Ομιλία Δ. Νανόπουλου 5/12/07 (D. Nanopoulos)

Αυτό το ποστ είναι συνέχεια του αρχικού ποστ που είχα γράψει για το MAGIC και την σχετική δουλειά των Ellis, Mavromatos και Nanopoulos για τη διασπορά των φωτονίων διαφορετικών ενεργειών και φυσικά είναι συνέχεια και του προηγούμενου χιουμοριστικού ποστ. Όπως φαίνεται λοιπόν και παρακάτω, η ΔΑΠ κάλεσε τον Δ. Νανόπουλο να δώσει μία ομιλία την Τετάρτη 5 Δεκεμβρίου στο τμήμα Φυσικής της Αθήνας. Αρχικά θα κάνω μία δημοσιογραφική παρουσίαση των όσων έγιναν κυρίως για όσους δεν παραβρέθηκαν, όπου θα αναφερθώ στα επιστημονικά στοιχεία, αλλά και στα «κοσμικά» της εκδήλωσης. Στη συνέχεια θα κάνω μία σχετικά αναλυτική παρουσίαση της αστροφυσικής πίσω από τις μετρήσεις του MAGIC, του τι αποτελεί common wisdom για την κοινότητα που δουλεύει στους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες (AGNs) και έχει σχέση με αυτά που βλέπουμε στις ακτίνες Χ και τις ακτίνες γ και τελικά τι μπορεί να σημαίνει αυτό για το αποτέλεσμα της ομάδας του Νανόπουλου. Τα τελευταία είναι και προϊόντα κατ’ ιδίαν συζητήσεων των τελευταίων ημερών καθώς και της σημερινής (7/12/07) παρουσίασης του Α. Μαστιχιάδη στα πλαίσια των συναντήσεων της Ομάδας Θεωρητικής Αστροφυσικής, όπου αναφέρθηκε ως έκπληξη (εκ του τρόπου με τον οποίο υπέπεσε στην αντίληψή μας) και ένα ενδιαφέρον παρατηρησιακό αποτέλεσμα.

---«Κοσμικά»---

Το πρωί της Τετάρτης λοιπόν, ανέβηκα στο πανεπιστήμιο χωρίς να έχω ξεκαθαρίσει αν θα παρακολουθούσα τελικά την ομιλία του Νανόπουλου ή όχι. Δεν περίμενα να ακούσω κάτι ενδιαφέρον, αφού ήμουν σίγουρος ότι δεν θα έμπαινε και πολύ βαθιά στα σημαντικά σημεία της όλης υπόθεσης με την διασπορά των φωτονίων. Πηγαίνοντας προς το αμφιθέατρο Αριστοτέλης, κατά τις 10:50, παρατήρησα ότι αρκετός κόσμος κατευθυνόταν για την ομιλία. Δεν είναι μια εικόνα που βλέπεις συχνά στο Φυσικό της Αθήνας, αφού από τη μεριά των φοιτητών είναι πιο συνήθης η αδιαφορία. Αλλά αυτή η περίπτωση ήταν διαφορετική με πολλές έννοιες. Από την μία την οργάνωση και το promotion το έκανε η ΔΑΠ (με την φοβερή αφίσα του Νανόπουλου δίπλα στις αφίσες του Μαζονάκι και της εκδρομής στην Αράχοβα) και από την άλλη ο ομιλητής ήταν celebrity. Τέλος πάντων, φτάνοντας στον Αριστοτέλη με περίμενε η πρώτη «απογοήτευση». Εκεί υπήρχε το κλασσικό τραπεζάκι της ΔΑΠ, με τα κλασσικά ηχεία και το κλασσικό στερεοφωνικό, όπου όμως δεν έπαιζε κλασσική μουσική. Λίγο παρακάτω στην είσοδο του αμφιθεάτρου, υπήρχε μια σχετική ουρά όπου γινόταν ο έλεγχος όσων πήγαιναν να παρακολουθήσουν, ώστε να μπουν πρώτα όσοι είχαν δηλώσει συμμετοχή για το event. Πραγματικά, αν υπήρχε και παρκαδόρος έξω, δεν θα διέφερε σε τίποτα από το μαγαζί που τραγουδά ο Μαζονάκις (και αυτό ήταν και το αστείο που λέγαμε μεταξύ μας). Κάπου εκεί, παρακολουθώντας τον πανικό από τον κόσμο που μαζευόταν και εν μέσω συζητήσεων με φίλους και του σχετικού χαβαλέ, αποφάσισα ότι δεν άξιζε να μπω στην διαδικασία.

Αξίζει εδώ να αναφέρω, γιατί σχολιάστηκε μετά και έγινε συζήτηση πάνω σ’ αυτό, ότι η αρχική ανακοίνωση της ΔΑΠ έλεγε ότι η εκδήλωση ήταν στις 11:00. Η αφίσες που υπήρχαν την ημέρα της εκδήλωσης έλεγαν 11:30 και οι προσκλήσεις που μοιράστηκαν στους καθηγητές έλεγαν 12:00. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα αρκετοί καθηγητές που ήθελαν να παρακολουθήσουν την εκδήλωση, τελικά επειδή το αμφιθέατρο είχε γεμίσει από τις 11:20, να μην μπορέσουν να μπουν ούτε ως όρθιοι. Η πλάκα είναι ότι ο Λόντος που ήρθε λίγο μετά τις 12:00 και λίγο πριν την άφιξη του Νανόπουλου, μας βρήκε να καθόμαστε έξω από την είσοδο και άρχισε να μας κάνει παράπονα. Τέλος πάντων, γύρω στις 12:15 εμφανίστηκε και ο ομιλητής κάνοντας θεαματική είσοδο συνοδευόμενος από τον Λαχανά και μερικά μεγάλα κεφάλια της ΔΑΠ (ή τουλάχιστον έτσι φαίνονταν το λίγο που τους πρόσεξα). Μπήκαν μέσα, όπου γινόταν το αδιαχώρητο, και ξεκίνησε η τελετή και εγώ ξεκίνησα να φύγω. Περπατώντας λοιπόν στο διάδρομο, με βλέπει μία φίλη και με ρωτάει, «Είδες τι μοιράσανε για την ομιλία του Νανόπουλου;» και μου δείχνει ένα χαρτί. Ο τίτλος του κειμένου έλεγε: «ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΚΟΣΜΟΓΟΝΙΑ Ή Η ΚΑΤΑΡΡΕΥΣΗ ΤΟΥ ΥΠΑΡΚΤΟΥ ΣΚΟΤΑΔΙΣΜΟΥ». Αυτό ήταν. Αμέσως σκάφτηκα ότι ίσως και να άξιζε να παρακολουθήσω την ομιλία τελικά.

---«Επιστημονικά»---

Η ομιλία, στο μεγαλύτερο μέρος της, ήταν μία εισαγωγή στην σύγχρονη κοσμολογία. Το επίπεδο ήταν εισαγωγικό και τα πράγματα παρουσιαζόντουσαν περιγραφικά, δηλαδή ήταν προσαρμοσμένη η ομιλία στους φοιτητές των μικρών ετών, που ήταν και το μεγαλύτερο ποσοστό των ατόμων που παρακολούθησαν την διάλεξη. Αξίζει να αναγνωρίσουμε στον Νανόπουλο ότι είναι αρκετά ενθουσιώδης ομιλητής και αυτόν τον ενθουσιασμό τον μεταφέρει καλά στο ακροατήριο. Όπως και να έχει, αυτό το κομμάτι της ομιλίας ήταν και το λιγότερο ενδιαφέρον για εμένα, που περίμενα να ξεκινήσει να αναφέρεται στα αποτελέσματά τους και τα αποτελέσματα του MAGIC και ακόμα περισσότερο περίμενα την ώρα των ερωτήσεων. Συνολικά, αυτή η περιγραφή της σύγχρονης κοσμολογίας πρέπει να κράτησε γύρω στη μία ώρα, ενώ η παρουσίαση των επίμαχων αποτελεσμάτων κράτησε γύρω στα 10-15 λεπτά.

Μέσα σ’ αυτό το δεκάλεπτο, παρουσίασε περιγραφικά το βασικό τους αποτέλεσμα της εξάρτησης της ταχύτητας διάδοσης των φωτονίων ανάλογα με την ενέργειά τους και το αποτέλεσμα της ανάλυσης της έκλαμψης που μέτρησε το MAGIC και φαίνεται να επιβεβαιώνει το μοντέλο τους. Συγκεκριμένα είπε ότι η αλληλεπίδραση των φωτονίων με τις κβαντικές διακυμάνσεις του κενού εισάγουν μια ενεργή μετρική (effective metric) η οποία έχει ως αποτέλεσμα, όταν τα φωτόνια διαδίδονται σ’ αυτή, να παρουσιάζουν διασπορά ανάλογα με την ενέργειά τους (το κενό έχει μη τετριμμένο δείκτη διάθλασης). Σε σχετικές ερωτήσεις πάνω σ’ αυτό το σημείο, που έγιναν αργότερα, διευκρίνισε ότι το μοντέλο τους δεν καταρρίπτει την θεωρία της σχετικότητας (πράγμα το οποίο τόνισε σχετικά έντονα, αδειάζοντας κάπως άκομψα το άρθρο της Καθημερινής), αλλά ουσιαστικά εισάγει την έννοια του μη τετριμμένου κενού στο οποίο διαδίδονται τα φωτόνια. Δηλαδή είπε ότι το φαινόμενο δεν είναι εγγενές, αλλά ενεργό. Ακόμα σε κάποιο σημείο επισήμανε ότι το c είναι η ταχύτητα του φωτός όπως την ξέρουμε στο όριο των χαμηλών ενεργειών και αποτελεί το άνω όριο των ταχυτήτων που έχουμε για τα φωτόνια, αφού η ταχύτητα ελαττώνεται όσο αυξάνει η ενέργεια. Μάλιστα είπε ότι αν θεωρήσουμε μονοχρωματικό φως τότε τα πράγματα είναι ακριβώς όπως τα ξέρουμε. Αυτό όμως έρχεται σε αντίθεση με το αποτέλεσμα τους (Ellis, Mavromatos & Nanopoulos 1999, Ellis, Mavromatos & Nanopoulos 1999, Ford 1995, Yu & Ford 1999) που αναφέρω και στο πρώτο άρθρο για το MAGIC, ότι δηλαδή ακόμα και φωτόνια της ίδιας ενέργειας μπορούν να εμφανίζουν διασπορά.

Εκτός από το ότι δεν είναι λάθος η σχετικότητα, ο Νανόπουλος τόνισε έντονα και το ενδεχόμενο το αποτέλεσμα του MAGIC να είναι απλά μια συγκυρία και τελικά να μην υπάρχει το φαινόμενο της διασποράς. Και πάνω σ’ αυτό έκανε ακόμα δύο σχόλια. Το πρώτο, χαριτολογώντας, ήταν ότι μπορεί αυτή τη στιγμή κάποιος Ιάπωνας να δουλεύει πάνω σε ένα μοντέλο που να εξηγεί τη μέτρηση του MAGIC με κλασσική φυσική. Το δεύτερο ήταν ότι αν παρατηρηθεί ακόμα μία έκλαμψη που να παρουσιάζει την ίδια συμπεριφορά και να συμπίπτει η χρονική καθυστέρηση με αυτό που περιμένουν από το μοντέλο τους, τότε θα είναι γελοιότητα κάποιος να ισχυριστεί ότι θα είναι φαινόμενο που θα οφείλεται στην πηγή. Παρακάτω θα δούμε γιατί και τα δύο αυτά σχόλια είναι άστοχα.

Μία από τις ενδιαφέρουσες ερωτήσεις ήταν και το τι θα σήμαινε η επαλήθευση του μοντέλου τους που βασίζετε στην non-critical string theory για τις υπόλοιπες μορφές της string theory και τις αντίστοιχες κοσμολογίες. Η απάντηση του Νανόπουλου ήταν ότι δεν υπάρχει καμία ασυμβατότητα ανάμεσα στη θεωρία τους και τις άλλες θεωρίες, πράγμα το οποίο δεν ισχύει. Κάποιος ρώτησε για την Loop Quantum Gravity η οποία προβλέπει αντίστοιχα φαινόμενα, για να πάρει την απάντηση ότι δεν μπορεί να εκφράσει δημόσια τη γνώμη του για την LQG και ότι την διασπορά την είχαν προτείνει πρώτοι πριν 10 χρόνια, πολύ πριν από αυτούς που κάνουν LQG.

Η τελευταία ενδιαφέρουσα ερώτηση ήταν η ερώτηση του Α. Μαστιχιάδη (αναπληρωτής καθηγητής του τομέα Αστροφυσικής), ο οποίος μπήκε και στην ουσία του θέματος. Αρχικά ανέφερε ότι η δραστηριότητα των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων είναι συνεχής, παρουσιάζοντας εκλάμψεις τις οποίες παρατηρούμε στις ακτίνες γ αλλά και στις ακτίνες Χ. Ακόμα, αυτές οι εκλάμψεις εμφανίζονται να είναι συσχετισμένες χρονικά, δηλαδή η χρονική εξέλιξη των ακτίνων Χ είναι η ίδια με την χρονική εξέλιξη των ακτίνων γ, ενώ οι χρονικές διάρκειές τους κυμαίνονται από περίπου 15 λεπτά μέχρι αρκετές ώρες. Τέλος, άλλες εκλάμψεις εμφανίζονται πρώτα στις χαμηλές ενέργειες και μετά στις υψηλές, ενώ άλλες εμφανίζονται πρώτα στις υψηλές και μετά στις χαμηλές. Η ερώτηση που έκανε λοιπόν ο Μαστιχιάδης ήταν, δεδομένου ότι ο Mkn 501 και ο Mkn 421 είναι δύο αρκετά μελετημένοι ενεργοί γαλαξίες και υπάρχει μεγάλος αριθμός δεδομένων, ειδικότερα από τον Mkn 421, γιατί δεν χρησιμοποιήθηκαν και άλλες εκλάμψεις στην διερεύνηση που κάνανε και συγκεκριμένα εκλάμψεις από τον Mkn 421 που είναι ένα καλύτερα μελετημένο φυσικό αντικείμενο και βρίσκεται και στην ίδια απόσταση με τον Mkn 501;

Η απάντηση σ’ αυτή την ερώτηση ήταν ότι αν και δεν είναι πειραματικός, πιστεύει ότι δεν θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν άλλες εκλάμψεις για αυτή τη διερεύνηση, γιατί η συγκεκριμένη έκλαμψη ήταν υπό μία έννοια μοναδική και είχε πολύ συγκεκριμένες ιδιότητες (???) για τις οποίες παρέπεμψε στο αρχικό χαρτί του MAGIC. Από εκεί και πέρα, είπε πως το HESS ψάχνει για αντίστοιχες εκλάμψεις ώστε να κάνουν περαιτέρω ελέγχους της θεωρίας τους.

Με αυτά περίπου (ακολούθησε και θεϊκή ερώτηση του Γραμματικάκη, αλλά δεν είναι του παρόντος) έκλεισε το επιστημονικό κομμάτι της ομιλίας του Νανόπουλου. Μετά ακολούθησαν κάποια σχόλια για την έρευνα στην Ελλάδα, τα οποία ανήκουν σε άλλη συζήτηση.

---«Ακτινοβολίες 101»---

Ας δούμε λοιπόν τι περίπου συμβαίνει στους ενεργούς γαλαξίες και πως περίπου παίρνουμε ακτινοβολία από αυτούς. Καταρχήν ξέρουμε ότι στα κέντρα των ενεργών γαλαξιών υπάρχουν γιγαντιαίες μελανές οπές στις οποίες γίνεται πρόσπτωση υλικού από την γύρω περιοχή με αποτέλεσμα τον σχηματισμό δίσκου προσαύξησης. Εκτός από τον δίσκο, οι μελανές οπές έχουν και πίδακες, στους οποίους το υλικό κινείτε με σχετικιστικές ταχύτητες. Οι πίδακες αυτοί μεταφέρουν τεράστια ποσά ενέργειας από το κέντρο του ενεργού γαλαξία προς τα έξω, σε τεράστιες αποστάσεις. Τέλος, η εικόνα συμπληρώνεται με την παρουσία ισχυρών μαγνητικών πεδίων.

Το υλικό λοιπόν που υπάρχει στους πίδακες είναι φυσικά σε κατάσταση πλάσματος, δηλαδή αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια, θετικά και αρνητικά, όπου τα θετικά είναι κυρίως πρωτόνια και τα αρνητικά είναι ηλεκτρόνια. Αυτή η εικόνα μας δίνει και έναν πρώτο μηχανισμό ακτινοβολίας. Όταν έχουμε φορτισμένα σωματίδια μέσα σε μαγνητικό πεδίο, τότε αυτά ακτινοβολούν ακτινοβολία σύγχροτρον, επειδή η παρουσία του μαγνητικού πεδίου αναγκάζει τα φορτισμένα σωματίδια να επιταχύνονται (τα επιταχυνόμενα φορτία ακτινοβολούν) αφού τα οδηγεί σε ελικοειδή τροχιές. Η ενέργεια (δηλαδή η συχνότητα) της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας είναι $$\reverse\opaque \nu \propto \gamma^2 B$$ όπου το γ είναι ο παράγοντας Lorentz και Β η ένταση του μαγνητικού πεδίου. Τα τυπικά χαρακτηριστικά που βλέπουμε στους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες τοποθετούν την περιοχή εκπομπής της σύγχροτρον ακτινοβολίας στις ακτίνες Χ. Εδώ πρέπει να επισημάνω ότι τα σωματίδια που κατεξοχήν ακτινοβολούν είναι τα ηλεκτρόνια και ο λόγος είναι ότι ο ρυθμός ακτινοβολίας ενός φορτισμένου σωματιδίου είναι αντιστρόφως ανάλογος με το τετράγωνο της μάζας του σωματιδίου. Δεδομένου ότι ο λόγος της μάζας του πρωτονίου προς τη μάζα του ηλεκτρονίου είναι της τάξης του 1000 (btw, google proton mass over electron mass) είναι σαφές ότι η ακτινοβολία των πρωτονίων είναι αμελητέα. Άρα όπως είπαμε, τα ηλεκτρόνια παρουσία του μαγνητικού πεδίου ακτινοβολούν με ρυθμό $$\reverse\opaque \frac{dE}{dt} \propto \gamma^2 B^2$$.

Τα ηλεκτρόνια όμως μπορούν να κάνουν και κάτι ακόμα. Αν ένα ηλεκτρόνιο είναι σχετικιστικό, τότε μπορεί να σκεδάσει ένα φωτόνιο χαμηλής ενέργειας σε φωτόνιο υψηλότερης ενέργειας. Η διαδικασία αυτή λέγεται αντίστροφος σκεδασμός Compton και τα παραγόμενα φωτόνια έχουν ενέργεια $$\reverse\opaque \nu_{final} \propto \gamma^2 \nu_0$$ όπου και πάλι το γ είναι ο παράγοντας Lorentz των ηλεκτρονίων. Έτσι αν έχουμε ένα πεδίο φωτονίων και ένα πληθυσμό σχετικιστικών ηλεκτρονίων, τότε ο ρυθμός εκπομπής ακτινοβολίας με αυτή τη διαδικασία θα είναι $$\reverse\opaque \frac{dE}{dt} \propto \gamma^2 U_{ph}$$, όπου $$\reverse\opaque U_{ph}$$ είναι η πυκνότητα ενέργειας των φωτονίων.

Οι δύο παραπάνω διαδικασίες μας προσφέρουν τον μηχανισμό για να έχουμε παραγωγή ακτινοβολίας από τις ακτίνες Χ μέχρι τις ακτίνες γ στους πίδακες των ενεργών γαλαξιών, αρκεί να υπάρχουν ηλεκτρόνια αρκετά υψηλής ενέργειας. Και το πιο ενδιαφέρον είναι ότι έχουμε μια διαδικασία δύο σε ένα. Από τη μία τα σχετικιστικά ηλεκτρόνια ακτινοβολούν, λόγω του μαγνητικού πεδίου, ακτινοβολία σύγχροτρον στις ακτίνες Χ. Από την άλλη, κάποια από τα φωτόνια των ακτίνων Χ κάνουν αντίστροφο σκεδασμό Compton με τα σχετικιστικά ηλεκτρόνια και παράγουν ακτινοβολία γ. Αυτό ακριβώς είναι το μοντέλο Synchrotron Self Compton (SSC).

Η παραπάνω διαδικασία όπως την περιγράψαμε ήταν και η πρώτη προσέγγιση να ερμηνευτεί το φάσμα των AGNs στις υψηλές ενέργειες. Δηλαδή αρχικά, θεωρούσαν ότι με κάποιο τρόπο έχεις μια ενεργειακή κατανομή ηλεκτρονίων σε μια περιοχή του πίδακά σου, όπου υπάρχει και το κατάλληλο μαγνητικό πεδίο και αυτά τα υλικά θα σου δώσουν το τελικό φάσμα όπως φαίνεται στο σχήμα.



Φυσικά η παραπάνω εικόνα δεν είναι σε καμία περίπτωση πλήρης και ο λόγος είναι ότι είναι τεχνητός ο τρόπος με τον οποία βάζεις τα ηλεκτρόνια στο σύστημα. Η εικόνα αυτή όμως ήταν αρκετή για να περιγράψει πλήρως την κατάσταση «ηρεμίας» των AGNs, όπου δεν παρατηρούνται δυναμικά φαινόμενα. Για την περιγραφή όμως δυναμικών φαινομένων, όπως οι εκλάμψεις, ήταν απαραίτητη μία πιο ρεαλιστική περιγραφή, που να λαμβάνει υπόψη της δυναμικούς μηχανισμούς όπως τις απώλειες των ηλεκτρονίων λόγω ακτινοβολίας καθώς και τους πιθανούς μηχανισμούς επιτάχυνσης των ηλεκτρονίων. Την λύση στο ζήτημα της επιτάχυνσης, την δίνουν τα κρουστικά κύματα. Όταν έχεις ένα κρουστικό κύμα που διαδίδεται μέσα σε ένα πλάσμα παρουσία μαγνητικού πεδίου, υπάρχει η δυνατότητα τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο δρόμο του κύματος να επιταχυνθούν ουσιαστικά από τη σκέδασή τους με το κύμα. Χονδρικά η διαδικασία είναι ανάλογη με το μπαλάκι που κερδίζει κινητική ενέργεια όταν το χτυπά η ρακέτα. Η διαφορά είναι ότι το κύμα κυνηγά τα ηλεκτρόνια και τα «χτυπάει» συνέχεια, επιταχύνοντας τα συνέχεια. Η επιτάχυνση με αυτή τη διαδικασία λέγετε επιτάχυνση Fermi. Τα πράγματα είναι ακόμα πιο δραματικά όταν το κρουστικό κύμα κινείται με σχετικιστικές ταχύτητες, οπότε και τα ηλεκτρόνια φτάνουν σε πολύ υψηλές ενέργειες.

Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, οι Α. Μαστιχιάδης και J.G. Kirk παρουσίασαν ένα μοντέλο για τη μεταβλητότητα που παρατηρείται στους πίδακες των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων, Kirk & Mastichiadis (1999), Kirk & Mastichiadis (2002). Το μοντέλο αυτό προβλέπει τις παρακάτω συμπεριφορές για τις εκλάμψεις:

1. Αν η χρονική κλίμακα στην οποία επιταχύνονται τα ηλεκτρόνια από το κρουστικό κύμα είναι πολύ μικρότερη από την χρονική κλίμακα στην οποία ψύχονται (λόγω ακτινοβολίας), τότε η μεταβολή του φασματικού δείκτη “α” ως προς την έντασης της έκλαμψης έχει τη μορφή:

Στο σχήμα βλέπουμε πάνω δεξιά την μεταβολή της έντασης ως συνάρτηση του χρόνου, κάτω αριστερά βλέπουμε τον φασματικό δείκτη ως συνάρτηση του χρόνου (το φάσμα είναι νόμος δύναμης της μορφής $$\reverse\opaque F_{\nu}\propto \nu^{\alpha}$$) και κάτω δεξιά βλέπουμε τον φασματικό δείκτη ως συνάρτηση της έντασης. Τα βελάκια υποδεικνύουν ότι καθώς εξελίσσεται η έκλαμψη, η τροχιά έχει φορά κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Το γεγονός ότι σ’ αυτή την περίπτωση έχουμε πολύ μικρό χρόνο επιτάχυνσης σε σχέση με το χρόνο ψύξης σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια θα επιταχυνθούν σχεδόν ακαριαία στις τελικές τους ενέργειες και από εκεί και πέρα επειδή ο χρόνος ψύξης αυξάνει όσο μικρότερη είναι η ενέργεια των ηλεκτρονίων, τα ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας ακτινοβολούν πρώτα και άρα σε εμάς θα φτάσουν πρώτα τα φωτόνια υψηλότερης ενέργειας και μετά τα χαμηλότερης. Αυτό το φαινόμενο έχει παρατηρηθεί αρκετές φορές και σε αρκετές πηγές.

2. Αν η χρονική κλίμακα της επιτάχυνσης είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με τον χρόνο ψύξης, τότε έχουμε για την μεταβολή του φασματικού δείκτη:

όπου τα σχήματα είναι όπως και παραπάνω. Σ’ αυτή την περίπτωση βλέπουμε ότι τα βελάκια υποδεικνύουν την ανάποδη τροχιά στο διάγραμμα του φασματικού δείκτη ως προς την ένταση. Πρακτικά το ότι ο χρόνος επιτάχυνσης είναι συγκρίσιμος με τον χρόνο ψύξης σημαίνει ότι καθώς κερδίζουν ενέργεια τα ηλεκτρόνια με αυτόν τον αργό ρυθμό, στον ίδιο χρόνο έχουν την δυνατότητα να ακτινοβολήσουν. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να ακτινοβολούν τα ηλεκτρόνια πρώτα στις χαμηλές ενέργειες και μετα στις υψηλές. Δηλαδή εδώ θα βλέπαμε πρώτα τα φωτόνια χαμηλής ενέργειας και μετά με καθυστέρηση τα φωτόνια υψηλότερης ενέργειας.

Όλα τα παραπάνω ισχύουν τόσο στις ακτίνες Χ όσο και στις ακτίνες γ, με μικρές διαφοροποιήσεις. Αυτό σημαίνει ότι επειδή ακριβώς την όλη δουλειά την κάνει ο ίδιος πληθυσμός ηλεκτρονίων, η μεταβλητότητα στις ακτίνες Χ θα πρέπει να είναι συσχετισμένη χρονικά με την μεταβλητότητα στις ακτίνες γ. Αυτή ακριβώς η συμπεριφορά γενικά παρατηρείται.

---«Επιστροφή στο MAGIC»---

Επιστρέφοντας στις παρατηρήσεις του MAGIC, στην παράγραφο 4.4 του αρχικού χαρτιού γίνεται αναφορά στην χρονική εξέλιξη της βασικής έκλαμψης που μας απασχολεί (9 Ιουλίου) και στη συνέχεια γίνεται περεταίρω αναφορά στην παράγραφο 5.3 όπου γίνεται και μία σχετική ερμηνεία των αποτελεσμάτων της έκλαμψης. Εκεί λοιπόν διαβάζουμε:

4.4 Intra-night spectral variations.

As discussed in section 3.3, during the active nights of June 30 and July 9 the VHE emission of Mrk 501 can be divided into a “stable” (pre-burst) and “variable” (in-burst) part. In order to study potential changes in the spectral shape, we derived the differential photon spectrum for the two parts of each night (Fig. 5). Since each spectrum is based on <1/2 hr exposure this procedure certainly increases the statistical errors. The four spectra were fitted with the log-parabolic function in eq. 6, which is preferred over the simple PL function (see sect. 4.3). The results of the fit, as well as other relevant information (e.g., net observing time, significance of the signal, goodness of fit) are reported in Table 8. The spectra and the corresponding fits are plotted in Fig. 15. In both nights, there is marginal (1σ) evidence for a spectral hardening during the flare.

We also studied the time-evolution of the hardness ratio, defined as the ratio F(1.2-10 TeV)/F(0.25-1.2 TeV) and which is computed directly from the LCs shown in Fig. 6 and Fig. 7. The resulting graph is shown in Fig. 16. The hardness ratios for the pre-burst and in-burst part are quantified by means of a constant fit. In both nights the hardness ratio is somewhat larger (1-2σ) in the in-burst than in the pre-burst part, in agreement with the observed spectral hardening (see Fig. 15). It is worth noting that the hardness ratios for the pre-burst and in-burst time windows of June 30 are statistically compatible with being constant, those of July 9 are much less so, as shown in the insets of Fig. 16. The evolution of the hardness ratio with the emitted flux above 0.25 TeV is shown in Fig. 17. Both nights show some evidence for a larger spread in the in-burst part than in the pre-burst part.

The evolution of the in-burst points from June 30, however, is somewhat chaotic, while the evolution of the in-burst points from July 9 shows a clear loop pattern rotating counterclockwise. The physical interpretation of this feature is given in section 5.3. Concluding, a spectral hardening with increased emission characterizes the VHE emission of Mrk 501 also at short timescales.

Fig. 17 - Hardness ratio F(1.2 - 10 TeV)/F(0.25 - 1.2 TeV) vs F(> 0.25 TeV) for the nights of June 30 and July 9. Horizontal and vertical bars denote 1σ statistical uncertainties. Black open squares and red open circles denote pre-burst (’stable’) and in-burst (’variable’) emission respectively. The numbers inside the markers denote the position of the points in the LCs. The consecutive (in time) points of the in-burst LC are connected by red lines for better clarity.

και συνεχίζουν στην ενότητα 5:

5.3. Interpretation of the spectral shape variations

The observed correlation between spectral shape and (bolometric) luminosity is naturally accounted for in the SSC(*) scenario. Pian et al (1998); Tavecchio et al (2001) discuss the SED variations of Mrk 501 during the giant 1997 flare. During the 1997 flare the 0.1-200 keV band synchrotron spectrum became exceptionally flat (photon spectral index a<1), peaking at > 100 keV – a shift to higher frequencies by a factor of 100 from previous, more quiescent states. The VHE data (from the Whipple, HEGRA, and CAT telescopes) showed a progressive hardening from the baseline state (a>2) through a more active state to a flaring state (a~2). In the SSC scenario, these flux-dependent spectral changes implied that a drastic change in the electron spectrum caused the increase in emitted power: a freshly injected electron population has a flatter high-energy slope and a higher maximum energy than an aging population, which cause a shift of the SED to higher frequencies.

In section 4.4 we reported that the spectrum of Mrk 501 not only hardens on long time
scales, with the overall emitted flux, but also during the shorter events of June 30 and July 9. The burst from July 9 showed a remarkable variability, and the evolution of the hardness ratio with the flux (right-hand plot of Fig 17) contains valuable information about the dynamics of the source. In the pre-burst phase, the hardness ratio does not vary significantly; Yet during the burst phase, it varies following a clear loop pattern rotating counterclockwise. As pointed out by Kirk & Mastichiadis (1999)(**), one expects to have this behaviour for a flare where the variability, acceleration and cooling timescales are similar; which implies that, during this flare, the dynamics of the system is dominated by the acceleration processes, rather than by the cooling processes. Consequently, the emission propagates from lower to higher energy, so the lower energy photons lead the higher energy ones (that is the so-called hard lag). This indeed agrees well with the argumentation given in section 5.2, where the time delay between E>1.2 TeV and E<0.25 TeV is shown to be consistent with the gradual acceleration of the electrons.

In a systematic study performed by Gliozzi et al (2006) using X-ray data from 1998 to 2004, this behaviour was not observed on more typical (longer) flares, where actually the opposite behaviour (clockwise rotation) was indicated. This might point to the fact that these physical processes might be responsible only for the shortest flux variations, and not for the variability on longer timescales

(*) SSC: Synchrotron Self Compton.
(**)http://arxiv.org/abs/astro-ph/9610058 , http://arxiv.org/abs/astro-ph/9903280

Τα παραπάνω και σε συνδυασμό με μερικά ακόμα στοιχεία, όπως το correlation των ακτίνων Χ με τις ακτίνες γ και την περιοχή του φάσματος του Mkn 501 στην οποία βρίσκονται οι δύο εκλάμψεις, υποδεικνύουν ξεκάθαρα ότι η επίμαχη έκλαμψη της 9ης Ιουνίου είναι ένα φαινόμενο με καθαρά κλασσική εξήγηση. Εξήγηση που υπάρχει στην πιάτσα εδώ και αρκετό καιρό και δεν χρειάζεται κάποιος Ιάπωνας να την ανακαλύψει. Εξήγηση που θα είναι ενδεχομένως σε θέση να ερμηνεύσει και την επόμενη υποψήφια έκλαμψη είτε έρχονται πρώτα οι υψηλές ενέργειες, είτε έρχονται πρώτα οι χαμηλές, χωρίς να φτάνει κανένας στα όρια της γελοιότητας.

Ακόμα νομίζω ότι διακρίνεται και μια οπορτουνιστική διάθεση από το MAGIC, το οποίο πάνω στον ανταγωνισμό του με το HESS και στην προσπάθειά του να εξασφαλίσει την χρηματοδότηση για το MAGIC II, ίσως και να παρέσυρε και την ομάδα του Νανόπουλου σ’ αυτή την ιστορία.

Η όλη ιστορία μου θυμίζει λίγο την φράση: «Τα αποτελέσματα των πειραματικών τα πιστεύουν μόνο οι θεωρητικοί».

-------------------------------------------
Update: Αξίζει να αναφέρω μερικά σημεία που μου επισημάνθηκαν. Ο Νεκτάριος Βλαχάκης (λέκτορας του τομέα Αστροφυσικής) μου επισήμανε ότι υπάρχει η άποψη ότι στους πίδακες, υπάρχουν και πληθυσμοί ποζιτρονίων, τα οποία και αυτά συνεισφέρουν στην εκπεμπόμενη ακτινοβολία σημαντικά. Ακόμα, οι ενέργειες που αναφέρω παραπάνω για τα φωτόνια, είναι στο σύστημα αναφοράς του υλικού που κινείται στον πίδακα. Το υλικό αυτό όμως κινείται σχετικιστικά και γι’ αυτό το λόγο υπάρχει και μια ενίσχυση της ενέργειας που βλέπουμε εμείς. Είναι δηλαδή δ φορές μεγαλύτερη, όπου δ είναι ο παράγοντας Doppler και είναι: $$\reverse\opaque \delta \equiv \frac{1}{\gamma(1-\beta cos\theta)}$$ όπου θ είναι η γωνία που σχηματίζει ο άξονας του πίδακα με εμάς. Τέλος η εικόνα των σχετικιστικών κρουστικών κυμάτων είναι αρκετά πιο περίπλοκη από αυτό που παρουσιάζω, αλλά απλά ήθελα να δώσω μια εικόνα του μηχανισμού.
Ακόμα θέλω να επισημάνω κάτι που ξέχασα να αναφέρω για τον μηχανισμό που δημιουργεί την έκλαμψη. Όπως αναφέρω και παραπάνω, υπάρχει ένας πληθυσμός ηλεκτρονίων, που έχουν κάποιο ενεργειακό φάσμα και αυτά ακτινοβολούν. Η έκλαμψη ενεργοποιείτε όταν αυξήσουμε την αριθμητική πυκνότητα των ηλεκτρονίων, δηλαδή όταν βάλουμε έξτρα ηλεκτρόνια στο σύστημα. Το μοντέλο δηλαδή θεωρεί ότι όπως κινείται το κρουστικό κύμα, συναντά μια αύξηση στην πυκνότητα και αυτό δημιουργεί την αύξηση στη ροή.

Το βίντεο της διάλεξης του Νανόπουλου.

Απόσπασμα από ομιλία του Δ. Νανόπουλου που δόθηκε στο Τμήμα Φυσικής του πανεπιστημίου Αθηνών στις 5 Δεκέμβρη 2007. Στο βίντεο υπάρχει το κομμάτι της ομιλίας που αναφέρετε στα δεδομένα του τηλεσκοπίου MAGIC και την θεωρία της ομάδας Νανόπουλου για την διασπορά του φωτός, καθώς και οι σχετικές ερωτήσεις. Το βίντεο είναι τραβηγμένο με ψηφιακή φωτογραφική κάμερα και γι’ αυτό έχει διακοπές (των μερικών δευτερολέπτων, αφού η κάμερα δεν μπορούσε να καταγράψει πάνω από 3’10”) στην ροή του. Επίσης οι μη ενδιαφέρουσες ερωτήσεις έχουν παραληφθεί.