Ot plazmy solnechnoi korony k plazme na neitronnyh zvezdah

1. Ciklotronnyi mehanizm izlucheniya astrofizicheskoi plazmy

Neskol'ko desyatiletii v astrofizike shiroko ispol'zuetsya dlya interpretacii nablyudenii v radio-, opticheskom i rentgenovskom diapazonah magnitotormoznoe izluchenie relyativistskih elektronov. Eto izluchenie, voznikayushee pri dvizhenii elektronov v magnitnom pole, nazyvayut (v zavisimosti ot velichiny otnosheniya kineticheskoi energii elektrona E k ego energii pokoya mc² ) ciklotronnym pri E≪mc², girosinhrotronnym pri E=mc² i sinhrotronnym pri E≫mc². Osobenno izvesten sinhrotronnyi mehanizm izlucheniya, kotoryi predlozhen K. Kippenhoierom dlya ob'yasneniya kosmicheskogo radioizlucheniya i poluchil glubokoe razvitie v rabotah sovetskih teoretikov V.L. Ginzburga i I.S. Shklovskogo. Harakternaya ciklicheskaya chastota, sootvetstvuyushaya maksimumu spektra sinhrotronnogo izlucheniya, ω≈ω_B (E/(mc²))², za schet bol'shih znachenii relyativistskogo faktora E/(mc²)≫1 mozhet stat' mnogo bol'she elektronnoi girochastoty ω_B=eB/(mc) (zdes' e – zaryad elektrona, B – indukciya magnitnogo polya). Poetomu s pomosh'yu sinhrotronnogo mehanizma okazalos' vozmozhnym ob'yasnit' poyavlenie vysokochastotnogo izlucheniya v ob'ektah, imeyushih ves'ma slabye magnitnye polya: izlucheniya dalekih radiogalaktik, neteplovogo izlucheniya nashei Galaktiki, ostatkov vspyshek sverhnovyh zvezd. Etot mehanizm effektivno deistvuet v znamenitoi Krabovidnoi tumannosti – ostatke sverhnovoi 1054 goda, sozdavaya v nei nablyudaemoe radio-, opticheskoe i rentgenovskoe izluchenie. Sinhrotronnyi mehanizm deistvuet i v sil'nyh magnitnyh polyah. Tak, naprimer, opticheskoe i rentgenovskoe izluchenie pul'sara v Krabovidnoi tumannosti, po vsei veroyatnosti, predstavlyaet soboi sinhrotronnoe izluchenie relyativistskih elektronov v moshnom magnitnom pole neitronnoi zvezdy – pul'sara.

Naryadu s sinhrotronnym, v poslednee vremya vse bol'shee znachenie v astrofizike priobretaet ciklotronnyi mehanizm izlucheniya nerelyativistskih elektronov so skorostyami, malymi po sravneniyu so skorost'yu sveta c. Takie elektrony vrashayutsya v magnitnom pole s chastotoi ω_B i dayut izluchenie na chastotah, blizkih k girochastote i ee garmonikam, ω≈ sω_B, s=1, 2, 3... V odnom i tom zhe magnitnom pole chastota ciklotronnogo izlucheniya mnogo men'she, chem chastota sinhrotronnogo izlucheniya. Poetomu ciklotronnoe izluchenie mozhet popadat' v radio-, opticheskuyu libo rentgenovskuyu chast' spektra lish' za schet vysokih znachenii magnitnogo polya v istochnikah izlucheniya. Poslednee uslovie srazu zhe ukazyvaet nabor ob'ektov, v kotoryh mozhet effektivno deistvovat' ciklotronnyi mehanizm izlucheniya – eto ob'ekty, obladayushie sil'nym magnitnym polem. Tak, v aktivnyh oblastyah solnechnoi korony i na magnitnyh Ar-zvezdah, gde velichina indukcii magnitnogo polya B dostigaet 10²-10⁴ Gs, chastota ω_B nahoditsya v radiodiapazone. Na magnitnyh belyh karlikah (polyarah), gde pole dostigaet velichin 10⁷-10⁹ Gs, ciklotronnye effekty proyavlyayutsya v infrakrasnom (IK), opticheskom i ul'trafioletovom (UF) diapazonah. Nakonec, na neitronnyh zvezdah s B= 10¹¹-10¹³ Gs eti effekty budut harakterny dlya rentgenovskoi chasti spektra.

Uvelichenie magnitnogo polya na desyat' poryadkov pri rassmotrenii ciklotronnogo effekta na razlichnyh astronomicheskih ob'ektah (Solnce – belyi karlik – neitronnye zvezdy) menyaet harakter vzaimodeistviya izlucheniya s plazmoi na ciklotronnyh chastotah, kotoroe vliyaet na nablyudaemye spektry izlucheniya ob'ektov.

Mnogoobrazie ciklotronnyh effektov v astrofizicheskih ob'ektah zavisit glavnym obrazom ot znachenii treh parametrov: indukcii magnitnogo polya B, koncentracii plazmy N i ee temperatury T . Eti parametry opredelyayut dva vida kriteriev, ustanavlivayushih harakter vzaimodeistviya ciklotronnogo izlucheniya s plazmoi.

K pervomu tipu otnosyatsya kriterii, opredelyayushie rasprostranenie ciklotronnogo izlucheniya v plazme s magnitnym polem. V takoi plazme na lyuboi chastote mogut sushestvovat' elektromagnitnye volny dvuh vidov – obyknovennye i neobyknovennye (ih nazyvayut takzhe normal'nymi volnami ili modami). Oni otlichayutsya drug ot druga skorost'yu rasprostraneniya i polyarizaciei (to est' harakterom izmeneniya elektricheskogo i magnitnogo polei v kazhdoi tochke prostranstva), ot kotoroi, v svoyu ochered', zavisit effektivnost' vzaimodeistviya izlucheniya s plazmoi.

Moshnost' ciklotronnogo izlucheniya v pustote menyaetsya primerno kak β ^2s-2 nachinaya s pervoi garmoniki (zdes' β – otnoshenie skorosti elektrona k skorosti sveta c, β=υ/c).

V dostatochno plotnoi plazme, dlya kotoroi vypolnen kriterii ω_p²≥ ω_B² β_t ( ω_p=(4πe² N/m)^0,5 – plazmennaya chastota, β_t – otnoshenie teplovoi skorosti elektronov k skorosti sveta), normal'nye volny ellipticheski polyarizovany, prichem neobyknovennaya moda na pervoi garmonike, kak i obyknovennaya, vzaimodeistvuet s plazmoi ochen' slabo. Poetomu v plotnoi plazme imeet mesto effekt depressii izlucheniya na pervoi garmonike: ciklotronnoe izluchenie na chastote ω_B v β_t² raz slabee, nezheli v pustote. Na vysshih garmonikah effektivnost' ciklotronnogo izlucheniya i poglosheniya po-prezhnemu ubyvaet primerno po zakonu β_t^2s-2.

Esli koncentraciya plazmy otnositel'no nizka, a indukciya magnitnogo polya dostatochno velika, to vypolnyaetsya kriterii razrezhennoi plazmy: ω_p²≪ ω_B² β_t.

V razrezhennoi plazme polyarizaciya normal'nyh voln menyaetsya, effekt depressii ischezaet i neobyknovennaya moda na pervoi garmonike naibolee sil'no vzaimodeistvuet s plazmoi.

Nakonec, v sverhsil'nyh magnitnyh polyah, blizkih k kriticheskomu znacheniyu B_krit ≈ 4·10¹³ Gs, dlya kotorogo ħω_B = mc² ( ħ – postoyannaya Planka), dazhe vakuum priobretaet specificheskie svoistva i stanovitsya pohozhim na anizotropnyi kristall – on polyarizuetsya i namagnichivaetsya. V takoi neobychnoi srede, kak v nastoyashem kristalle, takzhe sushestvuyut obyknovennye i neobyknovennye volny. Mody namagnichennogo vakuuma lineino polyarizovany. Takaya polyarizaciya normal'nyh voln sohranyaetsya i v prisutstvii razrezhennoi plazmy pri uslovii

Harakter elementarnyh processov ciklotronnogo izlucheniya i poglosheniya v plazme opredelyaetsya drugim kriteriem. Eti processy celikom zavisyat ot raspredeleniya izluchayushih chastic (elektronov) po skorostyam (prezhde vsego poperechnym po otnosheniyu k magnitnomu polyu), kotoroe ustanavlivaetsya v osnovnom pod deistviem dvuh faktorov: stolknovenii mezhdu chasticami i izlucheniya. Poskol'ku effektivnost' ciklotronnogo vzaimodeistviya izlucheniya s plazmoi bystro padaet s rostom nomera garmoniki, naibolee sil'noe vliyanie na raspredelenie elektronov po skorostyam okazyvaet izluchenie na girochastote (tochnee, ta ego komponenta, kotoraya v sootvetstvii s vysheprivedennymi kriteriyami v teh ili inyh usloviyah vzaimodeistvuet s plazmoi luchshe vsego).

Esli vypolneno neravenstvo t_⊥≫ t_st, gde t_⊥ – vremya ciklotronnogo vysvechivaniya energii elektrona v poperechnom napravlenii, a t_st – vremya svobodnogo probega elektrona mezhdu stolknoveniyami, to realizuetsya sluchai stolknovitel'noi plazmy. Za schet chastyh stolknovenii funkciya raspredeleniya elektronov podderzhivaetsya ravnovesnoi (maksvellovskoi) s nekotoroi temperaturoi, ne zavisyashei ot izlucheniya na girochastote. Za poglosheniem izlucheniya na pervoi garmonike prakticheski vsegda sleduet stolknovenie, v rezul'tate kotorogo energiya peredaetsya v teplovoe dvizhenie plazmy. Vozmozhen i obratnyi process – ispuskanie izlucheniya posle stolknovitel'nogo vozbuzhdeniya elektrona. Pri etom izluchaemaya energiya cherpaetsya iz teplovogo dvizheniya elektronov.

Perenos izlucheniya v protyazhennoi oblasti stolknovitel'noi plazmy zavisit ot ee opticheskoi tolshiny τ – otnosheniya lineinogo razmera oblasti k dline probega kvanta izlucheniya. Esli plazma opticheski tolstaya, τ≫1, to vse padayushee izvne izluchenie pogloshaetsya, a intensivnost' I_ω sobstvennogo izlucheniya, ispuskaemogo plazmoi v kazhdoi mode, sovpadaet s intensivnost'yu izlucheniya absolyutno chernogo tela B_ω(T) c temperaturoi, ravnoi kineticheskoi temperature plazmy T:

V sluchae besstolknovitel'noi plazmy, t_⊥≪ t_st, poperechnoe raspredelenie elektronov po skorostyam ustanavlivaetsya v rezul'tate processov poglosheniya i ispuskaniya ciklotronnogo izlucheniya na pervoi garmonike, cepochka kotoryh lish' izredka preryvaetsya stolknoveniyami. Teper' uzhe poperechnaya temperatura T_⊥ opredelyaetsya ne stolknoveniyami, a intensivnost'yu izlucheniya na pervoi garmonike. Osnovnym radiacionnym processom v takom sluchae yavlyaetsya rezonansnoe ciklotronnoe rasseyanie na pervoi garmonike, kotoroe sostavlyayut posledovatel'nye processy poglosheniya i ispuskaniya; pri etom menyaetsya napravlenie rasprostraneniya izlucheniya i ego chastota. Lish' izredka pogloshennyi foton gibnet za schet stolknoveniya, perehvatyvayushego energiyu vozbuzhdennogo elektrona; dolya takih sluchaev (ravno kak i obratnyh processov rozhdeniya fotonov za schet stolknovitel'nogo vozbuzhdeniya) sostavlyaet ε = t_⊥/ t_st≪1. Vliyanie vysshih garmonik na poperechnoe raspredelenie elektronov po skorostyam prenebrezhimo malo. Oni vzaimodeistvuyut s plazmoi posredstvom istinnogo poglosheniya i ispuskaniya pri zadannoi temperature T_⊥.

Perenos ciklotronnogo izlucheniya v odnorodnom sloe besstolknovitel'noi plazmy s sil'nym rasseyaniem na girochastote mozhno naglyadno predstavit' kak sluchainye bluzhdaniya fotonov. Proidya rasstoyanie, dlya kotorogo τ ≈1, foton pervoi garmoniki rasseivaetsya i nachinaet dvigat'sya v drugom napravlenii; ispytav primerno ε^-1 rasseyanii, on gibnet v rezul'tate istinnogo poglosheniya. Rasstoyanie, proidennoe fotonom za vremya sluchainyh bluzhdanii, zavisit ot chisla shagov n kak n^0,5. Poetomu velichina τ_term ≈ ε^-0,5 sootvetstvuet opticheskoi tolshine, na kotoroi proishodit termalizaciya izlucheniya – istinnoe pogloshenie fotonov s peredachei ih energii v teplovoe dvizhenie plazmy i obratnyi process teplovogo izlucheniya. Esli rasseivayushii sloi opticheski tonkii, τ≪1, to ego vliyanie na izluchenie prenebrezhimo malo. Esli 1≪τ≪τ_term, to termalizaciyu mozhno ne uchityvat'. Prohodya cherez takoi sloi, izluchenie oslablyaetsya za schet rasseyaniya primerno v τ raz. Nakonec, esli τ≫τ_term, to vse padayushee izluchenie pogloshaetsya plazmoi, a intensivnost' vyhodyashego izlucheniya ε^+0,5B_ω(T) zavisit tol'ko ot parametrov samoi plazmy.

Izluchenie na vysshih garmonikah i v toi mode pervoi garmoniki, kotoraya slabo vzaimodeistvuet s plazmoi, perenositsya tak zhe, kak v stolknovitel'noi plazme s temperaturoi T_⊥.

Besstolknovitel'naya plazma v namagnichennom vakuume otlichaetsya ot rassmotrennyh sluchaev tem, chto izluchenie v obeih modah na pervoi garmonike sushestvenno vliyaet na poperechnuyu temperaturu elektronov. Eto privodit k svoeobraznomu effektu konversii mod, kogda, naprimer, pogloshenie obyknovennogo izlucheniya soprovozhdaetsya ispuskaniem neobyknovennogo, tak chto pri rasseyanii energiya peredaetsya ot odnoi normal'noi volny k drugoi. Privedennyi vyshe kachestvennyi analiz pozvolit ponyat' osobennosti deistviya ciklotronnogo mehanizma izlucheniya v razlichnyh astrofizicheskih ob'ektah.

2. Ciklotronnoe izluchenie iz aktivnyh oblastei na Solnce

Astrofizicheskie aspekty primeneniya ciklotronnogo mehanizma dlya ob'yasneniya astronomicheskih yavlenii stali obsuzhdat'sya v nachale 60-h godov v svyazi s obnaruzheniem decimetrovogo radioizlucheniya Yupitera, a takzhe s cel'yu ob'yasnit' proishozhdenie sporadicheskogo radioizlucheniya Solnca. Pervaya gipoteza nuzhdalas' v magnitnyh polyah okolo 1000 Gs. V te gody velichina magnitnogo polya Yupitera byla neizvestna. Pozdnee pryamymi izmereniyami bylo ustanovleno, chto magnitnoe pole Yupitera sostavlyaet lish' desyatki gauss. Eto obstoyatel'stvo sdelalo nereal'nym predpolozhenie o ciklotronnom mehanizme decimetrovogo izlucheniya Yupitera. Vpolne vozmozhno, odnako, chto bolee nizkochastotnoe (dekametrovoe) radioizluchenie Yupitera v konechnom schete obuslovleno ciklotronnym mehanizmom; odnako detal'naya kartina processov generacii dekametrovogo radioizlucheniya ostaetsya neyasnoi.

Pervoe uspeshnoe primenenie v astrofizike ciklotronnyi mehanizm nashel v teorii medlenno menyayusheisya komponenty (s-komponenty) solnechnogo radioizlucheniya. Eta komponenta izluchaetsya iz aktivnyh oblastei nizhnei korony i hromosfery, svyazannyh s solnechnymi pyatnami¹. Soglasno teorii, mikrovolnovoe izluchenie s dlinoi volny λ≈1-30 sm predstavlyaet soboi ciklotronnoe izluchenie na nizshih garmonikah girochastoty. Ono voznikaet v neodnorodnom magnitnom pole nad solnechnymi pyatnami v girorezonansnyh sloyah, gde ω=2πc/λ≈ω_B (podrobnee sm. stat'yu V.V. Zheleznyakova "Radiacionnye diskony" v etom tome). Sloi, sootvetstvuyushie vysokim garmonikam pri fiksirovannoi chastote ω, lezhat vyshe, v oblasti bolee slabogo magnitnogo polya (sm. ris. 1). S uvelicheniem chastoty vsya sistema girorezonansnyh sloev peremeshaetsya vniz, k solnechnoi fotosfere, gde magnitnoe pole sil'nee.

Plazma v aktivnoi oblasti nad pyatnom – plotnaya i stolknovitel'naya. Pogloshenie ciklotronnogo izlucheniya pri prohozhdenii skvoz' girorezonansnyi sloi harakterizuetsya opticheskoi tolshinoi τ_s. V konkretnyh usloviyah solnechnoi korony i hromosfery τ_s≫1 dlya nizkih garmonik s s=1, 2, 3 na neobyknovennyh volnah i s=1, 2 na obyknovennyh volnah. Naprotiv, sloi s bol'shimi znacheniyami s, kak pravilo, prozrachny dlya radiovoln ( τ_s≪1); slabo pogloshaya i izluchaya, oni ne dayut zametnogo vklada v nablyudaemoe radioizluchenie.

Ris. 1. Raspolozhenie girorezonansnyh sloev v aktivnoi oblasti na Solnce

Model' opticheski tolstyh girorezonansnyh sloev nad solnechnymi pyatnami lezhit v osnove teorii, dayushei edinoe ob'yasnenie spektra, polyarizacii i raspredeleniya "radioyarkosti" po istochniku s-komponenty. Takie sloi polnost'yu pogloshayut vse radioizluchenie, kotoroe podhodit k nim snizu, so storony Solnca, i ispuskayut ravnovesnoe izluchenie s temperaturoi, ravnoi kineticheskoi temperature plazmy v girorezonansnom sloe. Ego spektral'naya intensivnost' (v oblasti chastot ħω≪kT) opredelyaetsya zakonom Releya-Dzhinsa:

Na nizkih chastotah ω<ω_max, dlya kotoryh effektivno izluchayushie sloi s=2 i 3 nahodyatsya v goryachei korone s temperaturoi T≈10⁶ K, intensivnost' I_ω≈B_ω(T) ∝ω²T i ubyvaet po mere umen'sheniya chastoty. V oblasti ω>ω_max girorezonansnye sloi opuskayutsya v hromosferu. Etot perehod soprovozhdaetsya rezkim umen'sheniem kineticheskoi temperatury T v izluchayushih sloyah. Sootvetstvenno ubyvaet i velichina I_ω≈B_ω(T) ∝ω²T, nesmotrya na rost ω². V rezul'tate chastotnyi spektr ciklotronnogo izlucheniya nad pyatnom I_ω(ω) imeet maksimum na chastote ω_max (raznoi dlya raznyh tipov voln); imenno na etoi chastote effektivno izluchayushie sloi s=2 (dlya obyknovennoi volny) i s=3 (dlya neobyknovennoi volny) peresekayut granicu mezhdu fotosferoi i koronoi. Izluchenie iz lezhashih nizhe girorezonansnyh sloev sil'no pogloshaetsya v ukazannyh sloyah s=2 i 3 i ne mozhet nablyudat'sya na Zemle. Zametim, chto po velichine ω_max v spektre nablyudaemogo izlucheniya lokal'nyh istochnikov na Solnce mozhno sudit' o velichine magnitnogo polya na granice mezhdu koronoi i hromosferoi.

Chto kasaetsya polyarizacii ciklotronnogo izlucheniya, to ona poyavlyaetsya v diapazone ω>ω_max i otsutstvuet na chastotah ω<ω_max. Na nizkih chastotah sloi s=2 i 3, otvetstvennye za izluchenie obyknovennyh i neobyknovennyh voln, nablyudaemyh s Zemli, raspolagayutsya vysoko – v korone – s bolee ili menee odnorodnym raspredeleniem temperatury. Poetomu intensivnost' izlucheniya iz oboih sloev odinakova, to est' izluchenie nepolyarizovano. Na vysokih chastotah girorezonansnye sloi s=2 i 3 opuskayutsya vniz, v perehodnuyu oblast' mezhdu hromosferoi i koronoi, gde temperatura rezko menyaetsya s vysotoi. Raznost' temperatur v sloyah s=2 i 3 privodit k sravnitel'no sil'noi polyarizacii ciklotronnogo izlucheniya s preobladaniem neobyknovennoi komponenty, kotoraya ispuskaetsya iz bolee vysoko raspolozhennogo sloya s=3, gde temperatura plazmy vyshe.

Takoi harakter chastotnogo spektra i polyarizacii s-komponenty podtverzhdaetsya mnogochislennymi nablyudeniyami. Razvitaya teoriya pozvolila predskazat' takie tonkie effekty, kak obnaruzhennoe vposledstvii umen'shenie intensivnosti izlucheniya v seredine solnechnogo pyatna. Vskore posle razrabotki teorii ciklotronnogo izlucheniya s-komponenty byli zaregistrirovany sravnitel'no vysokie znacheniya magnitnyh polei na granice mezhdu hromosferoi i koronoi, poluchennye po velichine ω_max v nablyudaemyh spektrah s-komponenty, i sdelan vyvod o progreve hromosfery nad solnechnymi pyatnami i sootvetstvuyushem opuskanii vniz ukazannoi granicy. V nastoyashee vremya teoriya ciklotronnogo izlucheniya shiroko ispol'zuetsya dlya polucheniya informacii o raspredelenii temperatury i magnitnyh polei v aktivnyh oblastyah solnechnoi korony i verhnei hromosfery po dannym nablyudenii lokal'nyh istochnikov. Takie nablyudeniya vedutsya, naprimer, v Rossii na teleskope RATAN-600 i v SShA s pomosh'yu antennoi sistemy VLA. Sopostavlenie teorii s rezul'tatami nablyudenii oblegchaetsya blagodarya detal'nym raschetam harakteristik ciklotronnogo i tormoznogo izlucheniya dlya razlichnyh modelei aktivnyh oblastei nad pyatnami i flokkulami.

Ris. 2. Spektry opticheskogo izlucheniya magnitnyh belyh karlikov G 240-72 i GD 229

Teoriya teplovogo ciklotronnogo izlucheniya, razvitaya v primenenii k Solncu, ispol'zuetsya (bez sushestvennyh izmenenii) i dlya ob'yasneniya radioizlucheniya vspyhivayushih zvezd tipa UV Kita v period otsutstviya vspyshek. Eto izluchenie po analogii s s-komponentoi na Solnce ob'yasnyaetsya kak ciklotronnoe izluchenie elektronov v magnitnom pole zvezdnyh pyaten.

3. Polosy ciklotronnogo poglosheniya i izlucheniya v spektrah magnitnyh belyh karlikov

Po velichine magnitnogo polya (do 10⁷-10⁹ Gs) magnitnye belye karliki (polyary) zanimayut promezhutochnoe polozhenie mezhdu magnitnymi Ar-zvezdami (s polyami 10³-10⁴ Gs) i neitronnymi zvezdami. V takih polyah ciklotronnye chastoty lezhat v infrakrasnom (IK), opticheskom ili dazhe ul'trafioletovom (UF) diapazonah. Neudivitel'no poetomu, chto obnaruzhennye v spektrah nekotoryh magnitnyh belyh karlikov sil'nye linii i polosy poglosheniya (ris. 2) srazu zhe byli svyazany s ciklotronnymi effektami. K tomu zhe u zvezd tipa magnitnyh belyh karlikov bylo otkryto rentgenovskoe izluchenie, chto ukazyvaet na prisutstvie v okrestnosti etih zvezd goryachei plazmy s temperaturoi T, dostigayushei 10⁶-10⁷ K (kak u bol'shinstva izvestnyh zvezd s koronal'nym izlucheniem i u solnechnoi korony).

Blagodarya bol'shoi sile tyazhesti na poverhnosti belogo karlika koronal'naya plazma prizhata k zvezde, okruzhaya ee tonkim sloem vysotoi ne bolee neskol'kih desyatkov kilometrov. Esli elektronnaya koncentraciya N v etom sloe prevyshaet 10¹⁴-10¹⁵ sm^-3, to svoistva plazmy na belyh karlikah, obladayushih magnitnymi polyami 10⁷-10⁸ Gs, nichem ne otlichayutsya ot plazmy v solnechnoi korone i koronah Ar-zvezd. Processy ciklotronnogo izlucheniya i poglosheniya analiziruyutsya v etih usloviyah dostatochno prosto, poskol'ku blagodarya chastym stolknoveniyam mezhdu chasticami raspredelenie izluchayushih elektronov po skorostyam sohranyaetsya izotropnym maksvellovskim. V spektrah zvezd na garmonikah, dlya kotoryh plazma opticheski tolstaya, voznikayut polosy v izluchenii, gde intensivnost' podnimaetsya ot fotosfernoi I_ω^fot ≈B_ω(T_fot) s temperaturoi T_fot≈20000-50000 K do urovnya teplovogo izlucheniya korony B_ω(T) s temperaturoi T≫T_fot. Shirina polos opredelyaetsya neodnorodnost'yu magnitnogo polya po poverhnosti zvezdy. Esli, naprimer, magnitnoe pole zvezdy sovpadaet s polem magnitnogo dipolya, raspolozhennogo v ego centre, to indukciya magnitnogo polya umen'shaetsya vdvoe ot magnitnogo polyusa k ekvatoru zvezdy.

Situaciya stanovitsya inoi, esli korona magnitnogo belogo karlika bolee razrezhena (N<10¹⁴-10¹⁵ sm^-3) i v nei realizuetsya besstolknovitel'nyi rezhim. Sil'noe ciklotronnoe rasseyanie v etom sluchae privodit k rezkoi anizotropii temperatur: poperechnaya po otnosheniyu k magnitnomu polyu temperatura T_⊥ mozhet stat' mnogo men'she prodol'noi temperatury T_∥ i opustit'sya dazhe nizhe temperatury fotosfery. Takoi sluchai realizuetsya, esli sobstvennoe izluchenie koronal'noi plazmy dostatochno malo.

Prisutstvie "holodnoi" po poperechnym skorostyam plazmy, okruzhayushei belyi karlik, ob'yasnyaet poyavlenie v spektre nepreryvnogo izlucheniya ego fotosfery provalov, sootvetstvuyushih ciklotronnym liniyam v pogloshenii. Poskol'ku magnitnoe pole neodnorodno po poverhnosti zvezdy, eti linii razmazyvayutsya v dovol'no shirokie polosy. Esli zhe opticheskaya tolshina korony dostatochno velika, ciklotronnoe izluchenie besstolknovitel'noi korony mozhet nablyudat'sya i v vide izbytka nad urovnem intensivnosti fotosfery. Tak, naprimer, ciklotronnoe izluchenie goryachei koronal'noi plazmy vokrug magnitnogo belogo karlika GR 290 s indukciei B≈2,5·10⁷ Gs i T_fot≈5,7·10³ K dolzhno proyavlyat'sya v vide emissionnoi polosy v IK-diapazone, kuda popadaet girochastota uzhe pri plotnostyah plazmy N>10¹¹ sm^-3. Rentgenovskoe izluchenie stol' razrezhennoi korony lezhit daleko za predelami poroga chuvstvitel'nosti sushestvuyushih (i dazhe stroyashihsya) rentgenovskih teleskopov. Takim obrazom, ciklotronnoe izluchenie okazyvaetsya unikal'nym po effektivnosti indikatorom plotnosti plazmy na magnitnyh belyh karlikah.

Pomimo sravnitel'no tonkih koron, struktura kotoryh opredelyaetsya silami tyazhesti i gazokineticheskogo davleniya, na goryachih magnitnyh belyh karlikah mogut formirovat'sya protyazhennye (s razmerom poryadka radiusa zvezdy) plazmennye obolochki, podderzhivaemye siloi davleniya izlucheniya fotosfery na ciklotronnoi chastote – radiacionnye diskony (sm. stat'yu V.V. Zheleznyakova "Radiacionnye diskony" v etom tome). Issledovaniya pokazali, chto v sluchae, kotoryi realizuetsya na diskonah, girorezonansnyi sloi na pervoi garmonike propuskaet primerno polovinu izlucheniya v neobyknovennoi mode, effektivno vzaimodeistvuyushei s plazmoi, v to vremya kak obyknovennaya komponenta besprepyatstvenno prohodit plazmennyi sloi. V rezul'tate v spektre diskona formiruetsya polosa v pogloshenii na urovne okolo 75 % ot intensivnosti izlucheniya fotosfery. Vozmozhno, imenno tak voznikayut polosy depressii v UF-spektrah belyh karlikov s sil'nym magnitnym polem GD 229, PG 1031+234 i GrW+70°8247 – kandidatov v radiacionnye diskony.

Bolee detal'nye zaklyucheniya o plotnosti plazmy vokrug magnitnyh belyh karlikov i o haraktere ee raspredeleniya po poverhnosti zvezdy mozhno poluchit', sopostavlyaya nablyudaemye infrakrasnye, opticheskie i ul'trafioletovye spektry s rezul'tatami strogih raschetov na osnove razvitoi teorii vzaimodeistviya izlucheniya s plazmoi v sil'nyh magnitnyh polyah. Uspeha v etom napravlenii mozhno dostich' sovershenstvuya kak metody rascheta ciklotronnyh spektrov, tak i modeli atmosfer magnitnyh belyh karlikov.

4. Ciklotronnye linii v spektrah rentgenovskih pul'sarov i istochnikov gamma-vspleskov

Obsheprinyato predstavlenie o tom, chto rentgenovskie pul'sary svyazany s neitronnymi zvezdami. Argumentom v pol'zu takoi svyazi dlya rentgenovskih pul'sarov sluzhit malyi period sledovaniya impul'sov izlucheniya i isklyuchitel'no vysokie znacheniya indukcii magnitnogo polya B v istochnike, harakternye dlya neitronnyh zvezd. Konkretnye znacheniya B ≈ 4·10¹² i 2·10¹² Gs byli opredeleny po chastotam ciklotronnyh linii rentgenovskih pul'sarov Gerkules H-1 i 4U 0115-69. Odin iz primerov takih spektrov predstavlen na ris. 3. Gipoteza o nalichii ciklotronnyh osobennostei v spektrah rentgenovskih pul'sarov byla vydvinuta sovetskimi astrofizikami Yu.N. Gnedinym i R.A. Syunyaevym eshe do obnaruzheniya takih linii v spektrah izlucheniya rentgenovskih pul'sarov.

Ris. 3. Spektr rentgenovskogo pul'sara Gerkules H-1

Neitronnye zvezdy – rentgenovskie pul'sary – vhodyat v sostav dvoinyh sistem. Vtoraya komponenta takoi sistemy sluzhit istochnikom veshestva, postupayushego na poverhnost' neitronnoi zvezdy. Sil'noe magnitnoe pole napravlyaet potok veshestva na magnitnye polyusa. Tam obrazuyutsya goryachie polyarnye pyatna, sostoyashie iz plazmy, razogretoi do temperatury T≈10⁸ K. Ona i sluzhit istochnikom rentgenovskogo izlucheniya, kotoroe pri nablyudenii iz Solnechnoi sistemy priobretaet pul'siruyushii harakter vsledstvie vrasheniya neitronnoi zvezdy.

Esli korony obychnyh zvezd i belyh karlikov zapolneny klassicheskoi plazmoi, to na neitronnyh zvezdah iz-za vysokih znachenii magnitnyh polei plazma mozhet stat' kvantovannoi: v takoi plazme ħω_B>kT_⊥, a sam vakuum priobretaet otchetlivo vyrazhennyi polyarizovannyi i namagnichennyi harakter. V goryachei plazme na neitronnyh zvezdah vsledstvie ves'ma redkih stolknovenii mezhdu chasticami perehody elektronov s odnogo urovnya Landau na drugoi nosyat v osnovnom radiacionnyi harakter. Pri etom pogloshenie kvanta ħω ≈ ħω_B elektronom (s perehodom na bolee vysokii uroven' energii) soprovozhdaetsya obratnym perehodom v prezhnee sostoyanie, kak pravilo, s izlucheniem kvanta ħω, no uzhe v drugom napravlenii. V celom eti dva radiacionnyh perehoda mozhno traktovat' kak ciklotronnoe rasseyanie v linii ω≈ω_B. Vdali ot girochastoty rasseyanie stanovitsya nerezonansnym (tomsonovskim).

Predpolozhenie o klyuchevoi roli rasseyaniya v formirovanii spektrov rentgenovskih pul'sarov leglo v osnovu modeli izotermicheskogo goryachego pyatna, ob'yasnyayushei poyavlenie ciklotronnyh linii. V etom sluchae koncentraciya plazmy menyaetsya po barometricheskomu zakonu N ∝ e ^{-H /H ₀} s privedennoi vysotoi H₀≈100 sm (dlya T≈10⁸ K). Kak pokazyvaet analiz, intensivnost' ciklotronnogo izlucheniya iz takoi atmosfery est' I_ω≈M_B ^1/3B_ω(T) , gde parametr M_B=ε/τ≪1, to est' ona mala po sravneniyu s ravnovesnoi intensivnost'yu B_ω(T). Na chastotah vdali ot girochastoty ω_B rasseyanie izlucheniya perestaet byt' rezonansnym i ego effektivnost' sil'no umen'shaetsya. Pri etom velichina sootvetstvuyushego parametra M_T , kotoryi opredelyaetsya otnositel'no vysokoi rol'yu tormoznogo poglosheniya (za schet stolknovenii mezhdu chasticami) po sravneniyu s nerezonansnym rasseyaniem, rezko vozrastaet ( M_B≪M_T≪1). Poetomu v vyhodyashem izluchenii na fone nepreryvnogo spektra, uzhe oslablennogo vsledstvie tomsonovskogo rasseyaniya, voznikaet ciklotronnaya liniya v pogloshenii. Otmetim, chto velichina temperatury plazmy T≈10⁸ K v rassmatrivaemoi modeli rentgenovskogo pul'sara vybiraetsya tak, chtoby forma teoreticheskogo spektra izlucheniya v kontinuume sootvetstvovala nablyudaemomu.

5. Kosmicheskie gamma-vspleski

Vazhneishimi v ponimanii prirody vspleskov yavlyayutsya tip ih istochnika i rasstoyanie do nego. Vo vtoroi polovine 80-h godov detektorami gamma-vspleskov na yaponskom sputnike GINGA zaregistrirovany tri sluchaya, kogda v spektrah vspleskov nablyudalis' dve linii v pogloshenii na kratnyh chastotah. Oni srazu zhe byli interpretirovany kak ciklotronnye linii na pervoi i vtoroi garmonikah girochastoty v magnitnom pole B≈2·10¹² Gs. Takoe ob'yasnenie svyazyvalo istochniki vspleskov s magnitnymi neitronnymi zvezdami. Uroven' izlucheniya na vtoroi i bolee vysokih garmonikah zavisit ot intensivnosti izlucheniya na girochastote. Eto daet vozmozhnost' rasschitat' absolyutnoe znachenie urovnya izlucheniya v istochnike. Sravnivaya ego s nablyudaemym, mozhno opredelit' rasstoyanie do istochnika. Soglasno raschetam, istochniki vspleskov, zaregistrirovannye sputnikom GINGA, dolzhny raspolagat'sya v diske nashei Galaktiki.

6. Zaklyuchenie

Istoriya issledovanii ciklotronnogo mehanizma izlucheniya, vvedennogo v astrofiziku bolee 30 let nazad, naglyadno demonstriruet tu vazhnuyu rol', kotoruyu on igraet v kosmicheskih ob'ektah s sil'nym magnitnym polem. Izuchenie ciklotronnyh processov na Solnce pozvolilo razrabotat' teoriyu mikrovolnovogo izlucheniya lokal'nyh istochnikov, kotoraya shiroko primenyaetsya v nastoyashee vremya dlya ob'yasneniya radioastronomicheskih nablyudenii i dlya polucheniya svedenii o temperature i magnitnyh polyah v aktivnyh oblastyah solnechnoi korony i hromosfery, a takzhe ukazat' na real'nuyu vozmozhnost' registracii ciklotronnyh linii v spektre solnechnogo radioizlucheniya. V poslednie gody predlozheno ob'yasnenie ciklotronnyh linii i polos, obnaruzhennyh v opticheskih spektrah magnitnyh belyh karlikov, osnovannoe na analize vzaimodeistviya izlucheniya s goryachei plazmoi na etih zvezdah. V processe takogo analiza byla razvita teoriya ih koron, sostoyashih iz besstolknovitel'noi plazmy s rezkoi anizotropiei temperatur. V ramkah prostyh modelei izluchayushei oblasti byli ustanovleny takzhe prichiny formirovaniya ciklotronnyh linii v spektrah rentgenovskih pul'sarov i linii na kratnyh chastotah v spektrah kosmicheskih gamma-vspleskov (esli poslednie generiruyutsya na neitronnyh zvezdah). Vmeste s tem astrofizicheskie prilozheniya ciklotronnogo mehanizma stimulirovali razvitie teorii ciklotronnogo izlucheniya, poglosheniya i rasseyaniya dlya ves'ma raznoobraznyh uslovii. Oni takzhe priveli k obnaruzheniyu i issledovaniyu novyh elektromagnitnyh neustoichivostei v plazme, kotorye shiroko ispol'zuyutsya v solnechnoi radioastronomii. V celom issledovaniya ciklotronnogo mehanizma priveli k ponimaniyu nablyudaemyh harakteristik chastotnyh spektrov izlucheniya shirokogo klassa ob'ektov, nachinaya s klassicheskoi plazmy solnechnoi korony i konchaya elektronno-pozitronnoi plazmoi v namagnichennom vakuume na neitronnyh zvezdah. Oni otkryli takzhe real'nye perspektivy dlya dal'neishego issledovaniya kosmicheskih ob'ektov po ih ciklotronnomu izlucheniyu.

Literatura

1. Zheleznyakov V.V. Izluchenie v astrofizicheskoi plazme. M.: Yanus-K, 1997.
2. Zheleznyakov V.V. Radioizluchenie Solnca i planet. M.: Nauka, 1964.