Файл: Шама Д.В. Современная космология.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 143

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

234 ГЛАВА 15

фотонами. Именно этот вопрос мы и будем изучать в настоящей главе. Хотя неизвестны эффекты, которые с определенностью следовало бы отнести на счет такого взаимодействия, можно сделать уверенные предсказания, поддающиеся проверке в будущих наблюдениях. В т о ж е время отсутствие какого бы то ни было заметного эффекта кладет верхний предел на температуру возмож­ ного универсального поля излучения 10 К.

Будет полезным перечислить следующие главные ха­

рактеристики поля

трехградусного

излучения

(прибли­

женные числа) . Концентрация фотонов равна

10~3

с м - 3 ,

и, поскольку плотность энергии составляет

1 эВ/см 3 ,

средняя энергия

одного фотона

равна 10~3

эВ .

Эти

оценки удобно использовать при быстрых подсчетах эф­

фектов,

даваемых

полем

излучения, не делая подроб­

ного расчета всей

области

энергий фотонов спектра аб­

солютно

черного тела.

 

Р е л я т и в и с т с к и е

электроны

и поле

микроволнового

излучения

Релятивистские электроны могут сталкиваться с мик­ роволновыми фотонами и передавать им свою энергию. В астрофизической литературе такой процесс называют обратным комптон-эффектом. Типичный фотон, испытав­ ший рассеяние, будет иметь энергию Е', равную

 

Е'~у2Е,

 

где

Е — энергия фотона

и у — релятивистский

множи­

тель

для. электрона (у =

1/]/і — ѵ2/с2, объяснение

см. на

стр. 37). Рассмотрим теперь электроны, сннхротронное

излучение

которых создает галактический радиофон.

Типичная

энергия

такого

электрона

может

быть,

ска­

ж е м , порядка 1 Б э В . Тогда для него у m

2000,

и

при

Е А ; Ю - 3

эВ мы видим, что в результате рассеяния

фо­

тон увеличит свою энергию до 4 кэВ. Это приводит

нас

прямо в рентгеновскую область длин волн

І яг 5 Â.

Та­

ким образом, Галактика д о л ж н а быть источником

рент­

геновских

лучей.

Н у ж н о ,

конечно,

потребовать,

чтобы

А С Т Р О Ф И З И Ч Е С К И Е П Р О Я В Л Е Н И Я

235

мощность ее рентгеновского излучения находилась в со­ гласии с наблюдаемым рентгеновским фоном. О к а з ы ­ вается, обратный комптон-эффект и синхротронное излу­ чение — по существу один и тот ж е процесс излучения релятивистских электронов под воздействием электро­ магнитного поля, поэтому оба механизма приводят к од­ ной H той же скорости потерь энергии электронами при сравнимых плотностях энергии поля фотонов и магнит­ ного поля. Как мы видели, как раз такой случай и имеет место в нашей Галактике. Поток энергии наблюдаемого галактического радиофона должен быть того ж е по­ рядка, что и поток энергии рентгеновских лучей, испус­ каемых Галактикой; он составляет около 1 % от потока наблюдаемого рентгеновского фона.

Итак, предполагаемое чернотельное излучение прохо­ дит по этому тесту. Однако запас здесь не столь велик, как это может показаться, потому что потери энергии на излучение рентгеновских лучей пропорциональны числу комптоновских столкновений в единицу времени и, сле­ довательно, концентрации фотонов в поле чернотельного излучения, т. е. третьей степени температуры. Кроме того, если бы поле излучения имело более высокую тем­ пературу, то средняя энергия фотонов была бы больше; соответственно для создания рентгеновского излучения заданной мощности было бы достаточно электронов меньших энергий. Мы должны поэтому допустить, что число электронов в нашей Галактике растет с уменьше­

нием

их

энергии.

В итоге все это приводит к тому, что

при

температуре

чернотельного фона

10 К

поток

рентге­

новских

лучей от

Галактики был бы

того

ж е

порядка,

что и наблюдаемый рентгеновский поток, а это не согла­

суется с фактом его изотропности

с точностью

пример­

но

10%.

 

 

 

 

 

 

 

 

Д р у г а я

в а ж н а я

сторона

этой

проблемы — потеря

энергии

электронами. Д л я температуры излучения

Г А З К

потери,

вызванные

рентгеновским

излучением

электро­

нов из-за обратного

комптон-эффекта, оказываются того

ж е

порядка,

что и

потери на

радиоизлучение

(а

т а к ж е

из-за комптоновских столкновений с фотонами излучения

звезд, плотность энергии которого тоже

1 э В / с м 3 ) .

Однако если мы попробуем брать более

высокую

236

ГЛАВА 15

 

 

температуру поля излучения Т, то потерн должны

очень

быстро возрастать, примерно

как 7м . Вскоре они

стали

бы

настолько большими, что

было бы трудно

понять,

за счет чего электроны пополняют свою энергию. На ­

пример, при

10 К

электрон с энергией

1

БэВ

потерял

бы половину

ее за

время

10 миллионов

лет,

а не за мил­

лиард лет,

как в

случае

одного

только

синхротроиного

процесса.

Д а л е е ,

наблюдаемый

энергетический

спектр

электронов (рис. 18) не показывает никаких признаков того, что происходят значительные потери энергии, по

крайней мере вплоть до

энергии 50 Б

э В , когда

время

жизни электрона в поле

трехградусного

излучения

всего

20 миллионов лет. Это говорит нам, что такие электроны

должны вырываться

из локальных

областей — «лову­

ш е к » — через меньшие

промежутки

времени. В поле 10-

градусного излучения время ускользания было бы

мень­

ше 3 - Ю 5 лет; этот факт должен оказывать

важное

влия­

ние на распространение протонов и более

тяжелых ча­

стиц космических лучей.

 

 

Подобные соображения приобретают еще большую важность, когда мы применяем их для источника со зна­ чительным красным смещением г. Температура чернотельного излучения около источника была бы больше со­

временной в

( 1 + 2 ) раз, а плотность

энергии — в ( І + з ) 4

раз . Б а л а н с

между

комптоновскими

и синхротронными

процессами,

который

имеет место в

нашей Галактике,

будет нарушен, если только магнитное поле в радио­ галактиках ненамного сильнее, чем галактическое. В лю ­

бом

случае'комптоновское

время жизни

 

релятивистского

электрона было

бы по крайней

мере

в

81 раз

короче

в источнике с красным смещением 2, чем в нашей

Га­

лактике. Этот эффект может сильно влиять на

эволю­

цию

радиоисточников, которая так в а ж н а для

анализа

их подсчетов. Ситуация была

бы

д а ж е

более

критиче­

ской

в случае

источника

с

красным

смещением,

ска­

жем, 4. При таком красном смещении время жизни элек­

трона,

взаимодействующего

с чернотельным

излучением,

уменьшилось

бы

в 625

раз по сравнению с временем

жизни

электрона

в современную эпоху. При

взаимодей­

ствии

т а к ж е возникло

бы

рентгеновское излучение, ко­

торое,

может

быть, и дает

основной вклад в

наблюдае-

А С Т Р О Ф И З И Ч Е С К ИЕ П Р О Я В Л Е Н И Я

237

мый рентгеновский фон, особенно если к тому ж е

допу­

стить, что имеется эволюционный рост мощности или числа источников с большим красным смещением.

Интересно т а к ж е рассмотреть вопрос о комптоновских столкновениях, которые могли бы происходить в межгалактическом пространстве. Чтобы оценить, какой при этом получается поток рентгеновского излучения, заметим, что длина пути вдоль луча зрения через всю Вселенную приблизительно в 105 раз больше, чем через Галактику. Поскольку ожидаемый поток галактических рентгеновских лучей составляет около 1 % от потока на­ блюдаемого рентгеновского фона, поток межгалактиче ­ ских электронов ~ І 0 _ 3 их потока в Галактике был бы достаточен, чтобы объяснить наблюдаемый рентгенов­ ский фон. Такое объяснение на первый взгляд выглядит привлекательным, потому что, как мы видели в гл. 10, межгалактический поток протонов космических лучей,

вырвавшихся из галактик, может вполне составлять

10~3

или д а ж е 10~2 от их потока в Галактике . Однако

мы

д о л ж н ы принять во внимание сами комптоновские по­

тери. Они приводят к тому, что время жизни

релятивист­

ских

электронов получается всего

около миллиарда лет,

или

Ѵю

от характерного

времени

расширения Вселен­

ной.

В

результате поток

межгалактических

электронов

был бы слишком слабым, чтобы им можно было объяс­ нить наблюдаемый рентгеновский фон. Единственно, на что остается надеяться, что поток электронов, вырываю ­ щихся из радиогалактик и квазаров, значительно боль­ ше. Несомненно, в этих объектах больше релятивистских электронов, чем в типичных галактиках, однако таких

объектов гораздо меньше, и мы

пока недостаточно

знаем, чтобы со всей уверенностью

рассчитать такой ба­

ланс. Остается, следовательно, возможным, но недока­ занным, что рентгеновский фон обусловлен обратным комптон-эффектом при столкновениях между межгалак ­ тическими релятивистскими электронами и фотонами чер­ нотельного поля излучения. В настоящий момент кажется более вероятным, что рентгеновский фон возникает в ос­ новном из-за обратного комптон-эффекта в радиоисточ­ никах с красными смещениями от 3 до 5.

238

ГЛАВА

15

 

 

 

 

К о с м и ч е с к и е

лучи

 

 

 

и микроволновое поле излучения

 

 

В системе отсчета протона космических лучей с энер­

гией

102 0

эВ,

у которого Y =

10".

фотон с

энергией

Ю - 3

эВ будет

обладать энергией

10"3Y

эВ, ИЛИ

100 МэВ .

Энергия столкновения такого энергичного фотона с

покоящимся

протоном является

по существу

поро­

говой для

рождения пиона (масса

покоя ~ 137

МэВ).

Это означает, что для земного наблюдателя протон кос­

мических

лучей

энергии

102 0

эВ

может

столкнуться

с микроволновым фотоном и образовать пион,

 

потеряв

при этом энергию. В настоящее время иногда

считают,

что

космические

лучи с

энергиями

в области

 

от

101 8

до 102 0 эВ имеют внегалактическое происхождение,

так

как они не могут удерживаться

магнитным

полем

Галак ­

тики

(гл. 2), и поэтому их поток вблизи Земли не

может

быть создан тем запасом, который накопился за

время

несколько миллионов лет, что характерно для

космиче­

ских

лучей

меньших энергий. Таким

образом,

если

бы

все космические лучи образовывались в Галактике, мы

могли

бы

ожидать

резкого

падения

их потока

вблизи

энергии

101 8 э В ;

такого

падения

найдено не

было

(рис.

17).

Спектр, по-видимому, делается в этой области

несколько

более пологим, что наталкивает на мысль,

хотя

и не

доказывает ее, о

существовании межгалакти ­

ческого потока космических лучей с более пологим спек­

тром,

который

доминирует

в

области

энергий выше

101 8 эВ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н а б л ю д а е м ы й спектр не показывает никаких

призна­

ков з а в а л а

вплоть

до

энергий

102 0

эВ —

максимальной

ЭНерГИИ, КОТОруЮ

МЫ

м о л е м

p c m c T p i i

p o D O - T b

с у щ о с т о у і о -

щей

аппаратурой.

Этот предел

соблазнительно

близок

к границе,

выше которой должно происходить поглоще­

ние

из-за

наличия

микроволнового

фона.

К

счастью,

в настоящий момент проводятся эксперименты, в кото­

рых

можно будет

продолжить

спектр до

области

102 1 —102 2 эВ. Если и

там

не будет

признаков

поглоще­

ния,

то, в случае если

все

пространство заполнено мик­

роволновым излучением, это должно означать, что такие космические лучи ультравысоких энергий имеют время

Смотрите также файлы