brzini svjetlosti, i emisija pokriva cijeli EM spektar od radio do TeV gama-zraka. Opazanje relativistickih mlazova u ovakvim razlicitim astrofizickim objektima je interpretirano u kontekstu zajednickog fizickog modela, modela internih udara koji propagiraju prema van od centralne crne rupe. Interni udari se mogu pojaviti ukoliko je Lorentzov faktor unutar mlaza visoko varijabilan, tako da sukcesivni dijelovi mlaza imaju velike relativne brzine. Za dan relativisticki mlaz iz centralnog izvora (definiran sa trajanjem izbacaja, evoluciji toka mase, i snage), izracunali smo slijedeca svojstva u fazi internih udara relativistickog mlaza: broj udarnih valova koji propagiraju unutar mlaza, te za svaki interni udar fizicka svojstva u mediju (Lorentzov faktor, gustocu mase i energije). Ovaj dinamicki model je povezan sa radijativnim kodom za izracun netermicke emisije u pratecem (eng. comoving) referentnom sustavu emisijskog podrucja. Integrirajuci po povrsinama jednakog vremena stizanja fotona (eng. equal-arrival times), te uzimajuci u obzir relativisticke i kozmoloske efekte, izracunali smo opazene svjetlosne krivulje (eng. light curves) za BGZ i njhov spektar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Istraživački tim
Frederic Daigne, profesor daigne@iap.fr

Dr. sci. Željka Marija Bošnjak

Odjel za fiziku

e-pošta: bosnjak@uniri.hr


MEĐUNARODNA VIDLJIVOST:
CITATIH-INDEXI10-INDEX
google scholar 617 13 14