<< 4.5 Molekulyarnye oblaka | Oglavlenie | 4.7 Diagnostika plazmy >>
4.6 Kosmicheskie luchi i sinhrotronnoe izluchenie
Kosmicheskimi luchami (KL) nazyvayut earyazhennye chasticy vysokoi energii
(do
eV), prihodyashimi izh mezhzvezdnogo prostranstva.
Byli otkryty avstr. fizikom Viktorom Gesse v 1912 g.
Oni napominayut sil'no razrezhennyi relyativistskii gaz, chasticy kotorogo ne
vzaimodeistvuyut drug s drugom, no inogda stalkivayutsya s chasticami MZS
i vzaimodeistvuyut s mezhzvezdnym magnitnym polem. Preobladayut
protony, no imeyutsya elektrony, yadra geliya i bolee tyazhelyh elementov do 
.
Potok vblizi Zemli sravnitel'no mal, okolo 1 chasticy/(sm
c), odnako
plotnost' energii 
eV/sm
sravnima s plotnost'yu
summarnogo EM izlucheniya zvezd v Galaktike, energii teplovogo dvizheniya
mezhzvezdnogo gaza i kineticheskoi energii ego turbulentnyh dvizhenii i
s plotnost'yu energii magnitnogo polya Galaktiki
(t.n. teorema o ravnoraspredelenii,
sledstvie global'noi stacionarnosti). Spektr KL stepennoi, neteplovoi,
imeet neskol'ko harakternyh izlomov, v srednem pokazatel' spektra okolo
3 (
[keV/sm/c/keV/ster]).
KL energii
eV prihodyat s ravnoi veroyatnost'yu s lyubogo
napravleniya na nebe (izotropno). Etot fakt interpretiruetsya kak svidetel'stvo
ih galakticheskogo proishozhdeniya i uderzhaniya KL magnitnym polem Galaktiki.
Potok KL sverhvysokih
energii (
eV) kraine mal (okolo 1 chasticy/km/100 let ),
odnako imenno KL sverhvysokih energii predstavlyayut soboi odnu
iz zagadok sovremennoi astrofiziki i fiziki chastic.
KL vzaimodeistvuyut pri stolknoveniyah s protonami i yadrami mezhzvezdnogo veshestva, s krupnomasshtabnym magnitnym polem, a takzhe s izlucheniem.
- Relyativistskie protony i gamma-izluchenie. Vzaimodeistvie
s veshestvom osushestvlyaetsya po kanalu sil'nogo vzaimodeistviya pri
popadanii protona v yadro s kazhdym nuklonom v otdel'nosti, t.k.
dlina volny De Broilya relyativistskogo protona s energiei
sm mnogo men'she
razmerov yadra. Pri rasseyanii na nuklonah yadra voznikayut vtorichnye
nuklony i zaryazhennye piony do teh por, poka energiya, prihodyashayasya na chasticu,
ne upadet nizhe poroga mnogokratnogo rozhdeniya pionov (okolo 1 GeV).
Takim obrazom, pervonachal'naya energiya chasticy KL perehodit v energiyu
pionov, strannyh chastic i antinuklonov (t.n. proces pionizacii).
Dalee vtorichnye protony teryayut enregiyu na ionizaciyu i tormozyatsya
do polnoi ostanovki. Neitral'nye piony raspadayutsya na 2 gamma-kvanta
za vremya
c
.
Zaryazhennye piony raspadayutsya na myuony i
myuonnoe neitrino, neitrino uhodit, a zaryazhennye myuony raspadayutsya na
elektrony i pozitrony i neitrino.
Srednee znachenie energii gamma-kvantov pri raspade
70 MeV.
Polnoe znachenie secheniya processa fotoraspada poryadka geometricheskogo
cecheniya protona ili yadra, v srednem
cm. Etot process daet osnovnoi
vklad v gamma-izluchenie Galaktiki na energiyah vyshe 100 MeV. Na etih
energiyah gamma-izluchenie pryamo otrazhaet raspredelenie protonov i
KL v Galaktike. Izluchenie koncentriruetsya k disku Galaktiki i
v napravlenii na ee centr i v osnovnom svyazano s fotoraspadom pionov
pri vzaimodeistvii protonov KL s yadrami molekulyarnogo vodoroda v
gigantskih molekulyarnyh oblakah.
- Zaryazhennaya chastica dvizhetsya v odnorodnom magnitnom pole
po vintovoi
traektorii, radius kotoroi (giroradius, ili Larmorovskii radius)
opredelyaetsya napryazhennost'yu polya i impul'som chasticy 
.
Dlya relyativistskih chastic energiya i impul's svyazany sootnosheniem 
i giroradius dlya chasticy s zaryadom 
t.e. poryadka neskol'kih astronomicheskih edinic dlya harakternogo znacheniya napryazhennosti krupnomasshtabnogo magnitnogo polya Galaktki. Pri harakternyh masshtabah astrofizicheskih zadach parseki i kiloparseki eto oznachaet, chto dvizhenie takih chastic proishodit vdol' napravleniya polya. V zaputannom magnitnom pole traektoriya otdel'noi chasticy KL pohozha na brounovskoe bluzhdanie, poetomu govoryat o diffuzionnom rasprostranenii kosmicheskih luchei v Galaktike. Odnako dlya KL s energiyami
eV
Larmorovskii radius prevoshodit razmery Galaktiki (10 kpk) i t.o.
eti chasticy "ne chuvstvuyut" magnitnoe pole Galaktiki
(a vnegalakticheskoe krupnomasshtabnoe magnitnoe pole
namnogo slabee galakticheskogo) i
dvizhutsya prakticheski po pryamoi traektorii ot istochnika.
Naibolee sushestvenno prisutstvie magnitnogo polya skazyvaetsya na elektronnoi komponente KL. Pri dvizhenii relyativistskogo elektrona v magnitnom pole voznikaet sinhrotronnoe izluchenie. V otlichie ot nerelyativistskogo elektrona (magnitotormoznoe izluchenie na girochastote
),
odin relyativistskii elektron c energiei
izluchaet na mnogih chastotah (tem
samym formiruetsya nepreryvnyi spektr), s maksimumom vblizi chastoty
,
gde 
skorost' dvizheniya elektrona po orbite s radiusom
krivizny 
. Otmetim, chto mozhno schitat' mgnovennym
raliusom krivizny traektorii, i dlya relyativistskogo elektrona s
bol'shim Lorenc-faktorom 
, dvizhushemsya prakticheski vdol'
silovoi linii magnitnogo polya so skorost'yu sveta,
voznikaet t.n. izgibnoe izluchenie,
svyazannoe s sobstvennoi krupnomasshtabnoi kriviznoi silovoi linii.
Eto izluchenie osobenno vazhno v magnitosferah pul'sarov - neitronnyh
zvezd s sil'nym magnitnym polem okolo 
Gs vblizi poverhnosti.
Pri stepennyh raspredeleniyah relyativistskih elektronov po energiyam
,
chasto vstrechayushihsya v astrofizicheskih usloviyah,
summarnyi spektr sinhrotronnogo izucheniya takzhe imeet stepennoi
vid
. Drugaya harakternaya osobennost'
sinhrotronnogo izlucheniya - vysokaya stepen' lineinoi polyarizacii,
v odnorodnom magnitnom pole dostigayushaya
.
Napravlenie polyarizacii perpendikulyarno proekcii vektora napryazhennosti
magnitnogo polya na kartinnuyu ploskost'.
Poteri energii relyativistskih elektronov pri sinhrotronnom izluchenii proporcional'ny kvadratu energii (Lorenc-faktoru) chasticy i plotnosti energii magnitnogo polya
gde
:
- Tomsonovskoe sechenie4.11. Otmetim shodstvo (vplot' do chislennogo
koefficienta) sinhrotronnyh (4.11) i komptonovskih poter'
(4.9) energii relyativistskim elektronom. Eto svyazano
s tem, chto v oboih sluchayah chastica uskoryaetsya elektricheskim polem -
nevazhno, v postoyannom magnitnom pole ili v summarnom
elektrichekom pole otdel'nyh fotonov. V formuly dlya nekogerentnogo
izlucheniya vhodyat kvadraty amplitudy polya, poetomu skladyvayutsya imenno
energii.
Vremya tormozheniya elektrona v magnitnom pole iz-za sinhrotronnyh poter'
i dlya elektronnoi komponenty KL s energiei
eV okolo 
let.
Eto oznachaet, chto elektrony KL imeyut galakticheskoe proishozhdenie.
- Vzaimodeistvie relyativistskih
zaryazhennyh chastic s izlucheniem osushestvlyaetsya
cherez obratnoe Komptonovskoe rasseyanie i pri fotorozhdenii pionov i
elektron-pozitronnyh par. Vselennaya zapolnena chernotel'nym reliktovym izlucheniem
s temperaturoi
K
s plotnost'yu energii 
eV/sm.
Pri dvizhenii zaryazhennoi relyativistkoi chasticy (protona) s Lorenc-faktorom
energiya kvanta v sisteme otscheta protona
. Porog obrazovaniya pionov fotonami okolo 200 MeV,
poetomu reliktovye fotony s energiei
eV sposobny
rozhdat' piony dlya chastic s
(t.e. dlya
chastic s enegiei vyshe 
eV). V deistvitel'nosti
integrirovanie po funkcii Planka i po uglam privodit k umen'sheniyu
porogovoi energii do
eV. Sechenie reakcii
sm, poetomu v pole reliktovyh fotonov s plotnost'yu
chastic
sm
dlina svobodnogo probega otnositel'no
rasseyaniya
sm
Mpk (vremya
let). T.k. rozhdaetsya pion s energiei
,
poteri energii pri edinichnom stolknovenii s reliktovym fotonom sostavlyayut
dolyu
, i znachit za 
let proton poteryaet vsyu
energiyu i uidet pod porog reakcii. Sledovatel'no, protony sverhvysokih
energii ne mogut prihodit' s rasstoyanii bol'shih, chem 30 Mpk (mestnoe
sverhskoplenie galaktik). Rozhdenie elektron-pozitronnyh par imeet na
dva poryadka bol'shee sechenie, odnako unosimaya energiya v
raz men'she, i v rezul'tate
processs tormozheniya bystrogo protona fotorozhdeniem par v 6 raz menee
effektiven, chem pri fotorozhdenii pionov. Effekt obrezaniya spektra
KL sverhvysokih energii v pole reliktovyh fotonov nosit nazvaniya effekta
Greinera-Zacepina-Kuz'mina, po imeni avtorov, ukazavshih
na ego vazhnost' v seredine 60-h gg.
4.6.1 Problema proishozhdeniya i uskoreniya KL sverhvysokih energii
KL dolzhny byt' uskoreny kakim-libo neteplovym mehanizmom,
t.k. temperatura dazhe v centrah zvezd ne prevyshaet neskol'kih keV.
Po sovremennym predstavleniyam, naibolee veroyatnym mehanizmom
uskoreniya elektronnoi i protonnoi komponenty
KL do vysokih energii yavlyaetsya statisticheskoe uskorenie chastic
na frontah udarnyh voln, vyzvannyh vspyshkami sverhnovyh.
Sut' etogo mehanizma (predlozhennogo E.Fermi) sostoit
v tom, chto pri mnogokratnyh stolknoveniyah chasticy
v dvizhusheisya srede so skorost'yu 
v srednem energiya chasticy vozrastaet
na velichinu
, i v itoge formiruetsya stepennoi
spektr raspredeleniya chastic po energiyam. V sluchae odnih lobovyh
stolknovenii
, i takaya situaciya mozhet realizovat'sya na
fronte sil'noi udarnoi volny pri vspyshke sverhnovyh ili
v okrestnostyah aktivnyh yader galaktik i kvazarov.
Drugoi mehanizm uskoreniya - elektromagnitnyi, kogda
zaryazhennaya chastica uskoryaetsya v elektricheskom pole. Staticheskie
elektricheskie
polya nevozmozhny v plazme iz-za vysokoi provodimosti - vsyakoe otklonenie
ot elektroneitral'nosti v plazme vyzyvaet tok, ekraniruyushii pole.
Odnako v nestacionarnyh elektromagnitnyh polyah uskoreniya chastic
vozmozhno do ochen' vysokih energii. Naprimer, v magnitosferah
pul'sarov magnitnye polya dostigayut Gs u poverhnosti.
Dazhe pri minimal'no vozmozhnyh periodah vrasheniya neitronnyh
zvevzd 
c razmer volnovoi zony, v kotoroi mozhet proishodit'
uskorenie zaryazhennyh chastic, poryadka
km.
U osnovaniya volnovoi zony
elektricheskoe pole, vyzvannoe maksimal'no bystro
izmenyayushimsya magnitnym polem,
nahoditsya iz uravneniya Maksvella
i okazyvaetsya poryadka napryazhennosti
magnitnogo polya:
.
Zaryazhennaya chastica mozhet priobretat' vnutri volnovoi zony
energiyu
eV
dlya tipichnogo znacheniya polya u poverhnosti
bystrovrashayusheisya neitronnoi zvezdy 
Gs. Takim obrazom,
v principe problemy s uskoreniem chastic do ochen' vysokih
energii ne voznikaet. Odnako kak pokazyvayut eksperimenty, spektr
KL sverhvysokih energii ne ispytyvaet ozhidaemogo zavala na
energiyah
eV (chto ogranichivaet oblast' iz prihoda
razmerom mestnogo sverhskopleniya), a nablyudaemye KL na etih energiyah
prihodyat izotropno so vseh napravlenii (net koncentracii k ploskosti
Galaktiki i k ee centru), prichem oni ne associiruyutsya ni s odnim
iz izvestnyh astronomicheskih ob'ektov vnutri etoi dostatochno
horosho izuchennoi oblasti.
Poetomu problema proishozhdeniya KL s energiei vyshe 
eV
ostaetsya odnoi iz nereshennyh v sovremennoi astrofizike kosmicheskih
luchei.
<< 4.5 Molekulyarnye oblaka | Oglavlenie | 4.7 Diagnostika plazmy >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
zvezdy - Mezhzvezdnaya sreda - Kosmologiya - teoreticheskaya astrofizika - astrofizika
Publikacii so slovami: zvezdy - Mezhzvezdnaya sreda - Kosmologiya - teoreticheskaya astrofizika - astrofizika | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
