Astronomide temel Işınım mekanizmaları

Temelde foton üreten mekanizmalar ısısal ve ısısal olmayan süreçle olarak 2'ye ayırmak mümkündür. 

Isısal ışınım mekanizması kara cisim olark bilir ve Planck fonksiyonu olarak matematiksel ifadesi ile gösterilebilir. Örn: ısısal frenleme (Bremsstrahlung) ışıması...
Isısal olmayan ise güç yasası (Power law) ifade edilir. Örn: Senkrotron, frenleme (Bremsstrahlung)...
Bunun yanında elektronlar ile etkileşim sonucu fotonlar daha düşük enerjik olurken, Compton saçılması; aynı zamanda daha yüksek enerjik durumuna da, ters-Compton saçılması, sahip olabilir.
Yani saçılma ile foton daha yüksek ve düşük enerjili olabilir, ancak burada foton üretilmiyor sadece var olan fotonda değişimler meydana geliyor.

1- Kara Cisim Işıması

Üzerine düşen enerjinin tamamını soğuran cisme” kara cisim” denir. Kara cismin yaptığı ışınıma “kara cisim ışınımı” denir. 

Sıcaklıkları mutlak sıfırın (-273) üstünde olan tüm cisimler belli bir ışınım yayarlar. Bu ışınım basit olarak kara cisim ışıması olarak bilinir. Bu ışımayı Kirchhoff, ışınım akısının yalnız cismin sıcaklığına ve frekansına ya da dalga boyuna bağlı olduğunu söyleyebilmiş ancak bu bağlılığı belirten bir fonksiyon bulamamıştır. Kara cisim ışınımın tayfsal formu sadece sıcaklığa bağlı olup Planck kanunu ile ifade edilir. Planck formülü eşitlik 2.13’teki gibi ifade edilir.
 

W. Wien, kara cisim ışınımında renklere göre akı dağılımının sıcaklığa nasıl bağlı olduğunu “Wien kayma yasası” olarak tanımlamıştır (eşitlik 2.14). 

 burada: T K biriminde sıcaklık ve ! dalga boyunu ifade eder. Dolayısıyla, sıcaklık ile dalga boyu arasında bir ilişki söz konusu olmaktadır. Wien yasası sonucu, bilinen bir ışınım dağılımından diğerine geçmek mümkün olmaktadır. Bir diğer sonucu da ışınım yapan kara cismin sıcaklığının bulunabilmesidir. Bu sonuca göre, yıldızlar belli yüzey sıcaklığına sahip birer kara cisim olarak varsayılırlar. Işınımları kabaca Planck fonksiyonu ile karakterize edilebilirler. Dolayısıyla yıldızların hangi renkte olabileceği yaptıkları kara cisim ışınıma bağlı etkin sıcaklıkları ile belirlenebilmektedir. 

2- Frenleme (Bremsstrahlung) Işıması

Elektronların enerji kaybettikleri önemli bir mekanizma frenleme ışımasıdır. Elektronlar sıcak plazma içerisinde pozitif yüklü parçacıklarla etkileşir. Etkileşen parçalıklar bu süreçte birbirine bağlanmaz. Ancak momentumları değişir. Frenleme ışıması için gazın sıcaklığının 107 − 108 K civarında ve optikçe ince gaz olması gerekir. Böyle sıcak bir gazda serbest elektronlar pozitif yüklü bir çekirdeğin yakınından geçerken elektriksel Coulomb kuvveti ile ivmelenerek yollarından sapar ve ivmelenmenin etkisi ile frenlenen elektronlar enerji kaybederler. Böyle bir süreçten sonra elektronlar kaybettikleri enerji ile orantılı bir şekilde foton yayınlar. Sıcak bir plazma içerisinde serbest-serbest ışınım yapan frenleme ışınımı tayfı v hızına sahip rölativistik olmayan bir elektron için toplam ışınım gücü aşağıdaki formülle ifade edilir:

Burada bminve bmak elektron ve pozitif yüklü çekirdeklerin etkileştikleri en büyük ve en küçük mesafesi, me elektronun kütlesi, c ışık hızı, e elektronun yükü, N plazmadaki iyon sayısı, Z pozitif yüklü iyonların atom numarası, Eo boş uzayın elektriksel geçirgenlik katsayısını temsil eder. 

Sonuç olarak, sıcak bir plazma içerisinde Coulomb elektriksel çekim kuvveti etkilenmesi ile serbest-serbest ışınıma yapan elektronlar tarafından üretilen ışınıma frenleme (bremsstrahlung ) ışınımı denir. 

3- Compton Saçılması 

Temelde bir fotonun bir elektron ile elastik çarpışması sonucu fotonun daha düşük frekanslarda saçılmasını sağlayan mekanizmadır. Fotonun dalgaboyu, saçılmanın açısına göre değişmektedir. Çarpışma elastik olduğundan toplam momentum korunur.
Arthur H. Compton, verilen bir dalga boyundaki ışınımın (X-ışınları bölgesinde) bir metal yarıktan geçirildiğinde klasik ışınım kuramıyla bağdaşmayan bir şekilde saçıldığını keşfetmiştir. Compton, daha sonra verilen bir açıdan saçılan ışınımın iki bileşeni olduğunu, bunlardan birinin dalgaboyu gelen ışınımınki ile aynı, diğerininkinin ise gelen ışınımın dalgaboyuna göre belli bir açıyla saçıldığını tesbit etmiştir:

Burada lambda dalga boyu, h Planck sabiti, me elektronun kütlesi, c ışık hızı, teta fotonun saçılma açısını temsil eder. 

Eşitlikten görülebileceği gibi foton ile elektron arasında enerji aktarımı teta açısına bağlıdır. Dolayısıyla fotondan elektrona enerji aktarımı söz konusu ise buna Compton saçılması denilmektedir. 

4- Ters-Compton Saçılması 

5- Senkrotron Self-Compton Saçılması (SSC) 

Bu ışınım, senkrotron ışıması sonucu üretilen fotonların ters-Compton saçılması ile enerji kazandıkları ışınım mekanizmasıdır. Bu ışınım gama-ışınım patlamaları ve AGÇ’ler gibi birçok astronomik kaynakta önemli bir mekanizma olarak ortaya çıkar. Ters-Compton saçılması (Lters-Compton), foton enerji yoğunluğu (Uışınım) ile orantılıyken senkrotron ışınımı da (Lsenkrotron), manyetik alan yoğunluğu (Umanytik alan) ile orantılıdır:

Eşitlikteki sonuca göre senkrotron ışınımın fazla olması hem ters-Compton saçılması hem de senkrotron self-Compton saçılmasının fazla olmasını sağlar, ayrıca manyetik alan büyüklüğü bu mekanizma içerisinde önemli bir yer almaktadır. Bu ışınım mekanizması özellikle gama-ışınlarına neden olduğu öne sürülmektedir.