Диссертация (1150860), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Îáëàñòè 1 è 3 ñîîòâåòñòâóþò âûáîðó ζ = 0, òîãäà êàê äëÿ îáëàñòè2 ζ ̸= 0, ïîñêîëüêó èìååò ìåñòî ãðàäèåíò ïñåâäîñêàëÿðíîãî ïîëÿ. Êàê áûëî ïîêàçàíî íàìè ðàíåå äëÿ ðàçëè÷íûõ îáëàñòåé èìåþò ìåñòî ðàçíûå äèñïåðñèîííûåñîîòíîøåíèÿ. È, êàê ñëåäñòâèå, âîçíèêàþò íåòðèâèàëüíûå ýôôåêòû îòðàæåíèÿè ïðîõîæäåíèÿ, îïèñàííûå â ïðåäûäóùåé ãëàâå.4.3.1. Ïðîõîæäåíèå â ãðàíè÷íûé ñëîéÏðåäïîëîæèì, ÷òî òîëùèíà ïåðåõîäíîãî ñëîÿ (îáëàñòü 2 íà Ðèñ.1) ìíîãîáîëüøå õàðàêòåðíîé äëèíû âîëíû è äëèíû ñâîáîäíîãî ïðîáåãà ôîòîíà. Ó÷èòûâàÿ ýòè ïðåäïîëîæåíèÿ, âîñïîëüçóåìñÿ (4.4). Çàäà÷à ñâîäèòñÿ ê ðàññìîòðåíèþôîòîíîâ, ïàäàþùèõ íà ãðàíèöó èç îáëàñòè ñ îáû÷íîé ýëåêòðîäèíàìèêîé è ÷àñòè÷íî ïðîíèêàþùèõ â îáëàñòü, îïèñûâàåìóþ ýëåêòðîäèíàìèêîé Ì×Ñ. Èñïîëüçóÿ âûðàæåíèÿ (3.13-3.14) è (3.39-3.41) ìîæíî íàéòè êîýôôèöèåíò ïðîõîæäåíèÿäëÿ êàæäîé èç êîìïîíåíò,ṽνA→2k10= 0ũ(A).CSk1 + k1A ν→(4.25)Èñïîëüçóÿ (4.5), çàïèøåì êîýôôèöèåíò ïðîõîæäåíèÿ êàêT± =1√1+ 1∓ζk10.(4.26)82Ïðîäîëüíàÿ ïîëÿðèçàöèÿ (åñëè îíà èìååò ìåñòî äëÿ íåíóëåâîé ýôôåêòèâíîé ìàññû ôîòîíà) íå ÷óâñòâóåò ãðàíèöû.Ðèñ.
4.2. Ãåîìåòðèÿ ðàñïðîñòðàíÿþùåãîñÿ ôîòîíà. n íîðìàëüíûé âåêòîð.  ëåâîé ÷àñòèïñåâäîñêàëÿðíûé êîíäåíñàò ïîñòîÿíåí, ïðàâàÿ ÷àñòü ñîîòâåòñòâóåò îáëàñòè ñ ãðàäèåíòîìêîíäåíñàòà.Íàïðàâëåíèå ïàäàþùèõ ôîòîíîâ ñîîòâåòñòâóåò óãëó β (Ðèñ. 4.2). Ïîñëåïðîõîæäåíèÿ ãðàíèöû óãîë ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçìåíèòñÿ (α) â ñîîòâåòñòâèè ñïîëÿðèçàöèåé ôîòîíà. Ðàçëîæèì k = kn n + k⊥ τ .
Èç [33] èçâåñòíî, ÷òî k⊥ îñòàåòñÿ íåèçìåííûì ïðè ïåðåñå÷åíèè ãðàíèöû. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî òðàåêòîðèÿ ÷àñòèöû è íîðìàëüíûé âåêòîð ëåæàò â îäíîé ïëîñêîñòè. Îäíàêî, kn ìåíÿåòñÿ.Ââåäåì íîâóþ ïåðåìåííóþ knCS äëÿ îïèñàíèÿ íîðìàëüíîé êîìïîíåíòû k ïîñëåïåðåñå÷åíèÿ ãðàíèöû. Äëÿ x1 < 0 âèäíî, ÷òîk10cos β =ω(4.27)Ìû çàèíòåðåñîâàíû â íàõîæäåíèè îáùåãî ïîòîêà èñõîäÿùèõ ôîòîíîâ èçîáëàñòè 1 â îáëàñòü 2 íà Ðèñ. 4.1. ×òîáû åãî íàéòè ðàññìîòðèì ìàëûé îáúåìîêîëî ãðàíèöû.
Ïðåäïîëîæèì, ÷òî îí ðàâíîìåðíî èçëó÷àåò âî âñåõ íàïðàâëåíèÿõ. Äëÿ íàñ âàæåí ïîòîê, èäóùèé íàðóæó, ïîýòîìó ìû èíòåðåñóåìñÿ òîëüêîâåðõíåé ïîëóñôåðîé íà Ðèñ. 4.3.Äîïóñòèì, ÷òî ìàëûé îáúåì èçëó÷àåò ñ ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè NΩω íà åäèíèöóòåëåñíîãî óãëà.  äàííîì ðàçäåëå ïðåíåáðåæåì ìàññîé ôîòîíà äëÿ ïîëó÷åíèÿêîëè÷åñòâåííûõ ðåçóëüòàòîâ. Äëÿ íàõîæäåíèÿ îáùåé ñâåòèìîñòè, íóæíî ïðîèíòåãðèðîâàòü ïëîòíîñòü èçëó÷åíèÿ ïî òåëåñíîìó óãëó, ÷àñòîòå è ïîâåðõíîñòè83Ðèñ. 4.3. Èçëó÷åíèå ìàëîãî îáúåìà íà ãðàíèöå.ñëîÿ.
Îäíàêî, ïîñëåäíåå èíòåãðèðîâàíèå áóäåò òî÷íî òàêèì æå, êàê è â ñëó÷àåîòñóòñòâèÿ ïñåâäîñêàëÿðíîãî êîíäåíñàòà.π∫2∞∫L∝∞∫dωNΩω0dβT+ (β, ω, ζ) +max( π2 ,arccos( ωζ ))0π∫2dωNΩω dβT− (β, ω, ζ)(4.28)0 äàííîì âûðàæåíèè èíòåãðèðîâàíèå ïî óãëàì â ïåðâîì ÷ëåíå íà÷èíàåòñÿñî çíà÷åíèÿ cos β = ωζ . Ýòî çíà÷åíèå ïðèõîäèò èç êèíåìàòè÷åñêèõ ñîîáðàæåíèéäëÿ ïîëîæèòåëüíîé ïîëÿðèçàöèè. Èç (4.26) âèäíî, ÷òî äëÿ T+ â çíàìåíàòåëåïîëó÷àåòñÿ îòðèöàòåëüíîå ÷èñëî ïîä êîðíåì äëÿ ζ > k1 . Ôèçè÷åñêè, ýòî îçíà÷àåò, ÷òî äëÿ ôîòîíîâ ñ k1 < ζ êèíåìàòè÷åñêè çàïðåùåí ïåðåõîä â ôîòîíûñ ïîëîæèòåëüíîé ïîëÿðèçàöèåé â îáëàñòè ñ ëèíåéíî ìåíÿþùåéñÿ ïëîòíîñòüþïñåâäîñêàëÿðíîãî ïîëÿ.
Äëÿ îòðèöàòåëüíîé ïîëÿðèçàöèè òàêîãî îãðàíè÷åíèÿíåò, â (4.5) k1− ïîëîæèòåëüíî äëÿ âñåõ çíà÷åíèé ζ è, êàê ñëåäñòâèå, íèêàêèõñïåöèàëüíûõ ïðåäåëîâ èíòåãðèðîâàíèÿ äëÿ âòîðîãî ÷ëåíà íåò.Ïðåäïîëîæèì, ÷òî îáëàñòü íàõîäèòñÿ â òåïëîâîì ðàâíîâåñèè ñ òåìïåðàòóωðîé T è èçëó÷àåò NΩω ∝ ω 3 /(e T − 1). Ñðàâíèì çíà÷åíèÿ ñâåòèìîñòè äëÿ ñëó÷àåâñ è áåç ýôôåêòîâ îáëàñòè ñ íàðóøåíèåì ïðîñòðàíñòâåííîé ÷åòíîñòè.  ñëó÷àå84áåç ïîäîáíûõ ýôôåêòîâ ñâåòèìîñòü L0 ,π∞∫L0 ∝ 2∫2(4.29)dωNΩω dβ,00ãäå ìíîæèòåëü 2 îáîçíà÷àåò äâå îáû÷íûå ôîòîííûå ïîëÿðèçàöèè.
Íàøà öåëü ïîëó÷èòü äëÿ ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèé ζ îòíîøåíèåLL0 .Ïîñêîëüêó âû÷èñëèòü àíàëèòè÷åñêè äàííîå âûðàæåíèå ïðåäñòàâëÿåòñÿ çàòðóäíèòåëüíûì, ìû ÷èñëåííîâîçüìåì èíòåãðàëû èç 4.28 è 4.29 äëÿ ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèéζT. ñëó÷àå ñ 4.29íåò íèêàêèõ ñëîæíîñòåé, à äëÿ òîãî, ÷òîáû âû÷èñëèòü èíòåãðàëû, îïèñàííûå â4.28, ïðèäåòñÿ ïðèìåíèòü íåêîòîðûå óïðîùåíèÿ.Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â òåïëîâîì ñïåêòðå ÷åðíîãî òåëà ëèøü îêîëî 3×10−6îò îáùåé èçëó÷àåìîé ýíåðãèè ïðèõîäèòñÿ íà ôîòîíû ñ ÷àñòîòîé áîëåå 20T . Ìûâîñïîëüçóåìñÿ ýòèì ôàêòîì è â íàøèõ âû÷èñëåíèÿõ ÷èñëåííûõ âû÷èñëåíèÿõîãðàíè÷èì èíòåãðàë ïî ýíåðãèè çíà÷åíèåì 20T . Òîãäà èíòåðåñóþùåå íàñ âûðàæåíèå áóäåò âûãëÿäåòü êàê,π20T∫L∝dω0∫23ωe −1ωTdβ1√1+ 1−dβ√ζmax( π2 ,arccos( ω))3dω0(4.30)π20T∫+ζω cos βωe −1∫2ωT01+11+ζω cos βÄëÿ âû÷èñëåíèÿ äàííûõ èíòåãðàëîâ ìû ñäåëàåì çàìåíó b = cos β è âîñïîëüçóåìñÿ ìåòîäîì ïðÿìîóãîëüíèêîâ, ðàçáèâ îáëàñòü èíòåãðèðîâàíèÿ íà 100ó÷àñòêîâ.
Àáñîëþòíàÿ òî÷íîñòü âû÷èñëåíèÿ íàì íå òàê âàæíà, îáùèé æå õàðàêòåð çàâèñèìîñòè îò ïàðàìåòðà ζ ìîæíî óâèäåòü, èñïîëüçóÿ îïèñàííûå âûøåïðèáëèæåíèÿ. Ïðèâåäåì ãðàôèê, äåìîíñòðèðóþùèé âëèÿíèå ãðàíèöû íà ñâåòèìîñòü.Èç Ðèñ. 4.4 âèäíî, ÷òî ýôôåêò áîëåå, ÷åì çíà÷èòåëüíûé.
Äëÿ áîëüøèõçíà÷åíèé ζ (â ñðàâíåíèè ñ òåìïåðàòóðîé) áîëüøèíñòâî ôîòîíîâ îòðàæàþòñÿ îòãðàíèöû, òåì ñàìûì óìåíüøàÿ êîëè÷åñòâî ýíåðãèè, âûõîäÿùåé ÷åðåç ãðàíèöó.Òàêæå ñëåäóåò îáðàòèòü âíèìàíèå íà òî, ÷òî èç-çà ãðàíè÷íûõ ýôôåêòîâ ñïåêòð85Ðèñ. 4.4. Îòíîøåíèå ìåæäó ñâåòèìîñòÿìè â ñëó÷àå íàëè÷èÿ è îòñóòñòâèÿ ïñåâäîñêàëÿðíîãîêîíäåíñàòàèçëó÷åíèÿ îòëè÷àåòñÿ îò ñïåêòðà ÷åðíîãî òåëà ñ òåìïåðàòóðîé T .4.3.2. Âûõîä èç ãðàíè÷íîãî ñëîÿÏîñëå âûõîäà èç ïåðâîé îáëàñòè ôîòîíû îêàçûâàþòñÿ â îáëàñòè, â êîòîðîéèìååò ìåñòî ýëåêòðîäèíàìèêà Ì×Ñ.
×òîáû ïðîíèêíóòü â ñëåäóþùèé äîìåíôîòîíû äîëæíû ïðîéòè ÷åðåç åùå îäíó ãðàíèöó. Îíà ñîîòâåòñòâóåò ãðàíèöåìåæäó îáëàñòÿìè 2 è 3 íà Ðèñ. 4.1. Ïðîäåëàåì òå æå øàãè, ÷òî è â ïðåäûäóùåì ïîäðàçäåëå. Ðèñ. 4.2 è Ðèñ. 4.3 ïî ïðåæíåìó ïðèìåíèìû, òîëüêî îáëàñòèíåîáõîäèìî ïîìåíÿòü ìåñòàìè.  íàøåì ñëó÷àå,knCS= cot(α);k⊥kn= cot(β).k⊥(4.31)Áîëåå òîãî, èçâåñòíî,÷òî äëÿ ïðîñòðàíñòâåííîãî âåêòîðà ×Ñ èìåþò ìåñòîäâå ïîïåðå÷íûå ïîëÿðèçàöèè ñ äèñïåðñèîííûìè ñîîòíîøåíèÿìè,√CSkn±=ω2−2k⊥∓ζ√2,ω 2 − k⊥èëè, ïîñêîëüêó ìû ðàññìàòðèâàåì ôîòîí è kn =CSkn±=√kn2 ∓ ζkn .√2,ω 2 − k⊥(4.32)86Èñïîëüçóÿ ðåçóëüòàò, ïîëó÷åííûé â ïðåäûäóùåé ãëàâå, ìû ìîæåì íàéòèêîýôôèöèåíò ïðîõîæäåíèÿ äëÿ êàæäîé èç ïîëÿðèçàöèé,TA =CS2k1A.CS + k 0k1A1(4.33)Ìû çàèíòåðåñîâàíû òîëüêî â ïîïåðå÷íûõ ïîëÿðèçàöèÿõ (ïðîäîëüíàÿ ïîëÿðèçàöèÿ, íàïîìíèì, íå çàìå÷àåò ãðàíèöû), è êîýôôèöèåíò ïðîõîæäåíèÿ ìîæåòáûòü âûðàæåí êàê,CS2kn±2 cot(α)T± = CS=.cot α + cot(β)kn± + kn(4.34)Äëÿ íàøèõ öåëåé íåîáõîäèìî âûðàçèòü T± êàê ôóíêöèþ îò β , ïîýòîìóâûðàçèì α ÷åðåç β .
Äëÿ ïîñòîÿííîãî a(x), ω = |k|, è ìîæíî èñïîëüçîâàòükn = ω cos α. Ïîýòîìó èç (4.31) ïîëó÷àåòñÿ,cot α = cot β √ω cos αω 2 cos2 α ∓ ζω cos α.(4.35)Ãäå, êàê è ðàíåå, ∓ ïðèíèìàåò îïðåäåëåííîå çíà÷åíèå äëÿ ñîîòâåòñòâóþùåéïîëÿðèçàöèè.Ðåøàÿ äàííîå óðàâíåíèå, ëåãêî íàéòè âûðàæåíèå äëÿ cot β äëÿ ðàçíûõïîëÿðèçàöèé. Çíà÷åíèå äëÿ T± ïðèíèìàåò âèä,T± (β, ζ, ω) =cot β +√±ζ+2 cot β√2 2ζ +4ω cot2 β(1+cot2 β)4ω 2 (1+cot2 β)−2ζ 2 ∓2ζ(4.36)√ζ 2 +4ω 2 cot2 β(1+cot2 β)Èñïîëüçóÿ ýòó ôîðìóëó äëÿ ëþáîãî óãëà β ìîæíî íàéòè äîëþ ôîòîíîâ,êîòîðûì óäàåòñÿ ïåðåñå÷ü ãðàíèöó x+ è ïîïàñòü â îáëàñòü ñ ïîñòîÿííûì a. Êàêè ðàíåå, ìû ðàññìàòðèâàåì ìàëûé îáúåì, êîòîðûé èçëó÷àåò ñ ïëîòíîñòüþ NΩωíà åäèíèöó òåëåñíîãî óãëà, è ïîýòîìó âûðàæåíèå äëÿ ïîëíîé ñâåòèìîñòè èìååòâèä,∞∫L∝π∫2∞∫dωNΩω dβT+ (β, ω, ζ) +ζ00π∫2dωNΩω dβT− (β, ω, ζ).0(4.37)87Ñëåäóåò îáðàòèòü âíèìàíèå íà îáëàñòè èíòåãðèðîâàíèÿ îáîèõ ÷ëåíîâ.
Èç âûðàæåíèÿ (4.31) ëåãêî çàìåòèòü, ÷òî îòðèöàòåëüíàÿ ïîëÿðèçàöèÿ íå íàêëàäûâàåòêèíåìàòè÷åñêèõ óñëîâèé íà ôîòîí. À ó ôîòîíà ñ ïîëîæèòåëüíîé ïîëÿðèçàöèåéω íå ìîæåò áûòü ìåíüøå ζ .Êàê è ðàíåå, äëÿ îïèñàíèÿ êà÷åñòâåííîãî ýôôåêòà íàëè÷èÿ ïñåâäîñêàëÿðíîãî êîíäåíñàòà, ïðåäïîëîæèì, ÷òî ñðåäà èìååò òåìïåðàòóðó T . Ìåíÿåì âåðõíèé ïðåäåë èíòåãðèðîâàíèÿ ïî ýíåðãèè íà 20T , äåëàåì çàìåíó b = cot β è,ðàçáèâàÿ îáëàñòü èíòåãðèðîâàíèÿ íà 100 ó÷àñòêîâ è âîñïîëüçîâàâøèñü ìåòîäîì ïðÿìîóãîëüíèêîâ äëÿ ÷èñëåííîãî èíòåãðèðîâàíèÿ, ïîëó÷àåì çàâèñèìîñòüîòíîøåíèÿ ñâåòèìîñòåé îò ïàðàìåòðà ζ (Ðèñ.
4.5).Ðèñ. 4.5. Îòíîøåíèå ñâåòèìîñòåé â ñëó÷àå íàëè÷èÿ è îòñóòñòâèÿ ïñåâäîñêàëÿðíîãî êîíäåíñàòà (âûõîä èç ñðåäû ñ íàðóøåííîé ÷åòíîñòüþ)Ëåãêî çàìåòèòü, ÷òî äëÿ ζ > T íàáëþäàåòñÿ çíà÷èòåëüíûé ýôôåêò ïîäàâëåíèÿ èñõîäÿùåé ýíåðãèè, ÷òî äîëæíî ïðèâîäèòü ê çàìåäëåíèþ ïðîöåññàðàäèàöèîííîãî îñòûâàíèÿ âíóòðåííèõ äîìåíîâ (îáëàñòü 1 íà Ðèñ. 4.1).Ó÷èòûâàÿ îáå ãðàíèöû, êîòîðûå äîëæíû ïðîéòè ôîòîíû äëÿ âûõîäà èçâíóòðåííåãî äîìåíà, ìû ïîëó÷àåì åùå áîëüøåå ïîäàâëåíèå. Åñëè ïðåíåáðå÷üòåïëîåìêîñòüþ îáîëî÷êè (îáëàñòü 2 íà Ðèñ. 4.1), ìîæíî ïîñòðîèòü ãðàôèê (Ðèñ.4.6), ïîêàçûâàþùèé ñîâìåñòíûé ýôôåêò äâóõ ãðàíèö âíóòðåííåãî äîìåíà. Åñëèâíóòðåííèé äîìåí ÿâëÿåòñÿ áîëåå ãîðÿ÷åé îáëàñòüþ, ÷åì îêðóæàþùàÿ ñðåäà,îïèñûâàåìûé íàìè ýôôåêò äåéñòâèòåëüíî äîëæåí ïðèâîäèòü ê çàìåäëåíèþ ïðî88Ðèñ.
4.6. Îòíîøåíèå ñ ó÷åòîì äâóõ ãðàíèööåññà îñòûâàíèÿ. Îäíàêî, íàäî îòìåòèòü, ÷òî â ïëîòíûõ çâåçäàõ ðàäèàöèîííîåîõëàæäåíèå íå ÿâëÿåòñÿ äîìèíèðóþùèì ïðîöåññîì îõëàæäåíèÿ, ïîýòîìó òàêîãî ñèëüíîãî ýôôåêòà, êàê ìû ìîæåì âèäåòü íà ãðàôèêàõ, â ðåàëüíûõ ñèñòåìàõîæèäàòü íå ñëåäóåò.4.4. Ôåðìèîííûé ðàñïàä â ïðèñóòñòâèè ïñåâäîñêàëÿðíîãîãðàäèåíòàÔåðìèîíû, ïðîõîäÿùèå ÷åðåç ãðàíèöû äîìåíîâ, áóäóò, êàê è ôîòîíû, ÷àñòè÷íî îòðàæàòüñÿ. Îäíàêî, ó÷èòûâàÿ, ÷òî b ≪ m, ïîäîáíûå ýôôåêòû áóäóò íåòàê çíà÷èòåëüíû. Áîëåå âàæíûì ÿâëåíèåì â äàííîì ñëó÷àå ÿâëÿåòñÿ íåñòàáèëüíîñòü ôåðìèîíîâ â îáëàñòè ñ íàðóøåíèåì ïðîñòðàíñòâåííîé ÷åòíîñòè. À èìåííî, ôåðìèîí (ýòî ìîæåò áûòü è ýëåêòðîí, è íåéòðîí) ñ áîëüøåé ýôôåêòèâíîéïîïåðå÷íîé ìàññîé m+ =√p21 + m2 +b ìîæåò ðàñïàñòüñÿ íà ôåðìèîí ñ ìåíüøåé√ýôôåêòèâíîé ïîïåðå÷íîé ìàññîé m− = q12 + m2 − b, èçëó÷èâ ïðè ýòîì ôîòîí(â ñëó÷àå ýëåêòðîíà) èëè íåéòðàëüíûé âèðòóàëüíûé ïèîí (åñëè ðå÷ü èäåò î íåéòðîíå), êîòîðûé ñðàçó ðàñïàäåòñÿ íà äâà ôîòîíà.
Ïîñêîëüêó äëÿ îáîèõ ñëó÷àåâïðèìåíèì îäèí è òîò æå ôîðìàëèçì, ìû ðàññìîòðèì òîëüêî ñëó÷àé èñïóñêàíèÿôîòîíà ýëåêòðîíîì â ñðåäå ñ íàðóøåíèåì ïðîñòðàíñòâåííîé ÷åòíîñòè, îáëàäàþùåé òåìïåðàòóðîé T è õèìè÷åñêèì ïîòåíöèàëîì µ.  ýòîì ñëó÷àå èñïóñêàåìûé89ôîòîí áóäåò îáëàäàòü ïîïåðå÷íîé ìàññîé mγ =√k12 + m2⋆ + ζ 2 /4 ± ζ/2, ãäå m⋆ ýôôåêòèâíàÿ ìàññà ôîòîíà â ïëàçìå [103]. Ïðè î÷åíü âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõè ïëîòíîñòÿõ (è çíà÷åíèÿõ õèìè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà µ) ýôôåêòèâíàÿ ìàññà ôîòîíà [103]m2⋆≃e23(1 23T+µ2π2)âîçíèêàåò êàê â ïðîäîëüíîì òåíçîðå ïîëÿðèçàöèè("ïëàçìîí"), òàê è â ïîïåðå÷íîì. Ýòè ìàññû ïðè íóëåâûõ âîëíîâûõ âåêòîðàõñîâïàäàþò ïî âåëè÷èíå. Îíè ÿâëÿþòñÿ èñòî÷íèêîì ïðåâðàùåíèÿ ôîòîíà â íåéòðèíî è àíòèíåéòðèíî [104].Äëÿ ïðîñòîòû âû÷èñëåíèé, îãðàíè÷èìñÿ ïðîñòðàíñòâåííûì ñëó÷àåì äëÿâåêòîðà bµ = (0, b, 0, 0) è âûáåðåì b > 0.