Emissione di Compton inverso e applicazioni astrofisiche

Le modalità di interazione tra particelle libere (ad esempio gli elettroni) e i fotoni dipendono dal valore energetico dei fotoni rispetto a quella degli elettroni. Si possono distinguere tre scenari. Nel primo l’elettrone viene assunto fermo e il fotone scarsamente energetico, l’elettrone assorbe il fotone e lo riemette alla stessa frequenza della radiazione incidente. Si ha in questo caso la diffusione Thomson e non si ha quindi una perdita di energia da parte del fotone. Nel secondo caso il fotone, che ha un’energia comparabile con l’energia a riposo dell’elettrone (si tratta tipicamente di fotoni X e γ) riesce a trasferire parte del suo impulso all’elettrone che, anche se inizialmente fermo, viene posto in movimento. Il fotone pertanto perde energia e si sposta a lunghezze d’onda maggiori. Questo fenomeno è chiamato effetto Compton. Nel terzo caso l’elettrone relativistico ha un’energia cinetica sufficientemente elevata rispetto a quella del fotone e, diversamente dai casi precedenti, si ha un trasferimento di energia dall’elettrone al fotone che verrà spostato a frequenze maggiori (X e γ). Questo fenomeno è per questo denominato Compton inverso (IC) ed è il processo radiativo che verrà approfondito nel seguente elaborato. L’IC ricopre varie applicazioni astrofisiche e grazie a esso sono spiegabili diversi fenomeni. Vedremo come sia possibile, in una radiosorgente compatta, avere fotoni radio emessi per sincrotrone e successivamente diffusi a energie maggiori, tramite IC, dagli stessi elettroni che li hanno emessi (Synchrotron-Self Compton); oppure come una popolazione di fotoni, attraversando una regione occupata da elettroni liberi, possa subire una distorsione dello spettro a causa delle molteplici interazioni di Compton e Inverse Compton. In particolare affronteremo il caso in cui la Comptonizzazione agisce sulla radiazione cosmica di fondo, e come da esso sia possibile ricavare informazioni sia sull’ammasso che sui parametri cosmologici.