Пульсары и космические лучи



Пульсары и космические лучиЕще в 1934 г. В. Бааде и Ф. Цвикки указали на возможную связь между вспышками сверхновых, нейтронными звездами и космическими лучами — частицами высоких энергий, приходящими на Землю из космического пространства.

Космические лучи были открыты более 60 лет назад и с тех пор служат предметом тщательного изучения. Интерес к ним связан прежде всего с возможностью использовать их для исследования взаимодействий элементарных частиц при высоких энергиях, недостижимых в лабораторных ускорительных устройствах. Наибольшая энергия частицы, зарегистрированная в космических лучах, — 1020 эВ ≈ 10 Дж, тогда как на лучших современных ускорителях достигаются энергии около 1012 эВ — на 8 порядков меньше.

Частицы высоких энергий, приходящие к Земле из межпланетного и межзвездного пространства, порождают в земной атмосфере новые, вторичные частицы, тоже обладающие немалыми энергиями. Но более всего интересны, очевидно, исходные, первичные частицы. Они представляют собою главным образом протоны; среди них имеются в небольшом числе и атомные ядра таких элементов, как гелий, литий, бериллий, углерод, кислород и т. д., вплоть до урана. Кроме редких случаев экстремально больших энергий, энергии в космических лучах в расчете на один нуклон (протон или нейтрон) не превышают 1013-1015 эВ.

Распределение частиц космических лучей по энергии характеризуют энергетическим спектром. Пусть ΔF (ε) — плотность потока, т. е. число частиц с энергиями от ε до ε+Δε, приходящих в единицу времени на единицу площади приемника. Тогда, согласно наблюдениям, отношение ΔF (ε)/Δε представляется в виде степенной функции энергии: ΔF (ε)/Δε ∞ ε−γ.

Показатель γ=2,6-2,7 для широкого интервала энергий от 1010 до 1015 эВ. (Стоит обратить внимание на то, что по нашим оценкам показатель степени в спектре электронов Крабовидной туманности тоже лежит между 2 и 3.)

Средняя концентрация частиц космических лучей в межзвездном пространстве нашей Галактики оценивается величиной ~10−4 м−3. Средняя энергия частицы ~10−9 Дж ≈ 1010 эВ. Плотность энергии космических лучей, т. е. энергия частиц в единице объема, ~10−13 Дж/м3. Последняя величина сравнима с плотностью энергии магнитного поля Галактики и близка к средней плотности кинетической энергии хаотических движений облаков межзвездного газа.



Электронов в космических лучах не более 1-2%. Их спектр представляется степенной функцией, как и у протонов, с близким по значению показателем, γ ≈ 3, для изученного интервала энергий электронов от 1010 до 1012 эВ.

Поток космических лучей изотропен — они приходят к Земле равномерно со всех сторон (кроме, конечно, частиц, испускаемых Солнцем).

Космические лучи, распространяясь в межзвездных магнитных полях, способны создавать синхротронное излучение. При наблюдаемом значении магнитного поля в диске нашей Галактики, B ≈ 3 × 10−10 Тл, электроны с энергией E ≈ 109-1011 эВ излучают главным образом в радиодиапазоне. Чтобы в этом убедиться, достаточно вычислить частоту ω0, соответствующую максимуму спектра синхротронного излучения при указанных значениях B и ε.

Общее радиоизлучение Галактики известно с конца 40-х годов. Его мощность составляет 1031 Вт. Напомним, что мощность оптического излучения Галактики 1037 Вт эквивалентна свету приблизительно 1011 солнц. Однако радиомощность Галактики несравненно больше радиомощности 1011 солнц (радиосветимость Солнца ~1010 Вт).

Объяснение общего радиоизлучения Галактики как синхротронного излучения электронов космических лучей предложено В. Л. Гинзбургом в 1950—1951 гг.

Основной вопрос физики космических лучей с самого начала ее развития — природа их высокой энергии. Он до сих пор еще не решен. Обсуждается целый ряд интересных возможностей: ускорение частиц в межзвездных магнитных полях (как это предполагал еще в 40-е годы Э. Ферми), в оболочках, сбрасываемых при вспышках сверхновых (эта идея развивается сейчас многими авторами), в ядре Галактики или даже вне ее — в квазарах. Открытие пульсаров, анализ их электродинамики, данные о частицах высокой энергии в Крабовидной туманности, получаемые из анализа ее синхротронного излучения, — все это указывает на пульсары как на эффективный источник космических лучей. Давняя идея В. Бааде и Ф, Цвикки о единстве происхождения нейтронных звезд и космических лучей приобретает сейчас новые основания.


Связанные записи

Метки: , , , , , , , , , , , , , , ,

Оставить комментарий