ускорение заряженных частиц

УСКОРЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ в космических условиях. Одной из ключевых в астрофизике является проблема механизмов ускорения и источников частиц, к-рые мы наблюдаем как космические лучи (КЛ).

Наблюдения предъявляют следующие требования к механизмам У. з. ч.: 1) спектр ускоренных частиц должен быть степенным в широком интервале энергий. Так, в интервале от 10⁹ эВ до 10¹⁵ эВ наблюдаемый спектр КЛ описывается единым степенным законом:

где и -концентрация и энергия частиц; 2) механизмы У. з. ч. должны быть настолько эффективны, чтобы обеспечить ускорение частиц до макс, наблюдаемых энергий ~ 10²⁰ эВ; 3) мощность генерации КЛ W с энергиями эВ в Галактике должна поддерживаться на уровне эрг/с. Важно отметить, что указанная величина W не зависит от модельных представлений, поскольку может быть выражена только через наблюдаемые величины.

В качестве возможных источников КЛ рассматриваются разл. галактич. и внегалактич. объекты: пульсары и их магнитосферы, оболочки сверхновых звёзд, нейтронные звёзды, входящие в двойные системы, ядра галактик, радиогалактики, чёрные дыры, вспышки на звёздах (в частности, вспышки на Солнце)и т. д. По-видимому, более предпочтительным является предположение о галактич. происхождении КЛ (по крайней мере, до энергий ~10¹⁷эВ) по следующим соображениям: 1) в Галактике имеются источники, способные обеспечить необходимую мощность генерации КЛ. Таковыми прежде всего являются вспышки сверхновых звёзд, при взрыве к-рых выделяется энергия до 3 • 10⁵⁰ эрг. Поскольку частота вспышек сверхновых в Галактике равна одной вспышке в 10-100 лет, то ср. мощность этих процессов -10⁴¹ -10⁴² эрг/с. Если порядка 10% энергии, выделяемой при взрыве сверхновой, трансформируется в энергию ускоренных частиц, то этого достаточно, чтобы обеспечить мощность генерации КЛ ~ 10⁴⁰-10⁴¹ эрг/с; 2) есть указания на то, что в Галактике существуют объекты, такие, как Лебедь Х-3 и Геркулес Х-1 (двойные рентг. источники), испускающие частицы с энергиями порядка 10¹⁵ эВ и даже 10¹⁸ эВ, а мощность генерации этих частиц может достигать 10³⁵-10³⁸ эрг/с. Если, кик обычно предполагается, указанные частицы являются гамма-квантами, то есть основания считать, что в указанных объектах генерируются протоны (см. Гамма-астрономия)с энергией, на порядок большей указанной, а мощность генерации протонов может достигать 10⁴⁰ эрг/с; 3) ряд компонент КЛ, в частности электроны, заведомо имеют галактич. происхождение. Электроны, испущенные даже ближайшими радиогалактиками, не могут достигать Галактики из-за рассеяния на фотонах микроволнового фонового излучения.

Относительно происхождения К Л с энергиями > 10¹⁷ эВ существуют разл. точки зрения. Наиб, распространённым является предположение о том, что эти частицы ускоряются в активных ядрах галактик. Однако не исключена возможность их галактич. происхождения.

Вопрос о конкретных механизмах ускорения КЛ остаётся до сих пор открытым. Ускорение частиц может осуществляться либо регулярными, либо флуктуационными эл--магн. полями.

В условиях высокопроводящей космич. плазмы регулярное поле создаётся регулярными движениями, напр, такими, как орбитальные движения в двойной звёздной системе или вращение пульсара. В последнем случае ускорение частиц может быть обусловлено разностью потенциалов между поверхностью пульсара и "бесконечностью". Рождение электрон-позитронных пар в магнитосфере пульсара может приводить к экранированию ускоряющего элек-трич. поля. Однако даже в этих условиях в магнитосфере имеются области, где разность потенциалов не скомпенсирована,- это т. н. внутренний и внешний зазоры, в к-рых, по-видимому, и осуществляется ускорение частиц.

Флуктуационные эл--магн. поля могут возбуждаться в турбулентной среде. Турбулентные движения довольно часто встречаются в разл. космич. объектах, включая межзвёздную среду. В таких условиях может эффективно работать механизм, предложенный Э. Ферми (ускорение Ферми). Он реализуется при столкновении лёгкой частицы с "тяжёлыми" магн. облаками массой М, движущимися со случайными скоростями и. Предполагаются выполненными неравенства

где v и т-скорость и масса частицы. При столкновении частицы с облаком она меняет свою энергию. Энергия частицы увеличивается при "встречных" столкновениях и уменьшается в случае "догоняющих" столкновений. Однако поскольку вероятность столкновений зависит от относит, скорости, то частота "встречных" столкновений (относит, скорость в одномерном случае равна v + u)выше частоты "догоняющих" столкновений (относит, скорость равна и-и). В результате энергия час-

тицы в ср. увеличивается. Изменение энергии

где -характерное время ускорения. В однородном и стационарном случаях ф-ция распределения частиц описывается ур-нием

где т-характерное время жизни частиц в области ускорения. Из ур-ния (2) следует, что ускорение Ферми формирует степенной спектр (частиц) вида [

Однако в применении к межзвёздной среде данный механизм, по-видимому, малоэффективен (по крайней мере, для частиц с энергиями, большими 1-3 ГэВ/нуклон), поскольку характерное время ускорения намного больше времени жизни КЛ в Галактике. Возможно, этот механизм эффективен в радиогалактиках.

Скорее всего, данный механизм может реализоваться в областях с сильно развитой турбулентностью. В этой связи представляет интерес механизм ускорения частиц на фронтах ударных волн, к-рый близок к рассмотренному выше механизму Ферми. Ускорение реализуется в том случае, если в окрестности ударного фронта имеются к--л. рассеивающие центры. Тогда частица, пересекшая ударный фронт, может снова возвратиться на него за счёт рассеивания на этих центрах. При каждом пересечении ударного фронта частица набирает энергию в сжимающихся потоках. Изменение энергии релятивистской частицы описывается ур-нием

где и-скорость среды (на ударном фронте Ф-ция распределения ускоренных частиц описывается в этом случае ур-нием

где D - коэф. диффузии частиц, обусловленный их рассеянием. Для сильной ударной волны спектр ускоренных частиц имеет универсальный вид: ; :

Механизм У. з. ч. на ударных волнах представляется привлекательным ввиду трёх обстоятельств: 1) ударные волны достаточно распространены в Галактике. Они образуются, напр., у звёзд с сильным звёздным ветром, в результате взрыва сверхновых и т. д.; 2) при ускорении на разл. ударных волнах генерируется универсальный спектр частиц, к-рый не зависит от таких характеристик, как скачок скорости на ударном фронте (величина коэф. диффузии); 3) спектральный индекс частиц, ускоренных на фронтах [ур-ние (3)], близок к спектральному индексу КЛ у Земли (1).

Помимо представленных моделей существует ряд других, получивших, правда, меньшее признание, в к-рых делаются попытки объяснить наблюдаемые характеристики КЛ. При этом рассматриваются как процессы, протекающие в межзвёздной среде, так и в разл. космич. объектах.

Лит.: Гинзбург В; И.', Сыров а тс кий С. И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Астрофизика космических лучей, под ред. В. Л. Гинзбурга, 2 изд., М., 1990; Генерация космических лучей ударными волнами, Новосиб., 1988. В. А. Догель.

   <<      Предметный указатель      >>