dissertation-huongpp

• Độ phổ cập của tia vũ trụ tương tự với độ phổ cập của các nguyên tố trong môi trường giữa các sao, điều này chứng tỏ tia vũ trụ được gia tốc trong môi trường giữa các sao... Greisen

Sinh viên: Lê Thị Hương Chuyên ngành: Vật lý thiên văn môi trường

Khoa vật lý - ĐHSP Hà Nội Người hướng dẫn: GS Pierre Darriulat

- Thông tin về các va chạm thiên hà

- Nhân thiên hà hoạt động (AGN)

- Centaurus A

Tóm tắt lịch sử

• Cuối XIX phát hiện ra bức xạ iôn hoá nhờ dụng cụ tĩnh điện nghiệm.

• 1911- 1913 Viktor Hess xác minh tồn tại bức xạ đến từ phía trên và hầu hết từ vùng ngoài trái đất.

• Sự phụ thuộc theo vĩ độ và tính bất đối xứng đông tây xác minh tia vũ trụ là những hạt tích điện, không phải là photon (1927).

• 1938 Pierre Auger phát hiện ra mưa rào khí quyển diện rộng, hạt sơ cấp (10 15 eV) tương tác với khí quyển trái đất.

• 1962 John Linsley lần đầu tiên ghi nhận được mưa rào khí quyển diện rộng có năng lượng 10 20 eV

Đặc điểm chung của tia vũ trụ

• Tia vũ trụ là các nguyên tử bị iôn hoá hoàn toàn.

• Độ phổ cập của tia vũ trụ tương tự với độ phổ cập của các

nguyên tố trong môi trường giữa các sao, điều này chứng

tỏ tia vũ trụ được gia tốc trong môi trường giữa các sao

• Tia vũ trụ có thể có năng lượng cao tới

10 20 eV = 16J và có phổ năng lượng ~E -2.7

Năng lượng tia vũ trụ

• Tia vũ trụ năng lượng trung bình:

Greisen Zatsepin Kuzmin (GZK)

• Tia vũ trụ có năng lượng lớn hơn 10 20 eV có thể

tương tác với bức xạ phông nền vũ trụ tạo ra pion và

bị mất năng lượng

• Chiều dài tương tác điển hình cỡ 10 Mpc, do đó ở

khoảng cách lớn hơn thì năng lượng và thông lượng

giảm đáng kể.

• Nguồn (< 100 Mpc) đóng góp vào phổ (UHECR)

Hiệu ứng GZK của tia vũ trụ

có năng lượng lần lượt 1022, 10

21 và 10 20 eV

Mưa rào khí quyển

Xmax – Xo: phụ thuộc E

• Năng lượng mưa rào được xác định bằng 2 phương

pháp:

- Dựa vào sự phát xạ huỳnh quang dọc theo trục của

mưa rào.

- Lấy mẫu mật độ hạt nhờ dãy các detector bề măt

Sự phát triển mưa rào theo chiều dọc

Đài thiên văn Pierre Auger

Nguồn phát tia vũ trụ

• UHECR: Auger chỉ ra mối quan hệ giữa UHECR (> 6.10 19 eV ) với AGN (< 75 Mpc)

• Các tia vũ trụ đến từ Mặt trời (SEP) từ vài keV và tương ứng với chu kỳ hoạt động của mặt trời

• Tàn dư vụ nổ sao siêu mới (SNR) là nguồn tia vũ trụ năng lượng trung bình được quan sát bởi thiên văn tia gamma

• Hillas plot: Biểu diễn B×L của vật thể chứa năng lượng có khả năng gia tốc các hạt Chỉ ra ứng viên duy nhất nguồn phát tia vũ trụ năng lượng siêu cao là các bùng nổ tia gamma và AGN

Hillas plot

Gia tốc Fermi bậc một

• Xét trong hệ quy chiếu sóng shock,môi trường của dòng xuôi và dòng ngược chuyển động với vận tốc tương đối lớn β (khoảng 1% vận tốc ánh sáng)

• Năng lượng thu được từ phép biến đổi Lorentz : E+ΔE = γβE+γp (Lorentz )

thu được ΔE= βE+O(β 2 ) Hay ΔE/E~ β

Rút ra: En= E0(1+β) n

Tượng tự máy gia tốc

Cyclotron:Sự gia tốc hạt khi

đi qua shock như hạt đi qua

khe hở giữa hình chữ D, hạt

bị bẻ cong bởi sự biến đổi

Môi trường giữa các sao và từ trường

• ISM có mật độ nhỏ nên sự tương tác của các tia vũ trụ là

không đáng kể.

• Xét từ trường như một tâm tán xạ

• Hạt ban đầu có p, E và β, hạt đi vào trong bức tường từ thu

được Ein, pzin sau đó đi ra

E’= γ 2 (1+β 2 )E–2γ 2 βPz

Áp dụng p/E= βCR,

Rút ra ΔE/E~ –2βwallβCR cosθ

Tàn dư của vụ nổ sao siêu mới

• 2 loại:

- SN Ia: là do sao lùn trắng bồi tụ từ bạn đồng hành của nó đến khối lượng 1,4 Mo

- SN II: là sao có M lớn suy sụp thành sao Neutron hoặc Pulsar

• Shock hướng ra ngoài và shock đi ngược vào phía trong tương ứng với mật độ

• Cấu trúc của shock phụ thuộc vào tuổi của SNR

Cassiopeia A Crab Nebula

Kepler SNR 1604 Tycho SNR 1572 N 49

CHANDRA

Shock thủy động lực học và Phổ năng lượng

Trường hợp m,v và p là const

Giá trị tỉ số nén

r = ρ2/ρ1 = v1/v2 ~ 4 v1–v2~ 3v1/4 lấy cosθ~ 2/3 được ΔE/E ~ βshock

Giả thiết đưa ra: Δt= kE Xác xuất thoát Pesc=βshockSau n chu kì số hạt là: N= N0(1–βshock)n và

E= E0(1+βshock)n ta rút ra đựợc dN/dE≈ E–α với α= (r+2)/(r–1) ~2.

Những rối loạn và sự khuếch đại của

từ trường

L

angular distance

B d = 500 μG

B d = 10 μG

Hình ảnh chi tiết về hoạt động hình

thành sao mãnh liệt

Thiên hà va chạm và đám thiên hà tái hợp là vị trí của thang shock cỡ lớn

Abell 3667

X-ray surface brightness

Turbulent gas flow

XMM temperature map (U.G Briel et al)

Radio emission:

Remnant of large scale

(>1 Mpc) particle

acceleration site

Nhân thiên hà hoạt động (AGNs)

Cyg A (radio)

Những tia của AGN cung cấp thang

shock lớn

Gia tốc shock

khuếch tán

Centaurus A (NGC 5128)

• Là thiên hà lớn hơn Milky Way, cách 10 Mly, là nơi hoạt động mạnh nhất của tia X và bức

xạ vô tuyến , d = 90 kly.

• Là một trong nhóm 25 thiên hà được quan sát ở 25 o phía nam bầu trời.Là thiên hà duy nhất

có dạng e líp với khối lượng lớn.

• Với m ~ 7, NGC 5128 là một thiên hà sáng thứ 5 trên bầu trời sau M 31, M 33, LMC và SMC

Cen A : Hai thiên hà

• Quan sát thiên hà elíp (ánh sáng trắng ) va cham với thiên hà

sao trẻ nóng, màu xanh đang được hình thành Về động học, thiên hà

và dải bụi tối biểu hiện như những thực thể khác nhau

• Lớp bụi trong suốt đối với thiên văn hồng ngoại và có thể quan sát thiên hà xoắn ốc (bị biến dạng)

Cen A:Nhân thiên hà hoạt động ở vùng trung tâm

• Hai búp vô tuyến phát ra từ tâm

gần như vuông góc với mặt phẳng

thiên hà xoắn ốc có bức xạ vô tuyến

khuếch tán nhiều hơn ở khoảng cách

xa hơn (VLA, 6cm) và chứa plasma

nóng

• Chandra chỉ ra 2 tia X Một lỗ đen có khối lượng

từ 150-240 triệu lần Mo ở vùng trung tâm của Cen A

• Tia X kéo dài 13,000 ly từ

lỗ đen Rất nhiều nguồn

điểm là các cặp đôi tia X mà

chứa một lỗ đen cỡ sao hoặc

một sao nơtron Những

nguồn này tập trung xung

quanh tâm Cen A (Chandra).

Năng lượng tia X thể hiện

qua màu sắc khác nhau.

• Ảnh kết hợp giữa tia X (xanh), vô tuyến (hồng,

xanh lá cây) và ảnh quang học (vàng, da cam)

• Hai cung lửa khí tia X như là một phần của vật

thể hình cầu có d = 25 kly

Ngụ ý của sự bùng nổ xảy ra 10 My.

Cen A:Đặc điểm khác

rađio (VLA) (đỏ) chỉ ra tia

• Sự bùng nổ bắt đầu từ 50 My cách đây và tạo nên ít nhất là một trăm vùng HII, sao loại OB được đánh 10 lần cao hơn Milky Way.

• Khối lượng HI từ 300 đến 800 triệu lần Mo, tổng khối lượng phân tử H chắc chắn 400 Mo,tính tổng khối lượng khí trong đĩa bao gồm cả He lên tới 10 9 Mo

quanh CO cho ta biết khối lượng hố đen từ 150 đến 240 triệu lần Mo

• Vùng trung tâm của thiên hà nằm trong khoảng một vài trăm pc tính từ nhân rất là phức tạp Sự phát xạ CO được quan sát ở bước sóng hồng ngoại và mm xác định sự hiện diện của đĩa quanh nhân đậm đặc với khối lượng khí được đánh giá 10 triệu lần Mo Bán kính bên ngoài của nó là 110- 280 pc và nó chứa đựng một vùng trung tâm 40 pc không có CO

• Ước tính số lượng đám sao hình cầu trong thiên hà: 1550 ± 350.

• Phân bố tính kim loại cho thấy 2 họ phù hợp với với sự tồn tại hai thiên hà tái hợp.

• Những hiện tượng khác chỉ ra những bằng chứng sự tồn tại của hố đen siêu nặng: Mật độ lớn của các cặp đôi tia

X, đĩa quanh nhân,và dấu hiệu tồn tại của vụ nô lớn đã xảy ra 10 triệu năm trước được ghi nhận bới thiên văn tia

X và các vùng bụi xung quanh.

• Từ những quan sát và qua sự tìm hiểu ở trên gợi ý rằng có rất nhiều những vị trí khác của sự va chạm thiên hà là ứng cử viên xuất sắc cho những shock rất lớn ở mức độ thiên hà nơi mà tia vũ trụ năng lượng siêu cao có thể được gia tốc bởi sự gia tốc shock khuếch tán

Tài liệu tham khảo

• Các bài giảng về thiên văn học và vũ trụ học của GS: Pr Pierre Darriulat.

• SgrA* lỗ đen ở tâm ngân hà, Kim thị Phượng (Luận văn đại học)

• Hầu hết thông tin được tham khảo từ trang web:

• Nhân thiên hà hoạt động

- Em gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành tốt công việc

- Em chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các quý vị đại biểu cùng toàn thể các bạn sinh viên đã chú ý theo dõi