Galáxias ativas como fonte de raios cósmicos de altíssima energia
Por: matheusbellini • 12/9/2022 • Monografia • 9.589 Palavras (39 Páginas) • 132 Visualizações
Juan Vitor Fagiani
Gal´axias ativas como fontes de raios c´osmicos de alt´ıssima energia
Trabalho de conclus˜ao de curso apresentado ao Programa de Gradua¸c˜ao em F´ısica do Ins- tituto de F´ısica de S˜ao Carlos da Universi- dade de S˜ao Paulo, para obten¸c˜ao do t´ıtulo de Bacharel em F´ısica
Orientador: Dr. Luiz Vitor de Souza Filho
S˜ao Carlos 2019
Resumo
Publica¸c˜oes recentes mostraram que a dire¸c˜ao de chegada de raios c´osmicos ultra energ´eticos (UHECR) (E > 1019 eV ) ´e ligeiramente anisotr´opica, sugerindo que pelo menos parte destes s˜ao provenientes de fontes extragal´acticas. No entanto, a fonte geradora ainda n˜ao foi identificada. Entre os principais candidatos est˜ao as gal´axias ativas pr´oximas que demonstram ter condi¸c˜oes minimamente necess´arias para acelerar part´ıculas a` essas energias. Neste trabalho, discutimos como as gala´xias ativas (AGN) podem ser fontes de UHECR. Primeiramente, utilizaremos o crit´erio de Hillas para abordar o potencial energ´etico das fontes e em seguida explicaremos a dinˆamica da acelera¸c˜ao via mecanismo de Fermi. Explicaremos a necessidade das fontes serem locais, ou seja, abordaremos o limite na distaˆncia das fontes conhecido como limite de Greisen–Zatsepin–Kuzmin (GZK). Por fim, fizemos um estudo da direc¸a˜o de chegada dos eventos medidos pelo Observato´rio Pierre Auger. Calculamos a correla¸c˜ao entre a dire¸c˜ao de chegada dos eventos e a dire¸c˜ao de gal´axias ativas, mostrando que na˜o ´e poss´ıvel estabelecer, de modo geral, uma correlac¸a˜o. Contudo, mostramos que existe uma correla¸c˜ao entre a dire¸c˜ao de chegada de UHECR e Centarus A acima do esperado no caso de uma direc¸a˜o de chegada isotro´pico. Esta medida indica Centaurus A como uma das principais candidatas a fontes de UHECR.
Palavras-chave: Raios c´osmicos, Altas energias, UHECR, AGN, Anisotropia
Sum´ario
- Introdu¸c˜ao 3
- Crit´erio de Hillas 4
- Mecanismos de acelera¸c˜ao 5
- Mecanismo de acelera¸c˜ao de Fermi 5
- Mecanismo de acelera¸c˜ao em ondas de choque 7
- Limite de GZK 9
- Gal´axias Ativas 10
- R´adio Galaxias 11
- Centaurus A 12
- Anisotropia 12
- Conclus˜oes 17
A Espectros de lei de potˆencia pelos mecanismos de Fermi 21
Introdu¸c˜ao
Em 1912, Victor Hess realizou uma s´erie de experimentos com bal˜oes a altitudes acima de 5 km e mediu uma radia¸c˜ao ionizante que se intensificava com a altitude, indicando que esta era proveniente do espac¸o (posteriormente denominada raios co´smicos). Os raios c´osmicos (CR)1, foram fontes de descobertas importantes, como o p´ositron (Anderson, 1932), o mu´on (Neddermeyer e Anderson, 1936) e o p´ıon (Powell, Occhialini e Lattes, 1947) [1, 2], mas posteriormente com os avan¸cos dos colisores de part´ıculas, o interesse sobre os CR se voltou mais diretamente para a astrof´ısica, concentrando-se em determinar as fontes de origem, seus mecanismos de acelera¸c˜ao, composi¸c˜ao e propaga¸c˜ao no meio interestelar e intergal´actico [2, 3].
Atualmente temos um espectro de energia de raios c´osmicos em um intervalo de 1011 eV a um pouco mais de 1020 eV (figura 1). Observamos que esse espectro obedece uma lei de potˆencia do tipo F (E) ∝ Eα, onde F representa o fluxo de part´ıculas observado e o expoente α ´e o ´ındice espectral. Este ´ındice sofre algumas variac¸o˜es em certos intervalos de energia, definindo assim os pontos ilustrados na figura 1. Sendo estes pontos, denominados joelho para E ∼ 1015 eV e tornozelo para E ∼ 1019 eV . Os principais desafios no estudo de CR ocorrem acima do tornozelo, onde os fenˆomenos s˜ao denominados raios c´osmicos ultra energ´eticos (UHECR).
[pic 1]
Figura 1: Espectro de energia de raios c´osmicos com dados obtidos por v´arias colabora¸c˜oes atuais [4]
Indicaremos nas pro´ximas sec¸o˜es, quais sa˜o as poss´ıveis fontes de UHECR. Primeiramente utilizaremos o crit´erio de Hillas para selecionar as poss´ıveis fontes no tocante ao potencial energ´etico. Abordaremos tamb´em alguns mecanismos de acelera¸c˜ao, dando ˆenfase ao mecanismo de Fermi. Al´em disso, iremos comentar sobre a necessidade das fontes serem locais, devido ao limite GZK. Em seguida, faremos uma exposi¸c˜ao dos aspectos gerais[pic 2]
1Todas as siglas utilizadas neste texto s˜ao referentes ao termo em inglˆes.
de gal´axias ativas, particularmente as r´adios gal´axias e Centaurus A (Cen A). Baseado nos desenvolvimentos mencionados acima e em pesquisas recentes, abordaremos como esse tipo de gal´axias podem ser fontes dos UHECR. Por fim, estudaremos a anisotropia dos raios c´osmicos na dire¸c˜ao de gala´xias ativas, visto que foi observada uma anisotropia significativa a partir dos eventos medidos pelo Observat´orio Pierre Auger. Vale destacar que com base nessas observac¸o˜es, Cen A foi apontada como uma das principais candidatas a ser fonte dos raios c´osmicos de mais alta energia [5, 6, 7].
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