Βράβευση εργασίας του Ομοτ. Καθ. Ε.Κ.Π.Α. Απόστολου Μαστιχιάδη και της Δρ. Στέλλας Μπουλά από την Ακαδημία Αθηνών

Βραβείο εις μνήμην Ακαδημαϊκού Ιωάννου Ν. Ξανθάκη, με χρηματικό έπαθλο 1.500 ευρώ, για την βράβευση πρωτότυπης επιστημονικής εργασίας αναφερομένης σε τομείς της Αστρονομίας ή Αστροφυσικής ή των Επιστημών του Διαστήματος, στην Δρ. Στέλλα Μπουλά και τον Ομότιμο Καθηγητή κ. Απόστολο Μαστιχιάδη για την εργασία τους με τίτλο: «Διαστελλόμενο μονοζωνικό μοντέλο για τη μελέτη της εκπομπής από ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες τύπου blazar» [“Expanding one-zone model for blazar emission”].

Η εργασία “Expanding one-zone model for blazar emission” που δημοσιεύτηκε στο έγκριτο περιοδικό Astronomy & Astrophysics το 2022  στοχεύει να δώσει κάποιες απαντήσεις σχετικά με την εκπομπή της πολυκυματικής ακτινοβολίας που παρατηρείται από τις πιο λαμπρές πηγές στο Σύμπαν, τους blazar.

Οι Ενεργοί Γαλαξιακοί Πυρήνες, υποκατηγορία των οποίων είναι και οι blazar, είναι περιοχές στα κέντρα ορισμένων γαλαξιών οι οποίες ενεργοποιούνται από την πρόσπτωση της περιβάλλουσας ύλης στις κεντρικές υπερμεγέθεις μελανές οπές. Αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι η μετατροπή της εκλυόμενης βαρυτικής ενέργειας σε πολυκυματική ακτινοβολία καθώς και στη δημιουργία εστιασμένων σχετικιστικών εκροών/πιδάκων. Πολλοί blazar εκπέμπουν τόσο έντονα ώστε να είναι ανιχνεύσιμοι στη Γη, αν και βρίσκονται πολλά δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, κυριολεκτικά στις παρυφές του Σύμπαντος.  Συντονισμένες μακροχρόνιες παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι οι πίδακες των blazar είναι στραμμένοι προς την κατεύθυνση της Γης. Συνεπώς, οι παρατηρήσεις αυτών των αντικειμένων μας δίνουν μια μοναδική ευκαιρία να εξετάσουμε τις διαδικασίες οι οποίες διαδραματίζουν κεντρικό ρόλο στη δημιουργία του παρατηρούμενου φάσματος και βοηθούν, εν μέρει, στη φυσική κατανόηση των φαινομένου των πιδάκων.

Η μαθηματική εξίσωση που απαιτείται να επιλύσουμε για να μοντελοποιήσουμε τα παρατηρούμενα φάσματα των πιδάκων των Ενεργών Γαλαξιακών Πυρήνων ανάγεται στην  εξίσωση διάδοσης της ακτινοβολίας, η οποία στη γενική της μορφή εξετάζει τη διάδοση των φωτονίων σε ένα μέσο παίρνοντας υπόψη φυσικές διαδικασίες εκπομπής, απορρόφησης και σκεδασμού. Πρόκειται για μια ευρέως χρησιμοποιούμενη εξίσωση με εφαρμογές σε προβλήματα Οπτικής, Φυσικής της Ατμόσφαιρας και Αστροφυσικής. Ενώ στις πιο πολλές αστροφυσικές εφαρμογές της η εξίσωση περιλαμβάνει διαδικασίες που μπορούν να περιγραφούν από τη Μοριακή και, κυρίως, την Ατομική Φυσική, οι συνθήκες στους πίδακες επιβάλλουν πιο πολύπλοκες φυσικές διαδικασίες που, επιπλέον, απαιτούν σχετικιστικές διορθώσεις.  Μια ακόμη εγγενής δυσκολία αυτού του προβλήματος είναι ότι δεν υπάρχει αδρανές μέσο, όπως π.χ. σε μια αστρική ατμόσφαιρα, μέσα στο οποίο διαδίδονται τα φωτόνια. Αντιθέτως, τα φωτόνια αλληλεπιδρούν κυρίως με τα σχετικιστικά ηλεκτρόνια που συνυπάρχουν στον πίδακα μέσω κβαντο-ηλεκτρομαγνητικών διαδικασιών και συνεπώς, για λόγους αυτοσυνέπειας απαιτείται η κατάστρωση μιας ανάλογης εξίσωσης που να περιγράφει την εξέλιξη των ηλεκτρονίων. Συνεπώς, μαθηματικά θα μπορούσαμε να περιγράψουμε τη διάδοση της ακτινοβολίας στους πίδακες των blazar ως ένα σύστημα μη γραμμικών, πεπλεγμένων ολοκληρο-διαφορικών εξισώσεων μερικών παραγώγων οι οποίες περιγράφουν ταυτόχρονα το σύστημα ηλεκτρονίων και φωτονίων.  Μια αναλυτική προσέγγιση ενός τέτοιου προβλήματος είναι προφανώς αδύνατη και για αυτό απαιτείται η δημιουργία πολύπλοκων αριθμητικών κωδίκων οι οποίοι επιλύουν τις σχετικές εξισώσεις και περιγράφουν τη διάδοση των φωτονίων από την παραγωγή τους έως τη δραπέτευση τους από τον πίδακα.

H παραπάνω προσέγγιση είναι απόρροια πολλών θεωρητικών εργασιών την τελευταία εικοσαετία. Η καινοτομία της παρούσας εργασίας έγκειται στο ότι για πρώτη φορά το σύστημα των εξισώσεων που περιγράψαμε παραπάνω επιλύεται σε έναν αδιαβατικά εκτονούμενο όγκο, μια φυσική απαίτηση που κάνει μεν την επίλυση πιο απαιτητική αλλά ταυτόχρονα εισάγει πιο ρεαλιστικές συνθήκες. Επιπλέον, η προσέγγιση αυτή μας επιτρέπει να συνδέσουμε τις φυσικές παραμέτρους με τα παρατηρούμενα χαρακτηριστικά της πηγής, ελαχιστοποιώντας τις ελεύθερες παραμέτρους μέσω φυσικών μηχανισμών και όχι μέσω ad-hoc υποθέσεων. Η μεθοδολογία μας εφαρμόστηκε στον blazar Markarian 421, όπου το 2013 καταγράφηκε μια έκλαμψη ακτινοβολίας τόσο στις ακτίνες γ όσο και στα ραδιοκύματα. Μπορέσαμε να εξηγήσουμε με επιτυχία τόσο τα πολυκυματικά φάσματα που παρατηρήθηκαν από τα επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια, όσο και τη χρονική αλληλουχία της εμφάνισής τους. Αυτό αποτελεί ένα ενθαρρυντικό βήμα για τη θεωρητική μοντελοποίηση των φυσικών διεργασιών στους πίδακες των Ενεργών Γαλαξιών. Επιπλέον, ανοίγει προοπτικές για περαιτέρω εφαρμογες σε άλλα αντικείμενα με πίδακες, όπως τα διπλά συστήματα ακτίνων Χ του Γαλαξία μας, οι εκλάμψεις ακτίνων γ και τα φαινόμενα παλιρροϊκής διαταραχής.