Astronet > Komptonizaciya

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Komptonizaciya

- izmenenie chastoty fotonov v rezul'tate mnogokratnyh komptonovskih rasseyanii na teplovyh (t.e. s Maksvella raspredeleniem po energiyam) elektronah. K. yavl. vazhneishim mehanizmom obmena enegiei mezhdu plazmoi i izluchenie v rannei Vselennoi i v kompaktnyh rentg. istochnikah. K. v teplovoi plazme mozhet privodit' k harakternym stepennym spektram rentgenovskogo izlucheniya, nablyudaemym v takih ob'ektah, kak Lebed' H-1, kvazary i yadra galaktik.

Ris. 1. Profil' rentgenovskoi linii zheleza
$h\nu_0\approx 6,4$ keV posle
odnogo rasseyaniya fotonov na teplovyh elektronah
s zadannoi temperaturoi E_u.
Po vertikal'noi osi - chislo fotonov v edinichnom
intervale energii, po gorizontal'noi -
energiya fotonov (keV). Stupenchatost' krivyh
obuslovlena metodom rascheta Monte-Karlo.

Izmenenie energii i impul'sa foto na v rezul'tate odnogo rasseyaniya opisyvaetsya f-lami, privedennymi v st. Komptonovskoe rasseyanie. Na ris. pokazany rezul'taty rascheta spektra fotonov monohromatich. linii s $h\nu_0\approx 6,4 \mbox{keV} \ll m_es^2$ , ispytavshih odno rasseyanie na teplovyh elektronah. Vidno, chto pri nizkih temp-rah elektronov T_e fotony iz-za effekta otdachi sdvigayutsya v storonu nizkih chastot, otdavaya svoyu energiyu elektronam. Simmetrichnaya dvugorbaya krivaya, sootvetstvuyushaya kT_e= 0, otrazhaet svoistva releevskoi indikatrisy rasseyaniya (veroyatnost' rasseyaniya maksimal'na dlya rasseyaniya vpered i nazad). Pri rasseyanii vpered izmenenie chastoty minimal'no, a pri rasseyanii nazad - maksimal'no. Uzhe dlya kT_e= 1 eV stanovitsya zametnym vliyanie Doplera effekta na profil' linii. Pri dal'neishem povyshenii T_e effekt Doplera ushiryaet liniyu, no ee "centr tyazhesti" po-prezhnemu smeshaetsya v storonu nizkih chastot. I lish' pri $kT_e>1/4h\nu_0$ pravoe krylo linii posle rasseyaniya stanovitsya moshnee levogo, t.e. elektrony v srednem peredayut svoyu energiyu el.-magn. izlucheniyu, ohlazhdayas' pri etom.

Ris. 2. Formirovanie stepennogo
spektra izlucheniya (sploshnaya
liniya, $I_\nu$ -
otnositel'naya intensivnost')
pri rasseyanii nizkochastotnyh
fotonov s $h\nu_0=10^{-8}m_ec^2$
na teplovyh elektronah s
$kT_e= 0,5 m_ec^2$ =250 keV.
Pokazany vklady otdel'nyh rasseyanii
(preryvistye linii, cifry
ryadom s nimi - chislo rasseyanii)
v oblake plazmy $\tau_T=10^{-3}$ (a).
Naklon spektra tem men'she,
chem bol'she opticheskaya tolsha
oblaka $\tau_T$ (b).

Izmenenie chastoty fotonov s $h\nu\ll m_es^2$ pri rasseyanii na teplovyh elektronah s $kT_e\ll m_es^2$ ochen' malo, no mnogokratnoe povtorenie rasseyanii i malogo obmena energiei mezhdu elektronami i fotonami privodit k znachit. effektam. V rezul'tate $m_es^2/h\nu_0$ rasseyanii na holodnyh elektronah foton mozhet poteryat' (peredat' elektronam) znachit, chast' svoei energii. Dostatochno primerno $m_es^2/4kT_e$ rasseyanii nizkochastotnogo fotona s $h\nu_0$ na goryachih ( $kT_e\gg m_es^2$ ) elektronah, chtoby ego energiya stala poryadka kT_e. Pri etom elektrony ohlazhdayutsya.

K. v kompaktnyh istochnikah rentgenovskogo izlucheniya.
V kompaktnyh rentg. istochnikah spektr izlucheniya obychno formiruetsya v oblake vysokotemperaturnoi plazmy sravnitel'no maloi opticheskoi tolshi po tomsonovskomu rasseyaniyu $\tau_T\sim 1-10$ . Istochnikami nizkochastotnyh fotonov v oblake plazmy mogut byt': izluchenie bolee plotnyh oblakov, sobstvennoe tormoznoe izluchenie, ciklotronnoe izluchenie elektronov v sil'nom magn. pole, dvoinoi kompton-effekt, a takzhe izluchenie vnesh. istochnikov. Eti fotony diffundiruyut v oblake. V srednem oni ispytyvayut v nem primerno ${\bar u}\sim\tau_T^2$ rasseyanii, no sushestvuet konechnaya veroyatnost' $P(u)\sim\exp(-u/{\bar u})$ ispytat' namnogo bol'shee chislo rasseyanii u, chem srednee ( ${\bar u}$ ), i sil'no izmenit' svoyu energiyu vsledstvie K.

Mehanizm uvelicheniya energii fotonov napominaet statisticheskii mehanizm uskoreniya kosmicheskih luchei, predlozhennyi Fermi. I v tom i v drugom sluchae formiruetsya stepennoi spektr (v odnom sluchae - izlucheniya, v drugom - kosmich. luchei). Na ris. 2 pokazano, kak v rezul'tate mnogokratnyh rasseyanii nizkochastotnyh fotonov na teplovyh elektronah formiruetsya stepennoi spektr (t.e. intensivnost' izlucheniya $I_\nu\sim\nu^\alpha$ , gde $\alpha$ - spektr. indeks). Lish' tysyachnaya dolya fotonov ispytyvaet odno rasseyanie v oblake, millionnaya - dva, milliardnaya - tri. Spektr, formiruyushiisya v rezul'tate individual'nogo rasseyaniya, imeet harakternyi eksponencial'nyi zaval (umen'shenie intensivnosti), no rezul'tiruyushii spektr - summa vseh rasseyanii - okazyvaetsya stepennym.

Energiya fotonov uvelichivaetsya za schet effekta Doplera do teh por, poka $h\nu< 4kT_e$ ; pri $h\nu> 4kT_e$ , dominiruet effekt otdachi. Sovmestnoe deistvie dvuh effektov formiruet pri $h\nu> 3kT_e$ vinovskii zaval spektra $I_\nu\sim\nu^3\exp(-h\nu/kT_e)$ . V oblasti $h\nu_0 < h\nu < k T_e$ (gde $\nu_0$ - harakternaya chastota nizkochastotnyh fotonov istochnika) spektr izlucheniya, vyhodyashego iz istochnika, yavl. stepennym s
$\alpha=-3/2+\sqrt{9/4+\delta}$ ,
gde $\delta=\pi^2m_e c^2/[3kT_e(\tau_T+2/3)^2]$ .

Ris. 3. Spektr izlucheniya istochnika
Lebed' H-1, eksperimental'nye tochki
polucheny pri balonnyh nablyudeniyah.
Sploshnaya krivaya postroena v sootvetstvii
s teoriei komptonizacii dlya
$\delta=2,\; \alpha= 0,57,\; kT_e = 26,5$ keV.

Teoretich. spektr, formiruyushiisya v rezul'tate K., prekrasno soglasuetsya s nablyudaemym zhestkim spektrom rentg. izlucheniya ot istochnika Lebed' H-1 - izvestnogo kandidata v chernye dyry (ris. 3). Sravnenie dannyh nablyudenii s teoriei pozvolilo opredelit' temp-ru elektronov kT_e=26,5 keV v zone akkrecionnogo diska, gde formiruetsya rentg. izluchenie, i optich. tolshu diska otnositel'no tomsonovskogo rasseyaniya $\tau_T=4$ . T.o., poverhnostnaya plotnost' veshestva v diske okazalas' 10 g/sm². K. izlucheniya v akkrecionnyh diskah soprovozhdaetsya harakternoi lineinoi polyarizaciei zhestkogo rentg. izlucheniya. Stepen' polyarizacii zavisit lish' ot $\tau_T$ i ugla nakloneniya diska.

Effekty, podobnye K., imeyut mesto i pri mnogokratnyh rasseyaniyah v oblakah relyativistskih elektronov. V sluchae mnogokratnyh rasseyanii fotonov v oblake relyativistskih elektronov s maksvellovskim raspredeleniem po energiyam spektr izlucheniya v zone $h\nu < kT_e$ takzhe okazyvaetsya stepennym so spektr. indeksom
$\alpha=-\lg \tau_T/\lg[12(kT_e/m_ec^2)^2]$ ,

Esli ul'trarelyativistskie elektrony raspredeleny po stepennomu zakonu s obrezaniem so storony nizkih energii: $dN_e=K\gamma^{-\beta}\exp(-\gamma_0/\gamma)\;d\gamma$ (N_e - koncentraciya elektronov, $\gamma=[1-(v/c)^2]^{-1/2}, v$ - skorost' elektronov, $K, \gamma_0, \beta$ - konstanty), to mnogokratnye rasseyaniya nizkochastotnyh fotonov na elektronah s energiyami $\sim\gamma_0 m_ec^2$ (takie elektrony dayut osn. vklad v $\tau_T$ ) mogut (dazhe pri $\tau_T\ll 1$ ) sushestvenno vliyat' na spektr izlucheniya (ris. 4). Etot mehanizm mozhet igrat' vazhnuyu rol' na nachal'nyh stadiyah rasshireniya oblakov relyativistskih elektronov v yadrah galaktik i kvazarah.

Ris. 4. Spektry, formiruyushiesya v rezul'tate
mnogokratnyh rasseyanii fotonov
( $h\nu_0/m_ec^2\approx 10^{-8}$ ) v oblake ul'trarelyativistskih
elektronov so stepennym raspredeleniem
po energiyam ( $\gamma_0= 30, \beta= 2,5$ ). Sploshnye
krivye - rezul'tiruyushie spektry, preryvistye -
spektry fotonov, ispytavshih
odno, dva ili tri rasseyaniya. Nizhnii spektr -
rezul'tat odnokratnogo rasseyaniya (vklad
vtorogo rasseyaniya mal). Po mere uvelicheniya $\tau_T$
vozrastaet vklad mnogokratnyh rasseyanii.
$I_\nu$ - intensivnost' v uslovnyh edinicah.

K. v rannei Vselennoi.
V beskonechnoi odnorodnoi srede, zapolnennoi goryachimi elektronami (napr., mezhgalaktich. gaz) i nizkochastotnym izlucheniem (napr., mikrovolnovym fonovym izlucheniem), harakternoe vremya ohlazhdeniya nerelyativistskih elektronov za schet K. $t_K=(3/8) m_e c/\tau_T \varepsilon_r$ ne zavisit ni ot temp-ry, ni ot plotnosti elektronov, a yavl. funkciei lish' plotnosti energii izlucheniya $\varepsilon_r$ ( $\tau_T$ - tomsonovskoe sechenie rasseyaniya). V rannei Vselennoi vremya vyravnivaniya temp-r veshestva i izlucheniya (T_r) mnogo men'she vremeni rasshireniya Vselennoi, poetomu eti temperatury byli ravny s ochen' vysokoi tochnost'yu.

Ni tormoznye processy, ni K. v plazme s T_e=T_r ne mogut narushit' plankovskogo vida spektra. V hode rasshireniya Vselennoi spektr ostaetsya plankovskim, umen'shayutsya lish' temp-ra, plotnost' energii izlucheniya i plotnost' fotonov. Voznikaet estestvennyi vopros, na kakoi stadii rasshireniya Vselennoi mog byt' sformirovan nablyudaemyi plankovskii spektr mikrovolnovogo fonovogo izlucheniya? Deistvitel'no, mnogie kosmologich. modeli predskazyvayut moshnoe energovydelenie v rannei Vselennoi, svyazannoe s dissipaciei energii turbulentnyh dvizhenii, annigilyaciei veshestva i antiveshestva, ispareniem pervichnyh chernyh dyr, raspadom nestabil'nyh elementarnyh chastic i t.d. Takoe energovydelenie moglo privesti k sil'nym otkloneniyam spektra izlucheniya ot plankovskogo. Tormoznye processy mogli ustanovit' plankovskii spektr lish' pri krasnom smeshenii z >10⁹. Komptonizaciya zhe sovmestno s tormoznymi processami mozhet sformirovat' plankovskii spektr pri $z\ge 10^7$ .

Ris. 5. Formirovanie plankovskogo spektra
pri sovmestnom deistvii tormoznyh i
komptonovskih processov.
Po vertikal'noi osi otlozhen
logarifm otnositel'noi intensivnosti,
po gorizontal'noi - logarifm velichiny
$x=h\nu/kT_e$ . U krivyh
privedeny znacheniya himicheskogo
potenciala $\mu$ i bezrazmernogo
vremeni $y=kT_e\tau_T N_e ct/m_ec^2$ . Pri u < 0,1
vliyanie komptonizacii na spektr
tormoznogo izlucheniya malo.

Komptonovskoe rasseyanie sohranyaet chislo fotonov i lish' pereraspredelyaet ih po spektru. Poetomu K. v gaze s zadannoi T_e ne mozhet sformirovat' plankovskii spektr izlucheniya dazhe za beskonechnoe vremya. Za vremya $t\sim m_e c/(4\tau_T N_e kT_e)$ formiruetsya harakternoe ravnovesnoe raspredelenie Boze-Einshteina fotonov po chastote so spektr. plotnost'yu energii
$\varepsilon_\nu={8\pi h\nu^3\over {c^3}}\;\left(e^{{h\nu-\mu\over {kT}}}-1\right)^{-1}$ ,
gde $\mu$ - himich. potencial, harakterizuyushii nedostatok chisla fotonov po sravneniyu s plankovskim spektrom. Esli plankovskii spektr ( $\mu$ = 0) polnost'yu opredelyaetsya temp-roi, to raspredelenie Boze-Einshteina opredelyaetsya temp-roi i chislom fotonov. Pri sil'nom nedostatke fotonov ( $\mu\gg 1$ ) raspredelenie Boze-Einshteina vyrozhdaetsya v raspredelenie Vina:
$\varepsilon_\nu=A\nu^3\;e^{-h\nu/kT}, \quad A={8\pi h\over {c^3}}\;e^{-\mu/kT}$ .
V plotnoi holodnoi plazme effektivnym mehanizmom obmena energiei mezhdu plazmoi i izlucheniem yavl. tormoznoe izluchenie i pogloshenie fotonov, trebuyushee poparnyh stolknovenii elektronov i ionov. K. dominiruet v razrezhennoi vysokotemperaturnoi plazme. Odnako skol' by ni byla razrezhena plazma, na dostatochno nizkih chastotah tormoznoe rozhdenie fotonov uspevaet podderzhivat' plankovskii spektr izlucheniya. K. otvodit fotony iz etoi oblasti v zonu $h\nu\sim 3kT_e$ , formiruya harakternyi vinovskii spektr. T.o., prostranstvennaya plotnost' fotonov narastaet so vremenem, himich. potencial umen'shaetsya, spektr stanovitsya vse blizhe k plankovskomu (ris. 5). Etot mehanizm i formiruet plankovskii spektr izlucheniya v rannei Vselennoi i zamyvaet lyubye otkloneniya ot nego pri krasnom smeshenii z >10⁷ v teh usloviyah, kogda ni odin drugoi process ne uspevaet ego sformirovat' za kosmologich. vremya. On okazyvaetsya v sotni i tysyachi raz bolee effektivnym, chem otdel'no vzyatoe tormoznoe izluchenie.

V ekstremal'no razrezhennoi plazme nizkochastotnye fotony effektivno rozhdayutsya i v rezul'tate deistviya dvoinogo kompton-effekta. K. fotonov, rozhdennyh vsledstvie dvoinogo kompton-effekta, takzhe sposobstvuet ustanovleniyu plankovskogo spektra izlucheniya v rannei Vselennoi.

Lit.:
Kompaneec A.S., ZhETF, 1956, t. 31, s. 876; Sunyaev R.A., Zeldovish Ya.V., Ann. Rev. Ast-ron. and Astrophys., 1980, v. 18, p. 537; Sunyaev R.A., Titarchuk L.G., Astron. and Ap., 1980, v. 86, p. 121; Pozdnyakov L.A., Sobol' I.M., Syunyaev R.A., v sb.: Sovetskie nauchnye obozreniya. Astrofizika i kosmicheskaya fizika, t. 2, 1983, s. 189; Harwood academic publishers, N. Y., na rus. yaz. v sb.: Itogi nauki i tehniki. Ser. Astronomiya, t. 21, 1982, s. 238.

(R.A. Syunyaev)

R. A. Syunyaev, "Fizika Kosmosa", 1986
Glossarii Astronet.ru

L | R | A | B | V | G | D | E | Zh | Z | I | ' | K | L | M | N | O | P | R | S | T | U | F | H | C | Ch | Sh | Sh | E | Yu | Ya

Publikacii s klyuchevymi slovami: komptonizaciya izlucheniya - kompton-effekt Publikacii so slovami: komptonizaciya izlucheniya - kompton-effekt
Sm. takzhe: Novoe otkrytie "Planka". Komptonovskoe rasseyanie

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati