Ot plazmy solnechnoi korony k plazme na neitronnyh zvezdah
12.12.2005 21:11 | "Sorosovskaya Enciklopediya"
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≈ωB (E/(mc2))2, za schet bol'shih znachenii relyativistskogo faktora E/(mc2)≫1 mozhet stat' mnogo bol'she elektronnoi girochastoty ωB=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 ωB i dayut izluchenie na chastotah, blizkih k girochastote i ee garmonikam, ω≈ sωB, 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 ωB 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 ωp2≥ ωB2 βt ( ωp=(4πe2 N/m)0,5 – plazmennaya chastota, βt – 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 ωB v βt2 raz slabee, nezheli v pustote. Na vysshih garmonikah effektivnost' ciklotronnogo izlucheniya i poglosheniya po-prezhnemu ubyvaet primerno po zakonu βt2s-2.
Esli koncentraciya plazmy otnositel'no nizka, a indukciya magnitnogo polya dostatochno velika, to vypolnyaetsya kriterii razrezhennoi plazmy: ωp2≪ ωB2 βt.
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 Bkrit ≈ 4·1013 Gs, dlya kotorogo ħωB = 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
(ωp2/ (ω2βt))≪ 1/(45π)(e2/(ħc)) (B 2/Bkrit2). | (1) |
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⊥≫ tst, gde t⊥ – vremya ciklotronnogo vysvechivaniya energii elektrona v poperechnom napravlenii, a tst – 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' Iω sobstvennogo izlucheniya, ispuskaemogo plazmoi v kazhdoi mode, sovpadaet s intensivnost'yu izlucheniya absolyutno chernogo tela Bω(T) c temperaturoi, ravnoi kineticheskoi temperature plazmy T:
V sluchae besstolknovitel'noi plazmy, t⊥≪ tst, 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⊥/ tst≪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 n0,5. Poetomu velichina τterm ≈ 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≪τterm, to termalizaciyu mozhno ne uchityvat'. Prohodya cherez takoi sloi, izluchenie oslablyaetsya za schet rasseyaniya primerno v τ raz. Nakonec, esli τ≫τterm, to vse padayushee izluchenie pogloshaetsya plazmoi, a intensivnost' vyhodyashego izlucheniya ε+0,5Bω(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≈ωB (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 τs. V konkretnyh usloviyah solnechnoi korony i hromosfery τs≫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 ( τs≪1); slabo pogloshaya i izluchaya, oni ne dayut zametnogo vklada v nablyudaemoe radioizluchenie.
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