Astronet Астронет: С. А. Каплан,  "Физика Космоса", 1986 Синхротронное излучение
http://variable-stars.ru/db/msg/1188715

Синхротронное излучение

 - один из видов магнитотормозного излучения: излучение эл.-магн. волн заряженными частицами (в космосе преимущественно электронами), движущимися с релятивистскими скоростями в магн. поле H. Впервые наблюдалось в ускорителях электронов - синхротронах. Магн. поле искривляет траекторию движения электронов (см. Лоренца сила), и возникающее при этом ускорение явл. причиной эл.-магн. излучения. Этот механизм часто использкется для объяснения радио-, оптич. и рентг. излучений самых различных космич. источников.

Аналогичное излучение нерелятивистских частиц (см. Циклотронное излучение) происходит на осн. гиромагнитной частоте $\nu_C=qH/(2\pi mc)$ и ее первых гармониках (q и m - заряд и масса покоя частицы).

Излучение заряженных релятивистских частиц, т.е. частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, обладает рядом существенных отличий от излучения медленных частиц. Из-за эффекта Доплера частота света, излучаемого быстродвижущейся частицей в направлении своего движения, сильно повышается, интенсивность излучения на высоких гармониках возрастает. У релятивистских частиц с энергией $E\gg mc^2$ излучение в области высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора $\psi\sim mc^2/E$.

Релятивистский электрон, движущийся в магн. поле, описывает либо окружность (если у него нет компонента скорости вдоль поля), либо спираль. Частота вращения его в магн. поле H есть
$\nu_H={eH\over{4\pi mc}} \cdot {mc^2\over E} = {ecH\over{2\pi E}}$ . (1)

Здесь и далее под H будет подразумеваться компонент поля, перпендикулярный вектору скорости частицы (т.е. $H_\bot$).

Узкий конус, в пределах к-рого заключено излучение электрона, поворачивается вместе с поворотом вектора мгновеной скорости электрона (рис.). Это означает, что наблюдатель, находящийся в плоскости орбиты электрона, видит вспышки излучения в те моменты времени, когда скорость электрона направлена на него. Вспышки следуют через промежутки времени $2\pi E/ecH$, длительность каждой вспышки $\sim (2mc/eH)\cdot (mc^2/E)^2 $.

Поскольку частота повторения вспышек достаточно велика, наблюдатель практически видит непрерывное излучение. Макс. мощность С.и. одного электрона в единичном интервале частот ок. частоты $\nu_m$ [см. (3)] и в единичном телесном угле равна:
$P_\nu={1,6 e^3 H\over{4\pi mc^2}}=1,7\cdot 10^{23} H \left( {эрг\over{с\cdot ср\cdot Гц}} \right)$ , (2)
где H выражено в Э. На меньших частотах излучение уменьшается как $\nu^{1/3}$ , а на больших уменьшается экспоненциально $\sim \nu^{1/2}\exp(-0,29\nu/\nu_m)$ .

Важными особенностями обладает поляризация С.и. Для наблюдателя, находящегося точно в плоскости орбиты электрона, излучение поляризовано линейно с электрич. вектором, лежащим в плоскости орбиты. На нек-ром угловом расстоянии от этой плоскости поляризация эллиптическая, причем разных знаков по обе стороны от плоскостию Кроме того, интенсивность эллиптически поляризованного излучения незначительна. При усреднении излучения системы электронов остается лишь линейная поляризация. Иными словами, система релятивистских электронов, находящаяся в однородном магн. поле, дает линейно поляризованное С.и. с электрич. вектором, перпендкулярным магнитному полю.

Излучение релятивистского электрона во внешнем
магнитном поле HВН. В плоскости, в которой
расположены векторы скорости электрона v и
напряженности электрического поля E, излучение
линейно поляризовано.
Если бы у всех электронов была примерно одинаковая энергия, то спектр излучения этой системы имел бы максимум на частоте
$\nu_m={eH\over{4\pi mc}} \cdot \left( {E\over {mc^2}} \right)^2 = 1,4\cdot 10^6 H \left( {E\over {mc^2}} \right)^2$ (Гц) . (3)
В космич. условиях релятивистские электроны имеют различную энергию. Чаще всего распределение электронов по энергиям аппроксимируют степенной ф-цией, т.е. число электронов N в ед. объма с энергией от E до $E+\Delta E$:
$N(E)\Delta E={K\over{E^\gamma}}\cdot (mc^2)^{\gamma-1}\cdot \Delta E$ , (4)
где K и $\gamma$ - постоянные.

С.и. ед. объма в единичном телесном угле и в единичном интервале частот (т.н. коэфф. излучения) определяется соотношением:
$j_\nu=a(\gamma) {e^3 H\over{mc^2}} \left( {3eH\over{4\pi m^3 c^5}} \cdot {1\over\nu} \right)^{(\gamma-1)/2} \cdot K \left( {эрг\over{с\cdot см^2 \cdot ср\cdot Гц}} \right)$ , (5)
где $a(\gamma)$ - зависящий от $\gamma$ численный коэфф., близкий к 0,1-0,2 при $1,5<\gamma<5$. Степень линейной поляризации этого излучения равна $(\gamma+1)(\gamma+7/3)$. Величина $(\gamma-1)/2=\alpha$ наз. спектральным индексом С.и.

Если концентрация релятивистских электронов не слишком велика, то интенсивность излучения определяется по ф-ле $I_\nu=j_\nu l$, где l - размер области излучения. При большой концентрации электронов необходимо учитывать и самопоглощение ими С.и. Отношение коэфф. излучения $j_\nu$ к коэфф. поглощения $\varkappa(\nu)$:
${j\over{\varkappa_\nu}}=b(\gamma) \left( {4\pi m^3 c \over {3eH}} \nu^5 \right)^{1/2}$ , (6)
где численный коэфф. $b(\gamma)$ меняется от 0,7 до 0,1 при $1,5<\gamma<5$.

Приведенные выше соотношения справедливы, если излучающие электроны находятся в вакууме. В достаточно плотной плазме характер излучения меняется: уменьшается направленность излучения и резко падает его интенсивность. Это приводит к "завалу" спектра излучения на частотах, меньших $7ecn_e/H$, где ne - концентрация электронов плазмы. Зато здесь появляется возможность синхротронного мазерного излучения (см. Мазерный эффект). С.и. в радиодиапазоне часто наз. нтепловым, поскольку его спектр сильно отличается от спектра теплового излучения. Спектр С.и. нельзя характеризовать одним значением темп-ры, как в случае теплового излучения. Если концентрация релятивистских электронов настолько велика, что самопоглощение ими С.и. становится существенным, спектр С.и. можно охарактеризовать с помощью зависящей от частоты эффективной темп-ры Tэ, к-рая в энергетич. единицах равна:
$kT_э(\nu)\approx mc^2 \left( {4\pi m c \over {eH}} \nu^5 \right)^{1/2}$ .

Синхротронный механизм используется для интерпретации излучения объектов как нашей Галактики, так и др. галактик; радио-, оптич. и рентг. излучения Крабовидной туманности и др. туманностей - остатков вспышек сверхновых звезд; нек-рых видов излучения Солнца, пульсаров, квазаров.

Лит.:
Синхротронное излучение, М., 1966; Гинзбург В.Л., Теоретическая физика и астрофизика, М., 1975; Каплан С.А., Пикельнер С.Б., Физика межзвездной среды, М., 1979; Роув Э., Уивер Дж., Использование синхротронного излучения, УФН, 1978, т. 126, в. 2.

(С.А. Каплан)


Глоссарий Astronet.ru

Rambler's Top100 Яндекс цитирования