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RADIACIÓN SINCROTRÓN

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RADIOASTRONOMÍA VI - Fuentes de Radio en el Universo - 2) LA RADIACIÓN SINCROTRÓN

Las partículas con carga eléctrica, (electrones, protones, iones ...), cuando son aceleradas y alcanzan velocidades altas, (una fracción apreciable de la velocidad de la luz ~ partículas relativistas), generan una radiación electromagnética característica denominada 'radiación sincrotrón'.  El nombre viene de su descubrimiento en 1946 en un acelerador sincrotrón de General Electric.  Un acelerador sincrotrón es un acelerador de partículas en el que se 'obliga' a éstas a mantener un movimiento circular mediante campos magnéticos, aumentando su velocidad a medida que dan vueltas en el acelerador gracias a un campo eléctrico oscilante en un punto de la trayectoria.

A medida que las partículas aumentan su velocidad aumenta también el radio de su órbita, por lo que describen una trayectoria en espiral y acabarían chocando con las paredes del anillo, pero si se ajusta la frecuencia de oscilación del campo eléctrico conforme las partículas van ganando velocidad, se puede conseguir una trayectoria circular estable.  Por otra parte, cuando se alcanzan velocidades relativistas, la energía radiada en forma de radiación sincrotrón puede llegar a igualar la energía suministrada para acelerarlas, alcanzándose entonces un límite que define la velocidad máxima de las partículas en el acelerador, (limitada también, claro está, por el radio de la trayectoria).

La potencia radiada por una partícula con carga eléctrica y acelerada viene dada por la fórmula de Larmor:   P = q2 a2 / 6 π €0 c3,  (donde  q  es la carga eléctrica de la partícula, a  es la aceleración, la permisividad eléctrica del vacío y la velocidad de la luz).  La radiación se concentra en un cono centrado en la dirección de la velocidad, con un ángulo de abertura que se hace más estrecho cuanto mayor es ésta.  Además, el espectro de la radiación es un continuo al solaparse los diferentes armónicos que van apareciendo al aumentar la velocidad, por lo que se la suele considerar como 'luz blanca '.  El hecho de que este espectro vaya desde las ondas de radio hasta longitudes de onda de rayos X, (pasando por el infrarrojo, el visible, la luz ultravioleta, ...), hace que 'la luz sincrotrón' tenga innumerables aplicaciones, como se puede ver en este vídeo divulgativo de Carlos Álvaro.

"La Luz Sincretrón" - @ Carlos David Álvaro Yunta - Premio de Instituto Nicolás Cabrera (Universidad Autónoma de Madrid) - 2012


La radiación sincrotrón en el espacio.-

La mayor parte de la materia en el Universo está ionizada, esto es, compuesta por partículas libres con carga eléctrica.   Cuando un gas tiene una parte apreciable de su masa ionizada se llama 'plasma' y es sensible a los campos magnéticos externos al mismo.   Es fácil imaginar por tanto que en el Universo se dan multitud de procesos astrofísicos donde 'nubes' de gas y plasma se ven obligadas a rotar por dichos campos magnéticos y también en los discos de acreción gravitatorios en torno a estrellas masivas o agujeros negros. Todos estos procesos son fuente de radiación sincrotrón, hasta el extremo de que esta radiación es la que domina en el espectro continuo de radiación de origen 'no térmico'.



1 - emisión de radiación sincrotrón2 - forma del haz (beam) de la radiación según aumenta la velocidad de las partículas cargadas (derecha)

Como puede verse en la figura 1, las partículas cargadas, (en este caso electrones), emiten la radiación sincrotrón en la dirección de su trayectoria cuando son aceleradas.  Esta aceleración está originada por un intenso campo magnético que las obliga a rotar en torno a las líneas del campo.   Si la partícula tiene a su vez una velocidad propia, el movimiento resultante será helicoidal como se aprecia en la imagen.

En la figura 2 se representa la forma del haz de radiación que tiene forma toroidal en un plano paralelo a la trayectoria, (en la imagen sólo se muestra una sección de ese toroide).   Cuando la velocidad aumenta, el haz se deforma concentrándose en un estrecho cono.  En este caso, (partículas relativistas), la radiación es muy direccional por tanto.  La abertura del 'cono de luz' es un ángulo que, expresado en radianes, tiene un valor   θ = 2 [1 - (v/c)2]1/2.  Véase mejor en la siguiente figura:


La radiación máxima se da a una frecuencia definida que depende de la velocidad:   fmáx = e B / 4 π m0 [ 1 - (v/c)2 ]   hz,  (donde e y m0 son la carga eléctrica del electrón y su masa respectivamente, B es el valor del campo magnético, v la velocidad y c la velocidad de la luz).   Pero también a medida que la velocidad se hace mayor los diferentes armónicos que van apareciendo se van solapando por lo que la radiación se emite en un continuo:



solapamiento de armónicoscontinuo resultante de la emisión

A diferencia de la radiación de origen térmico, la radiación sincrotrón disminuye su intensidad según aumenta la frecuencia, lo que la hace fácilmente reconocible a partir de su índice espectral.



El índice espectral de una fuente, , se obtiene a partir de la emisión recibida, S1 y S2, a dos frecuencias distintas, , siendo en este caso la pendiente del flujo entre las dos frecuencias,  

En el caso de la radiación no térmica este índice es negativo y su valor varía entre -0.5 y -1.5.   Para la radiación sincrotrón el valor típico está en torno a -0.7.   En la radiación de origen térmico el índice espectral es positivo y varía entre 0 y 2, lo que indica que el espectro de radiación es una curva creciente con la frecuencia, como puede verse en las imágenes anteriores.  Para bajas frecuencias, como las propias de la región radio, este índice es generalmente de +2.

A continuación se presentan algunas imágenes de procesos astrofísicos que generan radiación sincrotrón a partir de la rotación de plasmas en torno a discos de acreción y presencia de campos magnéticos intensos como los presentes en estrellas de neutrones que giran a gran velocidad (púlsares).




 

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