Файл: Гурзадян, Г. А. Вспыхивающие звезды.pdf

§ 3. ГИПОТЕЗА ТИЛНСФОГМЛЦНН ФОТОНОВ

В качестве такого механизма можно указать обратный комптон-эффект — неупругпе столкновения электронов с энергией, несколько превышающей собственную энер­ гию (Е )> тс1), с длинноволновыми фотонами. Такие электроны не являются тепловыми, но их нельзя считать и крайне релятивистскими, поэтому в дальнейшем их условно будем называть быстрыми электронами. Мы предполагаем, что в результате каких-то процессов такие электроны могут появляться над фотосферой спонтанно и практически внезапно, в чем и состоит сущность вспыш­ ки (см. гл. XIV). При этом для объяснения наблюдавше­ гося повышения блеска в коротковолновой области спект­ ра не требуется рождения новых световых фотонов. Весь избыток энергии в коротковолновой области спектра при­ обретается в результате перехода части инфракрасных фотонов фотосферы в область коротких волн, а дополни­ тельная энергия фотона берется за счет энергии быстрого электрона в виде комптоновских потерь.

Таким образом, если вокруг звезды мысленно разме­ стить оболочку или слой, состоящий из быстрых электро­ нов, то падающее со стороны фотосферы излучение с планковским распределением выйдет из внешней границы указанного слоя с совершенно другим спектральным рас­ пределением. В частности, максимум выходящего из такой среды излучения будет сильно смещен в сторону корот­ ких воли. Точный вид этого распределения может быть найден в результате решения уравнения переноса лу­ чистой энергии по среде быстрых электронов, что и будет сделано в главе іѴ. А сейчас вкратце остановимся на некоторых свойствах явления обратного комптон-эффекта

сфизической точки зрения.

Вдальнейшем, для краткости, предложенный меха­ низм возбуждения-вспышек у звезд будем называть «ги­ потезой быстрых электронов».

Г л а в а III

ОБРАТНЫЙ к о м п т о н -з ф ф е к т

§1. Столкновение фотона с тепловым электроном

Вобщем случае соударение фотона с тепловым элек­ троном кончается: а) изменением направления распро­ странения фотона; б) уменьшением его частоты.

Эффективность рассеяния фотона в направлении ср после встречи с тепловым электроном (рис. 7) одинакова для всех длин волн н дается выражением

Рис. 7. Столкновение фотона с тепловым электроном.

можем написать для объемного коэффициента рассеяния, рассчитанного па один электрон,

Соотношение ае называется формулой Томсона и ха­ рактеризует рассеяние фотонов на электронах. Иногда процесс называют томсоновский рассеянием, а аг — эф­ фективным сечением рассеяния, постояппым для всех

длин ноли — от радиодиапазоиа до у-лучей. В оптиче­ ском II раднодианазонах томсоновское рассеяние может иметь место только па свободных электронах. В случае у-лучей оно может иметь место как на свободных, так и на связанных с атомами и ионами электронах.

После каждого акта рассеяния фотона на тепловом электроне длина его увеличивается на величину

новская длина увеличивается с уменьшением длины вол­ ны. Так, например, для у-лучей (X <; 0,01 Â) она срав­

§ 2. Столкновение фотона с релятивистским электроном. Обратный ко.мптоп-эффект

Совершенно иначе обстоит дело прн столкновении фотона с релятивистским электроном. В этом случае про­ исходит существеыиое изменение частоты рассеянного после столкновения первичного фотопа.

Впервые задача о взаимодействии фотонов с реляти­ вистскими электронами была поставлена еще в тридцатых годах в связи с проблемой энергетических потерь косми­ ческих лучей при прохождении межзвездного простран­ ства в Галактике, заполненного в той или иной степени термическими фотонами звездного происхождения. Пер­ вые результаты при этом были получены Брейтом н Уелером [27], позже Фоллпиом [28], Донагуем [29], Фелтеном и Моррисоном [30]. Однако достаточно полно эта

Столкновение релятивистского электрона с фотоном, обладающим олень малой энергией по сравнению с энер­ гией самого электрона (hv Е), конлается тем, что элек­ трон ластъ своей энергии передает фотону. В результате электрон испытывает так называемые «комптоновские» потерн [32], а у фотона увеличивается энергия, т. е. повы­ шается частота. Происходит обратное тому, что мы имеем в случае классического эффекта Комптона, когда энергия фотона передается электрону. Поэтому рассмотренный

жения аг фотона по отношению к направлению движения электрона (рис. 8) и имеет следующий вид (см., например, [33]):

с a и а1обычными релятивистскими формулами аберрации света (штрихи обозначают данные величины в «неподвиж­ ной» системе отсчета, т. е. в системе, связанной с наблю­ дателем на Земле):

Из (3. 9) вытекает, в частности, что при значениях энер­ гии быстрых электронов ц — 3 угол а.\ будет достаточно мал. Это значит, что фотон после столкновения с электро­ ном будет распространяться с измененной частотой пре­ имущественно в направлении движения электрона.

Для тепловых фотонов и при энергии быстрых электро­

почти навстречу движению релятивистских электронов

идет о применении изложен­ ных соображений к условиям звездных фотосфер, то всегда

найдется определенное количество фотонов, для которых условие / (а, 1 будет выполняться. В этих случаях речь будет идти об «эффективном количестве быстрых электронов», или «эффективном потоке электронов», при­ нимающих участие в неупругих столкновениях.

Таким образом, соотношение между частотами фотона до столкновения с релятивистским электроном (ѵ0) и после него (ѵ) имеет следующий вид, по своей точности

Из этого соотношения следует, что всегда, пока выполняется условие Ііѵ тс2, рассеянный после

ГЛ. HI. ОБРАТНЫЙ КОМПТОН-ЭФФЕКТ

столкновения с быстрым электроном фотон будет в р,3 раз короле по длине, лом был он до столкновения.

Соотношение (3.12) мы буде.м использовать в наших дальнейших выкладках. Оно применимо до тех пор, пока энергия фотона не становится сравнимой с энергией элек­

с обылпой томсоновской формулой, поэтому в дальней­ шем в калестве эффективного селения при столкновении фотонов с релятивистскими или быстрыми электронами мы будем использовать величину, даваемую формулой (3.2).

§ 3. Двойной обратный комптон-эффект

При неупругом столкновении одного фотона с реля­ тивистским электроном возможно испускание двух и более фотонов приблизительно одинаковой энергии. В этом слулае рель идет о двойном, тронном и т. д. обратном комптон-эффекте.

Двойной комптон-эффект был предсказан теоретплески Гейтлером и Нордеймом [34]. По их оценке отноше­ ние эффективного селения рассеяния при двойном комптонэффекте оц к эффективному селению при нормальном комптон-эффекте ае должно быть порядка 1/137. Позднее, в результате детальных раслетов была найдена [35] для этого отношения велилина 0,4-10-4 в том слулае, когда

Возможность двойного коыптон-эффекта впервые была доказана экспериментальным путем Каванагом [36]. Он нашел при этом огц/сге — 10'4 — в хорошем согласии с теоретилееки предвылисленной велилиной. Таким обра­ зом, эффективное селение при двойном комптон-эффекте, а следовательно, при двойном обратном комптон-эффекте по крайней мере на три-летыре порядка меньше эффектив-