Galáxias ativas como fonte de raios cósmicos de altíssima energia

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

1. Introdu¸c˜ao         3
2. Crit´erio  de  Hillas         4
3. Mecanismos  de  acelera¸c˜ao         5

1. Mecanismo de acelera¸c˜ao de Fermi         5
2. Mecanismo de acelera¸c˜ao em ondas de choque         7

1. Limite de GZK        9
2. Gal´axias  Ativas         10

1. R´adio Galaxias         11
2. Centaurus A        12

1. Anisotropia        12
2. Conclus˜oes         17

A   Espectros  de  lei  de  potˆencia  pelos  mecanismos  de  Fermi         21

1. 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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