Rentgenovskaya astronomiya

---

<< 2. Kratkoe opisanie priborov | Oglavlenie | 4. Kratkie harakteristiki istochnikov >>

Razdely

• 3.1 Elementarnye processy
• 3.2 Izluchayushaya plazma.

---

3. Mehanizmy generacii izlucheniya v rentgenovskoi oblasti spektra.

3.1 Elementarnye processy

Rassmotrim osnovnye elementarnye processy, privodyashie k poyavleniyu rentgenovskih kvantov. Ih mozhno razdelit' na dve gruppy - teplovye i neteplovye. Pervye svyazany s izlucheniem nagretoi do vysokoi temperatury plazmy, pri etom v energiyu kvantov perehodit energiya teplovogo dvizheniya elektronov. Soglasno zakonu smesheniya Vina [] , v rentgenovskoi oblasti spektra mozhet izluchat' plazma, nagretaya do  K. Pri takih temperaturah prakticheski vse naibolee rasprostranennye himicheskie elementy polnost'yu ionizovany, za isklyucheniem elementov gruppy zheleza. Poetomu naibol'shee znachenie imeet tormoznoe izluchenie. Neteplovoe izluchenie voznikaet, kogda zaryazhennye chasticy priobretayut energiyu ne za schet vysokoi temperatury plazmy, a uskoryayutsya kakim-libo mehanizmom (naprimer, pri perezamykanii silovyh linii magnitnogo polya v solnechnyh vspyshkah) do relyativistkih energii. V etom sluchae raspredelenie elektronov po energiyam yavlyaetsya ne maksvellovskim, a stepennym.

a).

Tormoznoe izluchenie (bremsstrahlung) ili izluchenie pri svobodno-svobodnyh perehodah elektronov v pole ionov. Koefficient izlucheniya raven:

(2)

Zdes' -faktor Gaunta, kvantovomehanicheskaya popravka k klassicheskomu vyrazheniyu dlya koefficienta izlucheniya, blizkaya k 1 i slabo zavisyashaya ot chastoty i temperatury, i - zaryad i koncentraciya ionov, - koncentraciya elektronov.

b).

Izluchenie pri svobodno-svyazannyh perehodah i lineichatoe izluchenie tyazhelyh elementov. Naibolee zametnymi zdes' yavlyayutsya:

1).

Rentgenovskaya liniya neitral'nogo zheleza na energii 6.4 keV, obrazuyushayasya pri perehode elektrona s L na K obolochku. Predvaritel'no elektron dolzhen byt' vybit s etoi obolochki rentgenovskim kvantom. Takim obrazom, eta liniya yavlyaetsya fluorescentnoi, i obrazuetsya pri prohozhdenii rentgenovskogo izlucheniya cherez opticheski tonkoe oblako neitral'nogo veshestva, ili pri otrazhenii rentgenovskogo izlucheniya ot opticheski tolstoi neitral'noi sredy.

2).

Rentgenovskaya liniya vodorodopodobnogo Fe XXVI zheleza na energii 6.97 keV i geliepodobnogo zheleza Fe XXV na energii 6.7 keV. Izluchayutsya goryachei plazmoi.

v).

Magnito-tormoznoe ciklotronnoe i sinhrotronnoe izluchenie. Kak izvestno, zaryazhennye chasticy (v chastnosti, elektrony) v magnitnom pole dvigayutsya po spirali, i izluchayut pri etom energiyu. Esli srednyaya kineticheskaya energiya elektronov men'she energii pokoya elektrona , to izluchenie yavlyaetsya ciklotronnym i proishodit na chastote

(3)

i ee garmonikah. Vidno, chto pri napryazhennosti magnitnogo polya Gs, harakternogo dlya neitronnyh zvezd v rentgenovskih pul'sarah, ciklotronnoe izluchenie popadaet v rentgenovskuyu oblast' spektra, a pri napryazhennosti magnitnogo polya Gs, harakternogo dlya belyh karlikov v polyarah i promezhutochnyh polyarah, - v opticheskuyu i infrakrasnuyu.

V sluchae, kogda energiya elektronov sravnima ili prevoshodit ih energiyu pokoya , izluchenie nazyvaetsya sinhrotronnym. Maksimum ego izlucheniya prihoditsya na chastotu

(4)

g).

Komptonovskoe rasseyanie fotonov na elektronah. V processe rasseyaniya foton i elektron obmenivayutsya energiei, i rezul'tiruyushie znacheniya energii elektrona i chastoty fotona opredelyayutsya iz zakonov sohraneniya impul'sa i energii. V chastnosti, otnoshenie chastoty fotona posle rasseyaniya k pervonachal'noi opredelyaetsya vyrazheniem:

(5)

Zdes' - kosinus ugla rasseyaniya fotona, i - kosinusy uglov mezhdu vektorom skorosti elektrona do rasseyaniya i napravleniem dvizheniya fotona do i posle rasseyaniya, - energiya elektrona do rasseyaniya (sm. ris. 6). V sluchae, esli energiya elektrona do rasseyaniya mnogo men'she energii rentgenovskogo fotona, foton peredaet chast' svoei energii elektronu, etot process nazyvaetsya effektom otdachi (pryamoi effekt Komptona), i rezul'tiruyushee izmenenie chastoty fotona opredelyaetsya vyrazheniem (5) c .

V nerelyativistskom predele imeem:

(6)

Ris. 6. Shema Komptonovskogo rasseyaniya fotona na elektrone

V sluchae, kogda energiya elektronov bol'she energii fotonov, elektron otdaet chast' svoei energii fotonu, vsledstvie effekta Doplera (obratnyi effekt Komptona), i rezul'tiruyushee srednee uvelichenie chastoty opredelyaetsya vyrazheniem:

(7)

V sluchae, kogda raspredelenie elektronov po skorostyam maksvellovskoe (teplovye elektrony), dannoe vyrazhenie mozhno usrednit' po skorostyam, chto daet dlya srednei velichiny v nerelyativistskom predele ( ) i v ul'trarelyativistskom predele ( ). Zdes' .

Takim obrazom, v nerelyativistskom predele, kogda effekty otdachi i Doplera maly i skladyvayutsya v pervom priblizhenii lineino, srednee izmenenie chastoty fotona pri odnom akte rasseyaniya na teplovyh elektronah opredelyaetsya vyrazheniem:

(8)

Takovy osnovnye elementarnye processy, kotorye mogut privodit' k poyavleniyu rentgenovskih kvantov. Rassmotrim teper' osnovnye astrofizicheskie situacii, pri kotoryh mogut generirovat'sya rentgenovskie kvanty.

3.2 Izluchayushaya plazma.

V zavisimosti ot vida raspredeleniya elektronov po energiyam (po skorostyam) izluchenie plazmy podrazdelyaetsya na teplovoe (kogda raspredelenie maksvellovskoe) i na neteplovoe (kak pravilo, stepennoe raspredelenie elektronov po energiyam , kotoroe poyavlyaetsya v rezul'tate uskoreniya elektronov i protonov elektromagnitnymi polyami i/ili udarnymi volnami)

Teplovoe izluchenie.

V sluchae teplovogo izlucheniya plazma mozhet byt' opticheski tolstoi ili opticheski tonkoi. Opticheski tonkaya plazma izluchaet harakternyi ploskii spektr s eksponencial'nym zavalom, po forme sovpadayushii s koefficientom izlucheniya (2), tak kak reshenie uravneniya perenosa izlucheniya v odnorodnom ploskom sloe bez ucheta rasseyaniya s funkciei istochnika, ravnoi funkcii Planka, imeet vid:

Zdes' i - koefficient poglosheniya i geometricheskaya tolshina sloya sootvetstvenno. Goryachaya ( ) opticheski tonkaya plazma imeetsya v koronah zvezd i Solnca, v ostatkah vspyshek Svehnovyh zvezd, v skopleniyah galaktik i koronah ellipticheskih galaktik.

Opticheski tolstaya plazma izluchaet v pervom priblizhenii kak absolyutno chernoe telo , esli mozhno prenebrech' rasseyaniem na elektronah. V tom sluchae, kogda neprozrachnost' opredelyaetsya rasseyaniem na elektronah, spektr mozhet iskazhat'sya. Bolee togo, pri opredelennyh usloviyah, blagodarya mnogokratnomu komptonovskomu rasseyaniyu s naborom energii, mozhet sformirovat'sya stepennoi spektr izlucheniya (sm. razdel 5). Etot process nazyvaetsya komptonizaciei.

Rentgenovskoe izluchenie takogo tipa obrazuetsya v processe akkrecii veshestva na kompaktnyi ob'ekt - neitronnuyu zvezdu ili chernuyu dyru v dvoinoi sisteme (sm. ris.7).

Pri akkrecii veshestva massoi na kompaktnyi ob'ekt massoi potencial'naya gravitacionnaya energiya perehodit v kineticheskuyu (veshestvo razgonyaetsya v gravitacionnom pole), kotoraya zatem perehodit v teplovuyu pri ostanovke vblizi poverhnosti, i izluchaetsya. Kolichestvo izluchaemoi energii ravno:

Takim obrazom, pri postoyannom tempe akkrecii svetimost' kak kolichestvo izluchaemoi v edinicu vremeni energii opredelyaetsya vyrazheniem:

gde - radius neitronnoi zvezdy ( 10 km). Legko poluchit', chto pri tempe akkrecii /god ( g/s) na neitronnuyu zvezdu massoi ravnoi odnoi masse Solnca ( = g) obespechivaetsya svetimost' erg/s. Eta energiya izluchaetsya s ploshadi neitronnoi zvezdy, i my mozhem opredelit' ee effektivnuyu temperaturu:

kotoraya v nashem primere okazyvatsya K. Kak my uzhe vyyasnili ranee, telo, nagretoe do takoi temperatury, izluchaet v rentgenovskom diapazone spektra. Svetimosti dvoinyh rentgenovskih istochnikov blizki k poluchennym nami, poetomu model' akkrecii na kompaktnyi ob'ekt v dvoinoi sisteme, predlozhennaya dlya ih ob'yasneniya, kazhetsya pravil'noi. Estestvenno, chto proishodyashie pri etom processy bolee slozhny, chem my tol'ko chto opisali. V chastnosti, v dvoinoi sisteme peretekayushee so vtorichnoi komponenty veshestvo obladaet uglovym momentom, kotoryi ne pozvolyaet emu vypadat' neposredstvenno na kompaktnyi ob'ekt. Ono obrazuet tak nazyvaemyi akkrecionnyi disk (ris.8), v kotorom veshestvo teryaet izbytochnyi uglovoi moment, blagodarya vnutrennemu treniyu i medlenno, po spirali, vypadaet na kompaktnyi ob'ekt. Potencial'naya gravitacionnaya energiya vypadayushego veshestva, blagodarya treniyu, perehodit v teplo i izluchaetsya.

Imenno blagodarya obrazovaniyu akkrecionnogo diska, mozhet izluchat' pri vypadenii na nee veshestva i chernaya dyra, hotya u nee i net tverdoi poverhnosti. Teoriya diskovoi akkrecii byla postroena v nachale 70-h godov moskovskimi astrofizikami N.I. Shakuroi (GAISh) i R.A. Syunyaevym (IKI RAN) (Shakura i Syunyaev, 1973). Odnim iz naibolee fundamental'nyh ee rezul'tatov mozhno schitat' poluchennoe raspredelenie effektivnoi temperatury po radiusu diska:

Zadacha 1. Vychislit' polnuyu svetimost' diska. Uchest', chto on imeet dve storony.

Sledovatel'no, polnyi spektr diska budet skladyvat'sya iz spektrov otdel'nyh ego kolec s raznoi temperaturoi. Vo vnutrennih oblastyah akkrecionnyh diskov vysokoi svetimosti imeyutsya blagopriyatnye usloviya dlya formirovaniya stepennyh spektrov, blagodarya processu komptonizacii.

Neteplovoe izluchenie.

Izvestno, chto zaryazhennye chasticy mogut priobretat' bol'shie energii, ne tol'ko blagodarya vysokoi temperature, no i vsledstvie uskoreniya v elektromagnitnyh polyah i vo vremya razlichnyh vzryvnyh processov tipa vspyshek sverhnovyh zvezd. Nasha uverennost' v etom osnovana na dvuh nablyudatel'nyh faktah - nalichiyu Galakticheskih kosmicheskih luchei i solnechnyh kosmicheskih luchei. Poslednie uverenno svyazyvayutsya s solnechnymi vspyshkami, a Galakticheskie kosmicheskie luchi skoree vsego obyazany svoim proishozhdeniem vspyshkam sverhnovyh zvezd. Kosmicheskie luchi sostoyat v osnovnom iz zaryazhennyh chastic - protonov, elektronov, - chastic i nebol'shoi primesi bolee tyazhelyh yader. V kosmicheskih luchah chasticy imeyut stepennoe raspredelenie po energiyam, poetomu my vprave predpolagat', chto i v astrofizicheskih ob'ektah, v kotoryh mogut byt' neteplovye uskorennye chasticy, ih raspredelenie po energiyam yavlyaetsya stepennym.

Naibol'shei izluchatel'noi sposobnost'yu sredi vseh zaryazhennyh chastic obladayut elektrony. Naibolee effektivno sinhrotronnoe izluchenie elektronov v magnitnom pole. V tom sluchae, kogda elektrony imeyut stepennoe raspredelenie po energiyam, spektr opticheski tonkogo sinhrotronnogo izlucheniya takzhe budet stepennym:

Sinhrotronnym mehanizmom prekrasno ob'yasnyaetsya radioizluchenie kvazarov i aktivnyh yader galaktik i ves' spektr (v tom chisle i rentgenovskii) pul'sara v Krabovidnoi tumannosti. Rentgenovskie spektry mnogih astrofizicheskih ob'ektov (v chastnosti, kvazarov i aktivnyh yader galaktik) takzhe yavlyayutsya stepennymi, i poetomu kazhetsya zamanchivym schitat' ih prodolzheniem sinhrotronnogo radiospektra. Odnako teplovaya plazma, blagodarya effektu Komptona, takzhe sposobna generirovat' stepennoi spektr (sm. nizhe). Sdelat' vybor mezhdu teplovym i neteplovym mehanizmom generacii stepennogo rentgenovskogo spektra mozhno, izmeriv ego polyarizaciyu. Polyarizaciya sinhrotronnogo izlucheniya dolzhna byt' velika i dostigat' 20-30% ( ), chto i nablyudaetsya v sinhrotronnyh radiospektrah. Polyarizaciya pri rasseyanii na elektronah ne mozhet prevyshat' 12%. K sozhaleniyu, v nastoyashee vremya polyarizaciya izlucheniya astrofizicheskih ob'ektov v rentgenovskoi oblasti spektra ne mozhet byt' izmerena.

Pereidem teper' k rassmotreniyu osnovnyh istochnikov rentgenovskogo izlucheniya.

---

<< 2. Kratkoe opisanie priborov | Oglavlenie | 4. Kratkie harakteristiki istochnikov >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: rentgenovskoe izluchenie - kosmicheskie observatorii - detektory izlucheniya - rentgenovskie istochniki Publikacii so slovami: rentgenovskoe izluchenie - kosmicheskie observatorii - detektory izlucheniya - rentgenovskie istochniki
Sm. takzhe: Tumannost' Orla i goryachie rentgenovskie zvezdy 2MASS J17554042+6551277 Teleskop JWST na puti k tochke L2 Kosmicheskii teleskop "Dzheims Vebb" nad Zemlei Neozhidannoe rentgenovskoe izluchenie iz skopleniya galaktik v Persee Kosmicheskii teleskop im. Dzheimsa Vebba: prizraki i zerkala Vysokoenergichnoe izluchenie Andromedy Vse publikacii na tu zhe temu >>