Синхротронное излучение
2.5. Синхротронное излучение
Синхротронный механизм – один из наиболее часто встречающихся в астрофизике. Он работает везде, где есть для этого условия: релятивистские электроны и магнитное поле. Основные астрофизические объекты, излучающие синхротронным механизмом: облака релятивистских электронов, выброшенные из активных областей на Солнце (всплески IV и V типов), магнитосферы планет-гигантов, галактический диск (на дециметровых и метровых волнах), остатки вспышек сверхновых, пульсары, нормальные галактики, радиогалактики, квазары.
Магнитотормозное излучение, рассмотренное в предыдущем параграфе, происходит на гирочастоте 
и ее гармониках и практически изотропно. Однако для релятивистских электронов ситуация качественно изменяется.
Вначале рассмотрим излучение одного электрона в случае, когда угол c между вектором скорости электрона 
и вектором магнитного поля 
равен 90°. Под действием силы Лоренца 
электрон вращается вокруг силовой линии магнитного поля. Вследствие релятивистского сокращения углов излучение электрона будет сосредоточено в узком конусе вокруг вектора мгновенной скорости электрона. Угол раствора конуса (в радианах)
, (2.39)
где
– фактор Лоренца, представляющий собой меру энергии релятивистского электрона (E = mc2gL).
Рис. 2.3. Импульсы излучения релятивистского электрона.
Наблюдатель на луче зрения, перпендикулярном к вектору , видит короткие импульсы с периодом 
, длительность каждого импульса 
(рис. 2.3). Множитель gL учитывает релятивистское замедление течения времени.
Рекомендуемые материалы
В случае, когда электрон движется под произвольным (не очень малым) углом c ("питч-угол") к вектору , будет работать лишь компонента , перпендикулярная к вектору скорости : H^ = Hsinc. Соответственно, период следования импульсов изменится вследствие эффекта Доплера за счет движения электрона вдоль силовых линий со скоростью v|| = vcosc. Электрон как бы догоняет испущенный импульс (см. рис. 2.4):
, (2.40)
так как v ~ c. Круговая частота следования импульсов
. (2.41)
Рис. 2.4. Излучение релятивистского электрона при винтовом движении вокруг магнитной силовой линии.
Приведенное рассмотрение пригодно для углов c (выраженных в радианах) >> 1/gL. Изменение периода следования импульсов скажется в первую очередь на спектре и должно быть учтено при усреднении по питч-углам.
Излучение, состоящее из коротких импульсов (рис 2.3), содержит множество частотных гармоник и обладает широким спектром с максимумом вблизи частоты 
. Для получения формы спектра единичного релятивистского электрона необходимо разложить последовательность импульсов в интеграл Фурье. При этом учитывается форма каждого импульса, определяемая, в свою очередь, вращающейся диаграммой направленности излучения электрона. Теория синхротронного излучения [15] дает следующее выражение для спектральной плотности мощности излучения:
(2.42)
где K5/3 – функция Бесселя мнимого аргумента порядка 5/3, H^ == Hsinc – составляющая магнитного поля, перпендикулярная к вектору скорости электрона (угол c не слишком мал),
Рис. 2.5. Частотный спектр синхротронного излучения электрона в вакууме.
. (2.43)
Характерная частота nc не есть частота максимума спектра P(n), частота максимума 
. Функция P(n), выраженная в безразмерных единицах, представлена на рис. 2.5. Для релятивистских электронов, излучающих в межзвездной среде, типичные значения H ~ 10–5–10–6 Гс, gL ~ 103–105.
Излучение электрона линейно поляризовано. Вектор поляризации расположен в картинной плоскости перпендикулярно направлению магнитного поля, так как изменение вектора электрического поля 
максимально именно в плоскости ларморовской орбиты электрона.
Степень поляризации 
.
Для перехода к ансамблю релятивистских электронов, имеющему некоторое распределение по энергиям N(E), необходимо провести усреднение функции P(n) по N(E). В функции P(n) зависимость от энергии входит через фактор Лоренца gL, содержащийся в величине nc. Интенсивность излучения ансамбля равна
, (2.44)
где L – размер излучающей области вдоль луча зрения. Предполагается, что источник прозрачен для собственного синхротронного излучения. Это условие всегда выполняется для диска Галактики, но может нарушаться в некоторых компактных внегалактических источниках.
В астрофизических условиях спектр релятивистских электронов обычно представляется степенной функцией:
N(E)dE = KE–gdE. (2.45)
Такой вид спектра обусловлен особенностями механизмов ускорения частиц (§5.1). Для спектра излучения теория дает
. (2.46)
Следовательно, магнитотормозное излучение ансамбля релятивистских электронов со степенным распределением по энергиям вида (2.48) имеет степенной спектр I(n) µ n–a, где величина 
называется спектральным индексом.
Полное выражение для функции a(g) можно найти в [15]. В широком интервале частот функция a(g)~0.1. Вид функции a(g) различен для однородного и хаотически ориентированного ("запутанного") поля. В частности, она учитывает распределение электронов по питч-углу, так как он входит в величину H^.
В случае однородного магнитного поля излучение ансамбля электронов также поляризовано; степень поляризации равна
.
Диапазону 2 < g < 3 отвечает степень поляризации около 70%. В случае хаотически ориентированного поля поляризация отсутствует. На практике реализуется промежуточный случай.
У всех источников синхротронного излучения на низких частотах наступают отклонения от степенного спектра ("завал"). Низкочастотный завал может быть обусловлен тремя причинами:
1. Тормозное поглощение в ионизованном газе на частотах n < nmax спектр имеет вид 
.
2. Эффект Разина–Цытовича. Предыдущее рассмотрение проведено для частиц, излучающих в вакууме. Для частот ниже
. (2.47)
Бесплатная лекция: "6 - Биотические регионы суши" также доступна.
показатель преломления меньше единицы и фазовая скорость больше, чем с. Частица "отстает" от излучения, и при n < ncr
. (2.48)
В межзвездной среде этот эффект несуществен.
3. Синхротронное самопоглощение. При n < ncr 
.
Рис. 2.6. Диаграмма направленности магнитодрейфового излучения.
