К.А. Постнов, А.В. Засов - Курс общей астрофизики (1110768), страница 19
Текст из файла (страница 19)
В последнем случае образуется молекула ввозбужденном состоянии или же разрушается молекула на нижнемсигнальном уровне в процессе химической реакции. Лабораторныйпример такого рода – эксимерные лазеры на неустойчивых соединениях благородных газов He2 или Xe2 .При R-стоке важно, чтобы кванты стока свободно выходили измазерного источника, иначе возникнет термализация уровней (заселенность уровней будет стремиться к больцмановскому распределению, как в условиях ЛТР). Для СС-мазера необходимо, чтобы накачка и сток энергии осуществлялись частицами с разными энергиями. Такие неравновесные условия возможны в ударныхволнах, где температуры электронов и атомов (молекул) могут значительно отличаться.9Для работы такой тепловой машины необходима как минимум трехуровневая система по схеме 1 → 3 → “2”→“1” (накачка на верхний уровень с последующим стоком на верхний (сигнальный) уровень мазерного перехода) или 1 →“3”→“2”→ 1 (накачка на верхний сигнальный уровень мазерного перехода “3”и сток с нижнего сигнального уровня “2” на 1 уровень).
В кавычках – номерауровней, переход между которыми рождает мазерное излучение. Отсутствие илиослабление стока энергии с верхнего уровня “3” на верхний сигнальный “2” уровень приведет к уменьшению заселенности верхнего сигнального уровня “2” впервом случае, а отсутствие стока с уровня “2” во втором случае приведет к повышению населенности нижнего сигнального уровня. В обоих случаях инверснаязаселенность сигнальных уровней быстро исчезнет.108Глава 4. Межзвездная среда4.6. Космические лучи и синхротронное излучениеКосмическими лучами (КЛ) называют заряженные частицывысокой энергии (от 108 до ∼ 3 · 1020 эВ), приходящими либо отСолнца (E < 1010 эВ) либо из межзвездного пространства. Былиоткрыты австр. физиком Виктором Гессе в 1912 г.
По своим физическим свойствам они представляют собой сильно разреженныйрелятивистский газ, частицы которого не взаимодействуют другс другом (энергетический спектр КЛ имеет не максвелловский, астепенной характер), но могут сталкиваться с частицами МЗС ивзаимодействуют с межзвездным магнитным полем. В КЛ преобладают протоны, но имеются электроны, альфа-частицы и ядра более тяжелых элементов до Z ∼ 30.
Поток вблизи Земли сравнительно мал, около 1 частицы/(см2 c), однако плотность энергииUcr ∼ 1 эВ/см3 сравнима с плотностью суммарного ЭМ излучениязвезд в Галактике, или с плотностью энергии теплового движениямежзвездного газа и кинетической энергии его турбулентных движений, а также с плотностью энергии (B 2 /8π) магнитного поля Галактики. Энергетический спектр КЛ – степенной, нетепловой, имеет несколько характерных изломов, в среднем показатель спектраоколо 3 (dN/dE ∼ E −2.7 [кэВ/(см2 ·c·кэВ·стер)]) (см. рис. 4.3). КЛс энергией 1011 − 1016 эВ приходят с равной вероятностью с любого направления на небе (изотропно).
Этот факт интерпретируетсякак свидетельство их галактического происхождения и удержанияКЛ магнитным полем Галактики. Поток КЛ сверхвысоких энергий(выше 1018 эВ) крайне мал (около 1 частицы/км2 /100 лет), однако происхождение КЛ сверхвысоких энергий представляет собойодну из нерешенных проблем современной астрофизики и физикичастиц.КЛ взаимодействуют с протонами и ядрами межзвездного вещества, с излучением, а также с крупномасштабным магнитным полем. Рассмотрим эти три типа взаимодействия подробнее.Взаимодействие КЛ с веществом осуществляется по каналусильного взаимодействия. При попадании протона в ядро он взаимодействует с отдельными нуклонами ядра, т.к. длина волны Де4.6.
Космические лучи и синхротронное излучение109Стратосферные ивнеатмосферные наблюденияlg(I[мZ2сZ1стерZ1эВZ1])Измерение ШАЛ«колено»«второе колено»«лодыжка»ожидаемый GZKZзавалlg(E[эВ])Рис. 4.3. Наблюдаемый энергетический спектр КЛ по данным различных экспериментов имеет степенной характер в диапазоне энергий от 1011 до 1020 эВ снебольшими изломами вблизи 1015.5 эВ (“колено”), 1017.8 эВ (“второе колено”)и 1019 эВ (“лодыжка”). Завал в спектре КЛ сверхвысоких энергий из-за взаимодействия с фотонами реликтового излучения (эффект Грайзена–Зацепина–Кузьмина) ожидается вблизи энергии 1019.6 эВ. Рисунок взят из обзора NaganoM., Watson A.A., Rev.
Mod. Phys., 27, p.689 (2000).Бройля релятивистского протона с энергией E = γmp c2 , λB =c/E ≈ 2 · 10−15 см много меньше размеров ядра. При рассеянии нануклонах ядра возникают вторичные нуклоны и заряженные пионы, которые рождаются до тех пор, пока энергия, приходящаясяна одну частицу, не упадет ниже порога рождения пионов (около1 ГэВ). В результате первоначальная энергия частицы КЛ переходит в энергию пионов, странных частиц, нуклонов и антинуклонов (т.н. процесс пионизации). Возникающие вторичные протоныпри столкновениях теряют энергию на ионизацию и тормозятся дополной остановки. Нейтральные пионы распадаются на 2 гаммакванта π 0 → 2γ за время ≈ 10−16 c. Заряженные пионы распадаются на мюоны и мюонное нейтрино, нейтрино уходит из Галактики,110Глава 4. Межзвездная средаа заряженные мюоны распадаются на электроны, позитроны и нейтрино.Среднее значение энергии гамма-квантов при распаде π 0 составляет около 70 МэВ.
Полное значение сечения процесса взаимодействия КЛ с нуклонами, приводящего к фотораспаду нейтральных пионов, порядка геометрического сечения протона илиядра, составляя в среднем σγ ≈ 10−26 cм2 . Этот процесс дает основной вклад в гамма-излучение Галактики на энергиях выше 100МэВ. На таких энергиях наблюдаемая яркость диффузного гаммаизлучения непосредственно отражает распределение протонов иКЛ в Галактике. Излучение концентрируется к диску Галактики ив направлении на ее центр, указывая таким образом на те областиГалактики, где происходят наиболее интенсивные взаимодействияпротонов КЛ с ядрами молекулярного водорода.Взаимодействие КЛ с излучением осуществляется через обратное комптоновское рассеяние и при фоторождении пионов иэлектрон-позитронных пар.
Вселенная заполнена чернотельнымреликтовым излучением с температурой T = 2.73 К и плотностьюэнергии ≈ 0.45 эВ/см3 (удивительным образом совпадающей с галактической плотностью энергии КЛ в околосолнечном пространстве). При движении заряженной релятивистской частицы (протона) с лоренц-фактором γ энергия кванта в системе отсчета протона ≈ γ, где − энергия фотона для покоящегося наблюдателя. Порог образования пионов фотонами составляет около 200 МэВ, поэтому реликтовые фотоны с энергией 6 · 10−4 эВ способны рождать пионы, взаимодействуя с частицами для которых γ ≥ 3 · 1011(т.е.
c частицами с энергией выше ∼ 1020 эВ). Более строгое интегрирование по функции Планка и по угловым переменным приводит к уменьшению пороговой энергии до 5 · 1019 эВ. Сечение реакции σpπ = 2.5 · 10−28 см2 , поэтому в поле реликтовых фотонов сплотностью частиц nγ ≈ 400 см−3 длина свободного пробега протона относительно фоторождения пионов l = 1/(Nγ σpπ ) ≈ 1025 см3 Мпк (время свободного пробега l/c ≈ 107 лет). Поскольку рождается пион с энергией γmπ c2 , потери энергии при единичном столк-4.6.
Космические лучи и синхротронное излучение111новении с реликтовым фотоном составляют долю mπ /mp ≈ 1/10,а это значит, что после 10 столкновений (за 108 лет) такой протон потеряет всю энергию и уйдет под порог реакции. Следовательно, протоны сверхвысоких энергий не могут приходить с расстояний больших, чем 30-50 Мпк (местное сверх-скопление галактик).Рождение электрон-позитронных пар имеет на два порядка большее сечение, однако уносимая энергия в mπ /me ≈ 280 раз меньше,и в результате процесс торможения быстрого протона за счет фоторождения пар в 6 раз менее эффективен, чем за счет фоторождения пионов.
Эффект обрезания спектра КЛ сверхвысоких энергийв поле реликтовых фотонов носит названия эффекта Грейнера–Зацепина–Кузьмина, по имени авторов, указавших на его важностьв середине 60-х гг.Взаимодействие КЛ с магнитным полем. На движущуюся заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца, поэтому в общем случае частица будет двигаться по винтовой траектории. В однородном магнитном поле с индукцией (напряженностью) B ее радиус (гирорадиус, или ларморовский радиус) определяется напряженностью поля и импульсом частицы p.
Для релятивистских частиц энергия и импульс связаны соотношением E = pc,и гирорадиус для частицы с зарядом Z−1EBE113≈ 3 · 10 [см],(4.11)rg =ZeBZ 10ГэВ10−6 Гст.е. порядка нескольких астрономических единиц для характерного значения энергии частицы и напряженности крупномасштабного магнитного поля Галактики. При характерных масштабах в парсеки и килопарсеки, рассматриваемых в астрофизических задачах,это означает, что движение частиц таких энергий можно считатьпроисходящим вдоль направления поля (винтовая траектория частицы “наматывается” на силовую линию магнитного поля).В запутанном магнитном поле траектория отдельной частицыКЛ похожа на броуновское блуждание, поэтому говорят о диффузионном распространении космических лучей в Галактике.
Однако для КЛ с энергиями > 1017 эВ ларморовский радиус превос-112Глава 4. Межзвездная средаходит характерные размеры Галактики (10 кпк). Эти частицы “нечувствуют” магнитное поле Галактики (а внегалактическое крупномасштабное магнитное поле намного слабее галактического), идвижутся практически по прямой траектории от источника.Синхротронное излучение.
Наиболее существенно присутствиемагнитного поля сказывается на электронной компоненте КЛ. Придвижении релятивистского электрона в магнитном поле возникает синхротронное излучение. В отличие от нерелятивистского электрона, магнитотормозное излучение которого происходит на нерелятивистской гирочастоте ωg = eB/(me c), один релятивистскийэлектрон c энергией E = γme c2 излучает на многих частотах.Это можно понять из следующих качественных рассуждений. Изза эффекта релятивистской аберрации излучение релятивистскогоэлектрона сосредоточено в узком конусе с углом раствора θ ∼ 1/γвокруг вектора мгновенной скорости. За один оборот электронавокруг силовой линии с релятивистской гирочастотой ωg /γ (ср.формулу (4.11)) наблюдатель увидит короткий импульс излучения длительностью ∆t ∼ (γ/ωg )(1/γ)(1 − v/c).
Здесь фактор (1/γ)возникает из-за того, что наблюдатель видит излучение электронатолько когда попадает в конус его излучения, а фактор (1 − v/c)(v – скорость движения электрона) учитывает уменьшение интервала времени света от начала попадания наблюдателя в конус излучения электрона до момента выхода из него (эффект Доплера).При v ≈ c имеем 1 − v/c = (1 − (v/c)2 )/(1 + v/c) 1/2γ 2 , поэтому∆t ∼ (γ 2 ωg )−1 . Из-за импульсного характера принимаемого излучения его фурье-спектр содержит большой набор гармоник, так чтоформируется непрерывный спектр, являющийся функцией толькоотношения ω/ωc . Максимум спектра находится вблизи частотыνc ∼ 1/(∆t) ≈ νg γ 2 =γ3v,2πrg(4.12)где v − скорость движения электрона по орбите с радиусом кривизны rg .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
