---

<< 4.5 Молекулярные облака, области | Оглавление | 4.7 Другие методы диагностики >>

Разделы

• 4.6.1 Проблема происхождения и ускорения КЛ сверхвысоких энергий

---

4.6 Космические лучи и синхротронное излучение

Космическими лучами (КЛ) называют эаряженные частицы высокой энергии (до  эВ), приходящими иж межзвездного пространства. Были открыты австр. физиком Виктором Гессе в 1912 г. Они напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы которого не взаимодействуют друг с другом, но иногда сталкиваются с частицами МЗС и взаимодействуют с межзвездным магнитным полем. Преобладают протоны, но имеются электроны, ядра гелия и более тяжелых элементов до . Поток вблизи Земли сравнительно мал, около 1 частицы/(смc), однако плотность энергии  эВ/см сравнима с плотностью суммарного ЭМ излучения звезд в Галактике, энергии теплового движения межзвездного газа и кинетической энергии его турбулентных движений и с плотностью энергии магнитного поля Галактики (т.н. теорема о равнораспределении, следствие глобальной стационарности). Спектр КЛ степенной, нетепловой, имеет несколько характерных изломов, в среднем показатель спектра около 3 ( [кэВ/см/c/кэВ/стер]). КЛ энергий  эВ приходят с равной вероятностью с любого направления на небе (изотропно). Этот факт интерпретируется как свидетельство их галактического происхождения и удержания КЛ магнитным полем Галактики. Поток КЛ сверхвысоких энергий ( эВ) крайне мал (около 1 частицы/км/100 лет ), однако именно КЛ сверхвысоких энергий представляют собой одну из загадок современной астрофизики и физики частиц.

КЛ взаимодействуют при столкновениях с протонами и ядрами межзвездного вещества, с крупномасштабным магнитным полем, а также с излучением.

1. Релятивистские протоны и гамма-излучение. Взаимодействие с веществом осуществляется по каналу сильного взаимодействия при попадании протона в ядро с каждым нуклоном в отдельности, т.к. длина волны Де Бройля релятивистского протона с энергией  см много меньше размеров ядра. При рассеянии на нуклонах ядра возникают вторичные нуклоны и заряженные пионы до тех пор, пока энергия, приходящаяся на частицу, не упадет ниже порога многократного рождения пионов (около 1 ГэВ). Таким образом, первоначальная энергия частицы КЛ переходит в энергию пионов, странных частиц и антинуклонов (т.н. процес пионизации). Далее вторичные протоны теряют энрегию на ионизацию и тормозятся до полной остановки. Нейтральные пионы распадаются на 2 гамма-кванта за время  c . Заряженные пионы распадаются на мюоны и мюонное нейтрино, нейтрино уходит, а заряженные мюоны распадаются на электроны и позитроны и нейтрино.

   Среднее значение энергии гамма-квантов при распаде 70 МэВ. Полное значение сечения процесса фотораспада порядка геометрического cечения протона или ядра, в среднем  cм. Этот процесс дает основной вклад в гамма-излучение Галактики на энергиях выше 100 МэВ. На этих энергиях гамма-излучение прямо отражает распределение протонов и КЛ в Галактике. Излучение концентрируется к диску Галактики и в направлении на ее центр и в основном связано с фотораспадом пионов при взаимодействии протонов КЛ с ядрами молекулярного водорода в гигантских молекулярных облаках.

2. На движущуюся заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца, поэтому в общем случае произвольного направления вектора скорости частицы по отношению к силовой линии магнитного поля частица будет двигаться по винтовой траектории. В однородном магнитном поле с напряженностью ее радиус (гирорадиус, или Ларморовский радиус) определяется напряженностью поля и импульсом частицы . Для релятивистских частиц энергия и импульс связаны соотношением и гирорадиус для частицы с зарядом
   
   
   
   
   т.е. порядка нескольких астрономических единиц для характерного значения напряженности крупномасштабного магнитного поля Галактки. При характерных масштабах астрофизических задач в парсеки и килопарсеки это означает, что движение частиц таких энергий происходит вдоль направления поля. В запутанном магнитном поле траектория отдельной частицы КЛ похожа на броуновское блуждание, поэтому говорят о диффузионном распространении космических лучей в Галактике. Однако для КЛ с энергиями  эВ Ларморовский радиус превосходит размеры Галактики (10 кпк) и т.о. эти частицы "не чувствуют" магнитное поле Галактики (а внегалактическое крупномасштабное магнитное поле намного слабее галактического) и движутся практически по прямой траектории от источника.

   Наиболее существенно присутствие магнитного поля сказывается на электронной компоненте КЛ. При движении релятивистского электрона в магнитном поле возникает синхротронное излучение. В отличие от нерелятивистского электрона (магнитотормозное излучение на гирочастоте ), один релятивистский электрон c энергией излучает на многих частотах (тем самым формируется непрерывный спектр), с максимумом вблизи частоты , где скорость движения электрона по орбите с радиусом кривизны . Отметим, что можно считать мгновенным радиусом кривизны траектории, и для релятивистского электрона с большим Лоренц-фактором , движущемся практически вдоль силовой линии магнитного поля со скоростью света, возникает т.н. изгибное излучение, связанное с собственной крупномасштабной кривизной силовой линии. Это излучение особенно важно в магнитосферах пульсаров - нейтронных звезд с сильным магнитным полем около  Гс вблизи поверхности.

   При степенных распределениях релятивистских электронов по энергиям , часто встречающихся в астрофизических условиях, суммарный спектр синхротронного изучения также имеет степенной вид . Другая характерная особенность синхротронного излучения - высокая степень линейной поляризации, в однородном магнитном поле достигающая . Направление поляризации перпендикулярно проекции вектора напряженности магнитного поля на картинную плоскость.

   Потери энергии релятивистских электронов при синхротронном излучении пропорциональны квадрату энергии (Лоренц-фактору) частицы и плотности энергии магнитного поля :
   

   (4.11)

   
   
   где - Томсоновское сечение^4.11. Отметим сходство (вплоть до численного коэффициента) синхротронных (4.11) и комптоновских потерь (4.9) энергии релятивистским электроном. Это связано с тем, что в обоих случаях частица ускоряется электрическим полем - неважно, в постоянном магнитном поле или в суммарном электричеком поле отдельных фотонов. В формулы для некогерентного излучения входят квадраты амплитуды поля, поэтому складываются именно энергии.

   Время торможения электрона в магнитном поле из-за синхротронных потерь
   

   (4.12)

   
   
   и для электронной компоненты КЛ с энергией  эВ около лет. Это означает, что электроны КЛ имеют галактическое происхождение.

3. Взаимодействие релятивистских заряженных частиц с излучением осуществляется через обратное Комптоновское рассеяние и при фоторождении пионов и электрон-позитронных пар. Вселенная заполнена чернотельным реликтовым излучением с температурой  К и плотностью энергии  эВ/см. При движении заряженной релятивисткой частицы (протона) с Лоренц-фактором энергия кванта в системе отсчета протона . Порог образования пионов фотонами около 200 МэВ, поэтому реликтовые фотоны с энергией  эВ способны рождать пионы для частиц с (т.е. для частиц с энергией выше  эВ). В действительности интегрирование по функции Планка и по углам приводит к уменьшению пороговой энергии до  эВ. Сечение реакции  см, поэтому в поле реликтовых фотонов с плотностью частиц  см длина свободного пробега относительно рассеяния  см Мпк (время  лет). Т.к. рождается пион с энергией , потери энергии при единичном столкновении с реликтовым фотоном составляют долю , и значит за  лет протон потеряет всю энергию и уйдет под порог реакции. Следовательно, протоны сверхвысоких энергий не могут приходить с расстояний больших, чем 30-50 Мпк (местное сверхскопление галактик). Рождение электрон-позитронных пар имеет на два порядка большее сечение, однако уносимая энергия в раз меньше, и в результате процессс торможения быстрого протона фоторождением пар в 6 раз менее эффективен, чем при фоторождении пионов. Эффект обрезания спектра КЛ сверхвысоких энергий в поле реликтовых фотонов носит названия эффекта Грейнера-Зацепина-Кузьмина, по имени авторов, указавших на его важность в середине 60-х гг.

4.6.1 Проблема происхождения и ускорения КЛ сверхвысоких энергий

КЛ должны быть ускорены, очевидно, каким-либо нетепловым механизмом, т.к. температура даже в центрах звезд не превышает нескольких кэВ. По современным представлениям, наиболее вероятным механизмом ускорения электронной и протонной компоненты КЛ до высоких энергий является статистическое ускорение частиц на фронтах ударных волн, вызванных вспышками сверхновых. Суть этого механизма (предложенного Э. Ферми) состоит в том, что при многократных столкновениях частицы в движущейся среде со скоростью энергия частицы в среднем возрастает на величину , и в итоге формируется степенной спектр распределения частиц по энергиям. В случае одних лобовых столкновений , и такая ситуация может реализоваться на фронте сильной ударной волны при вспышке сверхновых или в окрестностях активных ядер галактик и квазаров.

Другой механизм ускорения - электромагнитный, когда заряженная частица ускоряется в электрическом поле. Статические электрические поля невозможны в плазме из-за высокой проводимости - всякое отклонение от электронейтральности в плазме вызывает ток, экранирующий поле. Однако в нестационарных электромагнитных полях ускорения частиц возможно до очень высоких энергий. Например, в магнитосферах пульсаров магнитные поля достигают Гс у поверхности. Даже при минимально возможных периодах вращения нейтронных звевзд c размер волновой зоны, в которой может происходить ускорение заряженных частиц, порядка  км. У основания волновой зоны электрическое поле, вызванное максимально быстро изменяющимся магнитным полем, находится из уравнения Максвелла и оказывается порядка напряженности магнитного поля: . Заряженная частица может приобретать внутри волновой зоны энергию  эВ для типичного значения поля у поверхности быстровращающейся нейтронной звезды  Гс. Таким образом, в принципе проблемы с ускорением частиц до очень высоких энергий не возникает. Однако как показывают эксперименты, спектр КЛ сверхвысоких энергий не испытывает ожидаемого завала на энергиях  эВ (что ограничивает область из прихода размером местного сверхскопления), а наблюдаемые КЛ на этих энергиях приходят изотропно со всех направлений (нет концентрации к плоскости Галактики и к ее центру), причем они не ассоциируются ни с одним из известных астрономических объектов внутри этой достаточно хорошо изученной области. Поэтому проблема происхождения КЛ с энергией выше  эВ остается одной из нерешенных в современной астрофизике космических лучей.

---

<< 4.5 Молекулярные облака, области | Оглавление | 4.7 Другие методы диагностики >>

Публикации с ключевыми словами: звезды - Межзвездная среда - Космология - теоретическая астрофизика - астрофизика Публикации со словами: звезды - Межзвездная среда - Космология - теоретическая астрофизика - астрофизика
См. также: Открытие самых массивных звезд. Местное межзвездное облако Полярные сияния и звездные дуги над Юконом Антирецензия: П.Коулз "Космология. Очень краткое введение" Как расширялась Вселенная в 2009 году Звездная ночь Винсента ван Гога Звездные скопления в NGC 1313 Все публикации на ту же тему >>