La aceleración centrífuga de astropartículas a energías relativistas podría tener lugar en objetos astrofísicos giratorios (ver también aceleración de Fermi ). Se cree firmemente que los núcleos galácticos activos y los púlsares tienen magnetosferas giratorias , por lo tanto, potencialmente pueden conducir partículas cargadas a energías altas y ultra altas. Es una explicación propuesta para los rayos cósmicos de energía ultra alta (UHECR) y los rayos cósmicos de energía extrema (EECR) que exceden el límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin .
Aceleración a altas energías
Es bien sabido que las magnetosferas de los AGN y los púlsares se caracterizan por fuertes campos magnéticos que obligan a las partículas cargadas a seguir las líneas de campo. Si el campo magnético está rotando (que es el caso de tales objetos astrofísicos), las partículas sufrirán inevitablemente una aceleración centrífuga. El trabajo pionero de Machabeli & Rogava [1] fue un experimento mental en el que una cuenta se mueve dentro de un tubo recto giratorio. La dinámica de la partícula se analizó tanto analítica como numéricamente y se demostró que si la rotación rígida se mantiene durante un tiempo suficientemente largo, la energía de la perla aumentará asintóticamente. En particular, Rieger & Mannheim, [2] basándose en la teoría de Machabeli & Rogava, mostraron que el factor de Lorentz de la cuenta se comporta como
( 1 )
dónde es el factor de Lorentz inicial, Ω es la velocidad angular de rotación, es la coordenada radial de la partícula, y es la velocidad de la luz. De este comportamiento es evidente que el movimiento radial exhibirá un carácter no trivial. A su debido tiempo, la partícula alcanzará la superficie del cilindro de luz (un área hipotética donde la velocidad lineal de rotación es exactamente igual a la velocidad de la luz), lo que provocará el aumento de la componente poloidal de la velocidad. Por otro lado, la velocidad total no puede exceder la velocidad de la luz, por lo tanto, la componente radial debe disminuir. Esto significa que la fuerza centrífuga cambia de signo.
Como se ve en ( 1 ), el factor de Lorentz de la partícula tiende a infinito si se mantiene la rotación rígida. Esto significa que, en realidad, la energía debe estar limitada por ciertos procesos. En términos generales, existen dos mecanismos principales: el mecanismo de dispersión inversa de Compton (ICS) y el llamado mecanismo de ruptura del cordón en el cable (BBW). [3] Para estructuras en forma de chorro en un AGN, se ha demostrado que, para una amplia gama de ángulos de inclinación de líneas de campo con respecto al eje de rotación, ICS es el mecanismo dominante que limita de manera eficiente los factores de Lorentz máximos alcanzables de electrones.. Por otro lado, se demostró que la BBW se vuelve dominante para AGN de luminosidad relativamente baja. , llevando a .
Los efectos centrífugos son más eficientes en púlsares de milisegundos ya que la velocidad de rotación es bastante alta. Osmanov & Rieger [4] consideraron la aceleración centrífuga de partículas cargadas en el área del cilindro de luz de los púlsares tipo Cangrejo . Se ha demostrado que los electrones pueden alcanzar los factores de Lorentz.a través de la dispersión ascendente inversa de Compton Klein-Nishina .
Aceleración a energías muy altas y ultra altas
Aunque la aceleración centrífuga directa tiene limitaciones, como muestra el análisis, los efectos de la rotación aún podrían desempeñar un papel importante en los procesos de aceleración de las partículas cargadas. En términos generales, se cree que los efectos relativistas centrífugos pueden inducir ondas de plasma, que bajo ciertas condiciones pueden ser inestables al bombear energía de manera eficiente desde el flujo de fondo. En la segunda etapa, la energía de los modos de onda se puede transformar en energía de partículas de plasma, lo que lleva a la consiguiente aceleración.
En las magnetosferas giratorias, la fuerza centrífuga actúa de manera diferente en diferentes lugares, lo que lleva a la generación de ondas de Langmuir u oscilaciones del plasma a través de la inestabilidad paramétrica. Se puede demostrar que este mecanismo funciona de manera eficiente en las magnetosferas de AGN [5] y púlsares . [6]
Considerando los púlsares tipo cangrejo, se ha demostrado que mediante la amortiguación de Landau, las ondas electrostáticas inducidas por centrifugación pierden energía de manera eficiente y la transfieren a los electrones. Se encuentra que la ganancia de energía por los electrones viene dada por [7]
- ,
( 2 )
dónde , es el incremento de la inestabilidad (para más detalles, consulte el artículo citado), , , es la densidad del número de plasma, es la masa del electrón y es la densidad Goldreich-Julian. Se puede demostrar que para los parámetros típicos de los púlsares tipo Cangrejo , las partículas pueden ganar energías del orden de de o incluso . En el caso de púlsares recién nacidos de milisegundos, los electrones podrían acelerarse a energías aún más altas de[8]
Al examinar las magnetosferas de los AGN , la aceleración de los protones tiene lugar a través del colapso de Langmuir . Como se muestra, este mecanismo es lo suficientemente fuerte como para garantizar una aceleración eficiente de las partículas a energías ultra altas a través de la amortiguación de Langmuir [9].
- ,
dónde es la luminosidad normalizada de AGN , es su masa normalizada y es la masa solar. Como es evidente, para un conjunto conveniente de parámetros se pueden alcanzar energías enormes del orden de, entonces los AGN se convierten en Zevatrons cósmicos.
Referencias
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Otras referencias
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