Θέματα Σύγχρονης Αστροφυσικής

Νεκτάριος Βλαχάκης, 2004-2005

Διαλέξεις
- 26 Οκτωβρίου 2004, 14:00-16:00: Σχετικιστική κίνηση σε ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες.
  Η συζήτηση θα αφορά τον τρόπο με τον οποίο εξάγουμε πληροφορίες σχετικές με τα φυσικά χαρακτηριστικά ενεργών γαλαξιακών πυρήνων από παρατηρήσεις (φαινόμενη κίνηση εκροής και ακτινοβολία). Θα χρησιμοποιήσουμε την εργασία Unwin et al. 1997 και τo κεφάλαιο 3 της διδακτορικής διατριβής του Andrei Lobanov. Δεν θα εξαντλήσουμε τα παραπάνω άρθρα, απλά θα επιλέξουμε τα πιο σημαντικά τους μέρη τα οποία και θα αναλύσουμε. Ίσως να αντλήσουμε πληροφορίες σχετικά με τα διαθέσιμα μοντέλα και από τις αναφορές του άρθρου επισκόπησης του Anton Zensus.
  Λόγω του ότι η επόμενη συνάντηση είναι η πρώτη, δεν σας ζητάω να διαβάσετε κάτι συγκεκριμένο. Απλά προσπαθήστε να επαναφέρεται στη μνήμη σας ότι έχετε διδαχτεί σε άλλα μαθήματα σχετικά με τα φυσικά μεγέθη και τις φυσικές διεργασίες που αναφέρονται στα παραπάνω άρθρα [π.χ. υπέρφωτη κίνηση, τι σημαίνει παράγοντας Doppler, εκθέτης φάσματος (spectral index), κ.ο.κ.]. Πιο συγκεκριμένα ερωτήματα θα τεθούν κατά τη διάρκεια της πρώτης μας συζήτησης.
- 1 Νοεμβρίου 2004, 10:00-12:00: Αφού ολοκληρώσουμε το προηγούμενο θέμα σχετικά με την κινηματική των εκροών από ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες, θα ασχοληθούμε με την ακτινοβολία Synchrotron-Self Compton.
  H συζήτηση, την οποία θα κατευθύνει ο Απόστολος Μαστιχιάδης, αφορά την μελέτη του φαινομένου σκέδασης Compton μεταξύ πληθυσμού ηλεκτρονίων και των φωτονίων που αυτά τα ίδια παράγουν με τον μηχανισμό σύγχροτρον.
  Προσπαθήστε να επαναφέρεται στη μνήμη σας όσα έχετε διδαχτεί σε άλλα μαθήματα σχετικά με την ακτινοβολία σύγχροτρον και τον σκεδασμό Compton. Οι σημειώσεις του Απόστολου Μαστιχιάδη από το μάθημα Αστροφυσικής Υψηλών Ενεργειών περιλαμβάνουν ανάλυση των παραπάνω μηχανισμών.
- 2 Νοεμβρίου 2004, 14:00-18:00: Πόλωση Ακτινοβολίας Σύγχροτρον.
  H συζήτηση αφορά αρχικά την μελέτη της πόλωσης γενικά, και το πως αυτή περιγράφεται με την βοήθεια των παραμέτρων Stokes. Στην συνέχεια θα επικεντρωθούμε στην πόλωση της ακτινοβολίας σύγχροτρον.
  Όπως και στην συζήτηση της προηγούμενης ημέρας χρειάζεται γνώση του μηχανισμού ακτινοβολίας σύγχροτρον (π.χ. από τις σημειώσεις του Απόστολου Μαστιχιάδη από το μάθημα Αστροφυσικής Υψηλών Ενεργειών).
- 8 Νοεμβρίου 2004, 10:00-12:00: Διάδοση πολωμένης ακτινοβολίας σε πλάσμα, Faraday rotation, Faraday conversion.
  Κατά τη διάδοση ακτινοβολίας μέσα σε πλάσμα οι διάφορες συνιστώσες του φωτός έχουν γενικά διαφορετική ταχύτητα. Το φαινόμενο αυτό οδηγεί σε αλλαγή της πόλωσης (movies). Ειδικότερα, θα μελετήσουμε την περίπτωση όπου το μαγνητικό πεδίο του πλάσματος (το οποίο εισάγει μια ανισοτροπία στο χώρο) οδηγεί σε στροφή του επιπέδου πόλωσης γραμμικά πολωμένου φωτός (Faraday rotation), καθώς και σε δημιουργία κυκλικά πολωμένου φωτός (Faraday conversion).
- 9 Νοεμβρίου 2004, 16:00-18:00: Ωστικά κύματα.
  Για μια σύντομη εισαγωγή δέστε τις υποσημειώσεις 2 και 3 του κεφαλαίου 1.3 από τις σημειώσεις του μαθήματος Αστροφυσικής Υψηλών Ενεργειών.
- 15 Νοεμβρίου 2004, 10:00-12:00: Ωστικά κύματα (συνέχεια).
  Θα μελετήσουμε ωστικά κύματα σε μαγνητισμένα ρευστά.
- 22 Νοεμβρίου 2004, 10:00-12:00: Κύματα μικρού πλάτους σε μαγνητισμένο ρευστό.
  Θα μελετήσουμε την διάδοση διαταραχών μέσα σε μαγνητισμένο ρευστό και συγκεκριμένα τα κύματα Alfvén και τα γρήγορα/αργά μαγνητοηχητικά κύματα. Μπορείτε να δείτε προσομοιώσεις της διάδοσης μιας διαταραχής.
- 23 Νοεμβρίου 2004, 16:00-18:00: Μαγνητοπεριστροφική αστάθεια σε αστροφυσικούς δίσκους.
  Η μαγνητοπεριστροφική αστάθεια (magnetorotational instability, Balbus and Hawley 1991, ApJ 376, 214) αποτελεί μηχανισμό παραγωγής ιξώδους σε αστροφυσικούς δίσκους. Το ιξώδες με τη σειρά του οδηγεί σε απώλεια στροφορμής και επιτρέπει την κίνηση μάζας προς στο κεντρικό σώμα. Δέστε προσομοιώσεις.
- 29 Νοεμβρίου 2004, 10:00-12:00: Τιρβώδης ροή (turbulence).
  Μετά από μια εισαγωγή σε μη ιδεατά ρευστά (λαμβάνοντας υπόψη το ιξώδες) θα αναλύσουμε τιρβώδεις υδροδυναμικές ροές εστιάζοντας την προσοχή μας στο πως οι τάσεις Reynolds μπορούν να θεωρηθούν σαν ένα ενεργό ιξώδες. Επίσης θα αναλύσουμε την ροή ενέργειας από μεγάλου σε μικρού μεγέθους σχηματισμούς (eddies) εξάγοντας τον νόμο Kolmogorov.
  Laminar vs turbulent flow.
- 30 Νοεμβρίου 2004, 16:00-18:00: Τιρβώδης ροή σε αστροφυσικούς δίσκους.
  Θα μελετήσουμε το πως η τιρβώδης κατάσταση σε αστροφυσικούς δίσκους επιτρέπει την κίνηση μαζών προς το κεντρικό αντικείμενο. Επίσης θα μιλήσουμε για το πως η ύπαρξη μαγνητικών πεδίων μέσω της μαγνητοπεριστροφικής αστάθειας οδηγεί σε τιρβώδη κατάσταση και αποτελεί τον πιο σημαντικό μηχανισμό για απαγωγή στροφορμής σε δίσκους.
  Για μια σύντομη εισαγωγή δέστε το κεφάλαιο 3 από τις σημειώσεις του μαθήματος Αστροφυσικής Υψηλών Ενεργειών.
  Δέστε επίσης μια σύνοψη αποτελεσμάτων υδροδυναμικών και μαγνητοϋδροδυναμικών προσομοιώσεων στην ομιλία του James Stone και ένα review άρθρο του Steven Balbus.
- 6 Δεκεμβρίου 2004, 10:00-12:00: Κύματα Rossby και αστροφυσικοί δίσκοι.
  Θα μελετήσουμε την δημιουργία αστάθειας που σχετίζεται με κύματα Rossby σε μη μαγνητισμένους Κεπλεριανούς αστροφυσικούς δίσκους.
  Σχετικές δημοσιεύσεις: Lovelace et al. 1999, ApJ 513, 805; Li et al. 2000, ApJ 533, 1023; Li et al. 2001, ApJ 551, 874.
- 7 Δεκεμβρίου 2004, 14:00-16:00: Ohmic resistivity, ambipolar diffusion, and Hall effect in protostellar disks.
  Όταν το πλάσμα του δίσκου είναι ασθενώς ιονισμένο τότε πρέπει να ληφθούν υπόψη όλοι οι παραπάνω μηχανισμοί διάχυσης (diffusion) οι οποίοι επιτρέπουν την κίνηση του πλάσματος με ταχύτητες που τέμνουν τις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου (οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου δεν είναι «παγωμένες» στο υλικό του δίσκου). Θα αναλύσουμε τους παραπάνω μηχανισμούς και την σχετική τους σπουδαιότητα σαν συνάρτηση της πυκνότητας και θερμοκρασίας του δίσκου.
- 13 Δεκεμβρίου 2004, 10:00-12:00: Επανασύνδεση μαγνητικών γραμμών (magnetic reconnection).
  Ανάλυση των αναγκαίων συνθηκών για ύπαρξη μαγνητικής επανασύνδεσης σχετικά με τη μαγνητική ροή και την ελίκωση (helicity). Μηχανισμοί διάχυσης και γενικευμένος νόμος του Ωμ.
  Δέστε το ακόλουθο μηχανικό ισοδύναμο της μαγνητικής επανασύνδεσης.
- 14 Δεκεμβρίου 2004, 14:00-16:00: Επανασύνδεση μαγνητικών γραμμών (συνέχεια).
  Θα αναλύσουμε την επανασύνδεση λόγω πεπερασμένης αγωγιμότητας (resistive reconnection) και συγκεκριμένα το μοντέλο των Sweet-Parker. Επίσης θα μιλήσουμε για collisionless reconnection και γενικότερα για τις σύγχρονες προσπάθειες να λυθεί το πρόβλημα.
- 20 Δεκεμβρίου 2004, 10:00-12:00: Απαγωγή στροφορμής από αστροφυσικούς δίσκους λόγω μαγνητισμένης εκροής.
  Θα μιλήσουμε περιληπτικά για την ιδεατή μαγνητοϋδροδυναμική που περιγράφει την εκροή από δίσκο (για λεπτομερέστερη περιγραφή δέστε τις σημειώσεις του μαθήματος Αστροφυσικής Υψηλών Ενεργειών καθώς και ένα review άρθρο). Πιο συγκεκριμένα θα εξετάσουμε πως η ακτίνα Alfvén καθορίζει το πόση στροφορμή μεταφέρει μια μαγνητισμένη εκροή καθώς και το πως μπορούν να συνδεθούν παρατηρήσιμες ποσότητες με τις συνθήκες στην βάση της εκροής. Στην συνέχεια θα συνδέσουμε την εκροή με την κατάσταση του δίσκου. Η τελευταία περιγράφεται από μη ιδεατή μαγνητοϋδροδυναμική, αφού είναι απαραίτητος κάποιος μηχανισμός διάχυσης του μαγνητικού πεδίου. Τέλος θα σχολιάσουμε κάποια σημαντικά πρόσφατα ερευνητικά αποτελέσματα τα οποία δείχνουν ότι η απαγωγή στροφορμής από δίσκους γύρω από νεογέννητα άστρα οφείλεται στην μαγνητισμένη εκροή: Rotation of Jets from Young Stars: New Clues from the Hubble Space Telescope Imaging Spectrograph, Coffey et al. 2004, ApJ 604, 758, (astro-ph/0312300); Jet rotation: launching region, angular momentum balance and magnetic properties in the bipolar outflow from RW Aur, Woitas at al. 2004, A&A in press, (astro-ph/0411119).
- 21 Δεκεμβρίου 2004, 14:00-16:00: Απαγωγή στροφορμής από αστροφυσικούς δίσκους λόγω μαγνητισμένης εκροής (συνέχεια).
  Θα μελετήσουμε την σταθερότητα/αστάθεια των δίσκων στους οποίους η απαγωγή στροφορμής γίνεται μέσω μαγνητισμένης εκροής. Η ανάλυση βασίζεται στις εργασίες: Lubow et al. 1994; Königl & Wardle 1996; Cao & Spruit 2002 (astro-ph/0108484); Königl 2004 (astro-ph/0409208).
- 11 Ιανουαρίου 2005, 14:00-16:00: Αστάθειες στην επιφάνεια επαφής δύο ρευστών.
  Στην κατηγορία αυτή συμπεριλαμβάνονται οι αστάθειες Rayleigh-Taylor και Kelvin-Helmholtz. Δέστε το αντίστοιχο κεφάλαιο από τις σημειώσεις του James Graham. Θα μελετήσουμε αναλυτικότερα την αστάθεια Kelvin-Helmholtz στην περίπτωση ασυμπίεστων ρευστών και σε απουσία βαρύτητας και μαγνητικού πεδίου.
- 17 Ιανουαρίου 2005, 10:00-12:00: Τανυστής ενέργειας-ορμής.
  Αφού ορίσουμε το μέγεθος αυτό για ένα σύστημα σωματίων θα το γενικεύσουμε για ένα ιδεατό ρευστό και θα εξάγουμε τις εξισώσεις κίνησης χρησιμοποιώντας το. Επίσης θα μιλήσουμε για τον αντίστοιχο τανυστή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου καθώς και πεδίου ακτινοβολίας.
- 18 Ιανουαρίου 2005, 14:00-16:00: Μαθηματικές μέθοδοι.
  1) Μέθοδος επίλυσης πολυωνυμικών εξισώσεων 3ου και 4ου βαθμού. 2) Γενικευμένος χωρισμός μεταβλητών σε μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις με μερικές παραγώγους.
- 18 Φεβρουαρίου 2005, 16:00-18:00: Υπολογιστικές μέθοδοι.
  Εισαγωγή στη λύση εξισώσεων με μερικές παραγώγους, υπερβολικού τύπου (§19.1 από Numerical Recipes).
Εργασίες:
- Διάδοση ηχητικών κυμάτων σε ανομοιογενή ροή [Σταύρος Δημητρακούδης]
- Ωστικά κύματα σε planetary nebulae [Όλγα Ζαχαροπούλου]
- Σχετικιστική μελέτη σφαιρικά συμμετρικής υδροδυναμικής εκροής [Κώστας Σαπουντζής]
- Διάδοση ηλεκτρομαγνητικού κύματος μέσα σε σχετικιστικό, μαγνητισμένο πλάσμα [Γιώργος Σπέντζας]