Littérature scientifique sur le sujet « Raggi X: emissione »

Le stelle di neutroni sono il risultato dell'evoluzione di stelle massive dopo l'esplosione di supernova. Il progetto di questa Tesi di PhD consiste nello studio dell'emissione di raggi X da parte di stelle di neutroni isolate di età superiore a 100000 anni. Sono stati analizzati dati provenienti dal satellite XMM-Newton (ESA). Per estrarre la miglior informazione possibile dai dati, ho implementato un metodo di maximum likelihood (ML) e l'ho utilizzato per estrarre spettri e profili pulsati di pulsar vecchie in banda X, che poi sono stati analizzati con raffinati di emissione. La Tesi è strutturata come segue: nei primi tre capitoli illustro le proprietà principali delle stelle di neutroni, con particolare attenzione ai processi termici e non termici che producono raggi X. I raggi X non termici sono prodotti da particelle relativistiche accelerate da campi elettromagnetici; una frazione di queste particelle viene accelerata verso la superficie della stella, e riscalda le zone delle calotte polari magnetiche. La componente termica, che può essere prodotta dall'intera superficie o da una parte, viene solitamente descritta come un corpo nero; tuttavia, la presenza di intensi campi magnetici superficiali influenza le proprietà della materia, e la radiazione emessa è ampiamente anisotropa. Nel Capitolo 4 descrivo come ho generato spettri e profili pulsati sintetici, utilizzando modelli di emissione che considerano calotte polari ricoperte di un'atmosfera di idrogeno magnetizzata. Mi sono basata su un software esistente che, dato un certo set di parametri relativi alle proprietà fisiche della stella, stima l'intensità della radiazione prodotta. Successivamente, esso somma i contributi degli elementi di superficie che sono visibili all'osservatore alle differenti fasi di rotazione. Quindi, nel Capitolo 5 descrivo come ho implementato un software di analisi che si basa sul metodo di ML. Dato un certo modello, esso stima i parametri più probabili che ricostruiscono i dati osservati, nella fattispecie il numero di conteggi relativo alla sorgente e al background. Ho validato il metodo e dimostrato che esso è particolarmente efficace per sorgenti deboli, quali sono la maggior parte delle pulsar vecchie. Successivamente, ho applicato i metodi finora descritti ad alcune pulsar vecchie. Nel Capitolo 6 riporto l'analisi di PSR J0726-2612, una pulsar radio che ha alcune delle caratteristiche delle XDINSs: un periodo di rotazione lungo, un intenso campo magnetico, ed emissione X termica. Grazie ad un'analisi congiunta dello spettro e del profilo pulsato, ho mostrato che la presenza di impulsi radio in PSR J0726-2612, così come la loro assenza nelle XDINSs, potrebbe essere dovuta ad un'orientazione differente rispetto all'osservatore. Nel Capitolo 7 presento il caso di PSR B0943+10, una pulsar con emissione X sia termica sia non termica ma che, nonostante sia un rotatore allineato, ha una grande frazione pulsata. Sono riuscita a riappacificare i due diversi aspetti grazie ad un'attenta analisi di ML e all'intrinseca anisotropia dell'emissione termica prodotta da un'atmosfera magnetizzata. Nel Capitolo 8 ho invece applicato il metodo di ML su sette pulsar poco brillanti, delle quali quattro avevano diverse analisi già pubblicate in letteratura, ma con risultati discordanti, mentre le altre tre non erano ancora state rivelate in banda X. Ho trovato tracce evidenti di emissione termica solo in due oggetti, più un accenno nello spettro pulsato di un terzo oggetto. Infine, ho considerato tutte le pulsar vecchie che emettono raggi X termici e ho confrontato le misure di temperatura, raggio e luminosità alle aspettative dei modelli teorici. In particolare, ho scoperto che le aree di emissione sono generalmente in accordo con quelle previste dal modello di dipolo magnetico rotante, purché vengano considerati anche effetti di proiezione geometrica e modelli di emissione realistici, quali appunto i modelli di atmosfera magnetizzata.
Neutron stars are the remnants of massive stars whose cores collapse during the supernova explosions. The project of this PhD Thesis consisted in the study of the X-ray emission from isolated neutron stars older than about 100000 years. The work was based mainly on data obtained with the XMM-Newton satellite (ESA). To extract the best possible information from the data, I implemented a maximum likelihood (ML) technique and used it to derive the X-ray spectra and pulse profiles of several old pulsars, that were then studied with state-of-the-art models of X-ray emission. The Thesis is structured as follows: in the first three chapters I outline the main properties of neutron stars, with a major focus on the thermal and nonthermal processes that produce X-rays. The nonthermal X-rays are produced by relativistic particles accelerated by rotation-induced electric fields and moving along the magnetic field lines. A fraction of these particles is accelerated backward and returns on the stellar surface, heating the magnetic polar caps. The thermal component, that can be produced by the whole stellar surface or by small hot spots, can be described, in a first approximation, by a blackbody. However, the presence of intense surface magnetic fields strongly affects the properties of matter, and the emergent radiation is widely anisotropic. In Chapter 4, I describe how I generated synthetic spectra and pulse profiles using thermal emission models that consider polar caps covered by a magnetized hydrogen atmosphere or with a condensed iron surface. I relied on an existing software that, given a set of stellar parameters, evaluates the emerging intensity of the radiation. A second software, which I adapted on the sources I analyzed in the Thesis, collects the contribution of surface elements which are in view at different rotation phases from a stationary observer. Then, in Chapter 5, I describe how I implemented an analysis software that relies on the ML method. It estimates the most probable number of source and background counts by comparing the spatial distribution of the observed counts with the expected distribution for a point source plus an uniform background. I demonstrated that the ML method is particularly effective for dim sources, as most old pulsars are. Subsequently, I applied the methods described above to some old pulsars. In Chapter 6, I report the analysis of PSR J0726-2612, a radio pulsars that shares some properties with the radio-silent XDINSs, as the long period, the high magnetic field, and the thermal X-ray emission from the cooling surface. Thanks to an in-depth analysis of the combined spectrum and pulse profile, I showed that the presence of radio pulses from PSR J0726-2612, as well as the absence from the XDINSs, might simply be due to different viewing geometries. In Chapter 7, I present the case of PSR B0943+10, a pulsar with a nonthermal and thermal X-ray spectrum but that, despite being an aligned rotator, has a large pulsed fraction. I could reconcile the two opposite properties analyzing with the ML the spectrum and the pulse profile, and considering the magnetic beaming of a magnetized atmosphere model, that well fits the thermal component. In Chapter 8, I applied the ML method to seven old and dim pulsars, of which four had controversial published results, and three were so far undetected. I found convincing evidence of thermal emission only in the phase-averaged spectrum of two of them, plus a hint for a thermal pulsed spectrum in a third object. Finally, I considered all the old thermal emitters and I compared their observed temperatures, radii and luminosities to the expectations of the current theoretical models for these objects. In particular, I found that the emitting area are generally in agreement with the polar cap regions evaluated in a dipole approximation, if the combined effects of geometry projections plus realistic thermal models (as the magnetic atmosphere) are taken into account.

L'emissione di Bremsstrahlung, scoperta per la prima volta nel 1930 dal Carl Anderson, si ha come conseguenza dell'interazione tra elettroni e nuclei attraverso la forza di Coulomb: l'energia cinetica della particella in movimento viene convertita il radiazione, in modo che sia garantita la conservazione dell'energia. Identificata anche come emissione free-free, la Bremsstrahlung richiede la presenza di particelle libere, condizione largamente presente nei plasmi astrofisici. In questa tesi verrà dedicata particolare attenzione alle emissioni di Bremsstrahlung di nebulose planetarie, novae simbiotiche e oggetti celesti del nostro Sistema Solare.

L'elaborato è costituito da due capitoli principali. Il primo capitolo è incentrato prevalentemente sulla trattazione fisica del processo di emissione di Bremsstrahlung: nella prima parte si procede trattando il caso di singolo elettrone per poi passare al caso generale di emissione termica, si conclude affrontando il caso relativistico. Nel secondo capitolo vengono trattate le principali applicazioni astrofisiche del fenomeno. L'emissione per Bremsstrahlung implica una zona di gas altamente ionizzato: in tal senso viene studiata la regione HII caratterizzata dalla presenza di stelle calde e massive di tipo O/B che tramite la radiazione UV ionizzano il gas che le circonda. Nello spettro si osserva emissione Bremsstrahlung che va dall'ottico al radio. Altra applicazione riguarda le galassie ellittiche dove vi è gas altamente ionizzato situato attorno al nucleo. La fase del mezzo interstellare in questo tipo di galassie è l'HIM e vi è emissione di Bremsstrahlung. Infine si parla dell'emissione X causata dal processo di accrescimento tra un oggetto compatto ed una stella compagna.

La crescita delle instabilità del plasma può causare un'improvvisa perdita di energia termica e magnetica. In questi eventi disruttivi, gli elettroni possono venire accelerati a energie relativistiche e ottenere una frazione significativa dell'energia immagazzinata nel campo magnetico del tokamak. A queste velocità, le collisioni Coulombiane con il plasma di background diventano trascurabili e l'accelerazione dei runaway electrons è limitata solamente da effetti relativistici e perdite radiative. Quando il confinamento viene perso, il fascio energetico di runaway electrons può collidere con le componenti all'interno della camera da vuoto causando gravi danni. Gli eventi non mitigati di runaway electrons possono forzare lunghi periodi di arresto della durata di diversi mesi per consentire le riparazioni. Evitare questi scenari estremi è fondamentale per il successo di tokamak come ITER. Durante le disruzioni, i runaway electrons possono essere accelerati fino a energie nell'ordine di diversi MeV. Uno dei meccanismi che limitano questa accelerazione è l'emissione di radiazione di bremsstrahlung, causata dall'interazione delle particelle relativistiche con il plasma di background. A causa dell’elevata energia di questi elettroni, lo spettro della radiazione bremsstrahlung si estende fino a diversi MeV, nell’ intervallo di energia dei raggi X duri. Questo lavoro illustra come si possa ricostruire lo spazio di velocità dei runaway electrons dall'emissione di bremsstrahlung misurata. Nella prima metà di questo lavoro vengono discussi lo sviluppo, la caratterizzazione e l'implementazione di nuovi spettrometri a raggi X duri ottimizzati per la misura di bremsstrahlung da runaway electrons. Un nuovo spettrometro HXR compatto, con capacità di conteggio superiori a 1 Mcps, è stato sviluppato per il sistema Gamma-Ray Imager del tokamak DIII-D. Questo rivelatore si basa su un cristallo scintillatore YAP: Ce accoppiato con un fotomoltiplicatore di silicio. L'energia del rivelatore ha un ampio intervallo dinamico superiore a 20 MeV e una risoluzione energetica di circa il 9% a 661,7 keV. Il design di questo dispositivo è stato guidato dai risultati sperimentali raccolti a DIII-D con un precedente prototipo, basato su un cristallo scintillatore LYSO: Ce accoppiato con un fotomoltiplicatore di silicio. In questa sezione della tesi viene inoltre presentato lo sviluppo del Runaway Electron GAmma-Ray Detection System (REGARDS). REGARDS è un nuovo spettrometro HXR portatile a progettato per la misurazione della bremsstrahlung dei runaway electrons. Il rivelatore è basato su un cristallo scintillatore LaBr3: Ce accoppiato a un tubo fotomoltiplicatore. Il sistema ha un ampio intervallo dinamica per la spettroscopia HXR con un limite in energia superiore superiore a 20 MeV e una risoluzione energetica di circa il 3% a 661,7 keV. Il guadagno del rivelatore HXR di REGARDS è monitorato da un sistema di controllo esterno. REGARDS è stato utilizzato presso i tokamaks AUG e COMPASS. Nella seconda metà di questa tesi viene discussa l'analisi degli esperimenti di runaway electrons eseguiti presso i tokamaks AUG e JET. Un modello completo dell'emissione di bremsstrahlung è stato creato utilizzando il codice GENESIS e la funzione di risposta degli spettrometri HXR è stata generata utilizzando MCNP. La regolarizzazione di Tikhonov viene utilizzata per ricostruire la funzione di distribuzione dell'energia dei runaway electrons dalle misurazioni. Le funzioni di distribuzione di energia dei runaway electrons ricostruite consentono una descrizione quantitativa del fascio durante la scarica. Le informazioni raccolte con queste tecniche sono cruciali per comprendere la formazione di runaway electrons, per validare i modelli da principi primi e per valutare l'efficacia di diverse tecniche di mitigazione degli runaway electrons come la massive gas injection, la shattered pellet injection e la resonant magnetic perturbation.
The growth of plasma instabilities can cause a sudden loss of thermal and magnetic energy. In this disruptive event, electrons can be accelerated to relativistic energies and gain a significant fraction of the energy stored in the tokamak magnetic field. At these velocities, Coulomb collisions with background plasma become negligible and the acceleration of the runaway electrons is only limited by relativistic effects and radiative losses. When the post-disruption magnetic field is lost, the energetic runaway electron beam can collide with the in-vessel plasma-facing components causing severe and localized damage. Unmitigated runaway electron events can hinder operation by forcing long shutdown periods of several months to allow repairs. The avoidance of these extreme scenarios is paramount to the success of large-scale tokamaks. The threat posed by runaway electrons is a primary focus of the fusion community. Extensive modelling and experimental campaigns are currently ongoing in most large and medium-scale tokamaks. During disruptions, runaway electrons can be accelerated up to energies in the order of several MeVs. One of the mechanisms that limit this acceleration is the emission of bremsstrahlung radiation caused by the interaction of the relativistic particles with the background plasma. Due to the extreme energy these electrons can reach, the bremsstrahlung radiation spectrum extends to several MeVs, in hard X-ray energy range. This work illustrates how information on the runaway electron velocity space can be extracted from the measured bremsstrahlung X-ray emission. In the first half of this work, the development, characterization and implementation of novel hard x-ray spectrometers optimized for runaway electron bremsstrahlung measurement are discussed. A new compact HXR spectrometer with high counting rate capabilities in excess of 1 MCps was developed for the array configuration of the tokamak DIII-D Gamma-Ray Imager system. This detector is based on a YAP:Ce scintillator crystal coupled with a silicon photomultiplier. The detector energy has a wide dynamic range in excess of 20 MeV and an energy resolution of approximately 9% at 661.7 keV. The design of this device was informed by the experimental results collected at DIII-D with a previous prototype based on a LYSO:Ce scintillator crystal coupled with a silicon photomultiplier. In this section, the development of the Runaway Electron GAmma-Ray Detection System (REGARDS) is also presented. REGARDS is a novel portable hard X-ray spectrometer designed for RE bremsstrahlung measurement. The detector is based on a LaBr3:Ce scintillator crystal coupled with a photomultiplier tube. The system has a wide dynamic range for HXR spectroscopy with an upper energy bound in excess of 20 MeV and an energy resolution of approximately 3% at 661.7 keV. REGARDS HXR detector gain is monitored by an external gain control system. REGARDS was deployed at the tokamaks AUG and COMPASS. In the second half of this thesis, analysis of the runaway electron experiments performed at the tokamaks AUG and JET is discussed. A full model of the bremsstrahlung emission is created using the GENESIS code and the HXR spectrometers response function is generated using MCNP. Tikhonov regularization is used to reconstruct the runaway energy distribution function from the measurements. The reconstructed runaway electron energy distribution functions allow for a quantitative description of the runaway electron beam throughout the discharge. The information collected with these techniques is crucial to understand runaway electron formation, to validate first-principle models and to evaluate the effectiveness of different runaway electron mitigation techniques such as massive gas injection (MGI), shattered pellet injection (SPI) and magnetic resonant perturbation (RMP).