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

в условиях звездных атмосфер и, в частности, в процес­ сах возбуждения вспышек, двойной обратный комптонэффект не может играть сколько-нибудь заметной роли.

§ 4. Поляризация излучения

Рассеянное после столкновения с релятивистским электроном излучение — для краткости назовем его «из­ лучением комптоновского происхождения», или «комптоповским излучением» — будет обладать определенной направленностью. Оно будет сосредотачиваться в преде­ лах угла а ь зависящего от энергии электрона [і, вокруг направления движения электрона. При достаточно боль­ ших значениях [х величина а[ порядка

Из сказанного следует, что комптоновское излучение должно быть поляризованным. Действительно, как было показано Милбурном [37], степень поляризации при эле­ ментарном акте рассеяния может быть очень высокой — выше 60%.

Как увидим далее, все дополнительное излучение, испускаемое звездой во время вспышки, целиком имеет комптоновское происхождение. Тогда следует ожидать отличную от нуля поляризацию в свете вспыхнувшей звезды. Однако в силу изотропности распространения электронов и изотропности поля излучення по направле­ ниям степень наблюдаемой поляризации может быть не­ большой.

Задача о поляризации излучения при процессах, обусловленных обратным комптон-эффектом, была рас­ смотрена рядом теоретиков [211—215]. Особый интерес представляет случай изотропного распределения электро­ нов, рассмотренный Бонометто и др. [215]; оказывается, в этом случае выходящее из среды излучение будет депо­ ляризовано — до 50% в случае циркулярно-поляризо­ ванного излучення и до 75% — лииейно-полярпзован- ного, если первоначальное излучение поляризовано пол­ ностью. В случае, когда первоначальное излучение не поляризовано (например, фотосферное излучение звезды),

то выходящее из среды быстрых электронов излучение опять будет неполяризованным.

Несмотря ыа это, в определенных случаях, возможно, отличную от нуля поляризацию в свете вспыхнувшей звезды можно будет заметить (в особенности при слабых вспышках). В этом смысле проведение поляризационных наблюдений вспышек звезд, несмотря на их очевидные трудности [216, 217], следует считать более чем жела­ тельным.

§ 5. Быстрые электроны

Наблюдаемые особенности вспышек у вспыхивающих звезд могут быть объяснены, если допустить, что все до­ полнительное излучение, испускаемое звездой во время вспышки, имеет комптоновское происхождение. Более определенно это значит:

а) энергия излучения вспышки берется целиком за счет энергии релятивистских электронов;

б) само явление вспышки — быстрое и сильное повы­ шение яркости звезды — сводится к быстрому и интен­ сивному выделению или генерации релятивистских элек­ тронов над фотосферой звезды;

в) элементарным процессом вспышки является обрат­ ный комптои-эффект — неупругие столкновения инфра­ красных фотонов обычного фотосферного излучения звезды с релятивистскими электронами, вследствие чего и про­ исходит трансформация или дрейф инфракрасных фото­ нов в область фотонов большей энергии;

г) в видимой области спектра во время вспышки но­ вые фотоны практически не рождается; по существу, количество появившихся во время вспышки коротковол­ новых фотонов в точности компенсируется количеством ушедших в результате неупругих столкновений с электро­ нами инфракрасных фотонов фотосферы.

Далее, для объяснения наблюдаемых свойств вспы­ шек звезд, оказывается, достаточно иметь электроны, энергия которых лишь немного превышает собственную энергию электронов, т. е. когда ц — 2 — 3, Такие элек­ троны также являются релятивистскими. Однако в даль­ нейшем их будем называть «быстрыми электронами», имея в виду под этим релятивистские электроны с вполне

электронов, могут появляться над фотосферой на неко­ тором расстоянии от поверхности звезды. Сами электроны будут мчаться при этом практически со скоростью света. В то же время их движение будет контролироваться маг­ нитным полем звезды. Поскольку энергия быстрых элек­ тронов сравнительно невелика (.Е — 10° эВ), даже самые слабые магнитные поля на значительных расстояниях от поверхности звезды могут повлиять на их движение. При таких условиях всегда найдутся электроны, испытываю­ щие лобовую или почти лобовую встречу с исходящими из фотосферы фотонами; в этом случае будет достигнут макси­ мум эффективности явления обратного комптон-эффекта. Кроме того, оболочка из быстрых электронов, даже при наличии магнитного поля звезды, выполняющего «сдер­ живающую роль», так или иначе будет расширяться или удаляться от звезды значительно быстрее, чем это может иметь место в случае расширения любой газовой оболочки.

Облако или оболочка из быстрых электронов будет электрически нейтральной или почти нейтральной, по­ скольку в ней могут присутствовать протоны и другие ядра, никак не влияющие на процессы, связанные с обме­ ном энергии между быстрыми электронами и фотонами.

Глава IV

ПЕРЕНОС ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ ЧЕРЕЗ СРЕДУ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

§ 1. Постановка проблемы

Внезапное н быстрое увеличение блеска звезды — вспышка — вызвано, согласно выдвипутой выше гипоте­ зе, внезапным н быстрым появлением электронов с энерги­ ей порядка ІО6 эВ над фотосферой звезды. При этом фото­ сфера не испытывает заметпых возмущений: ее температура остается почти неизменной. Совокупность быстрых электронов образует короткожнвущтш слой или оболочку, расположенную на некотором расстоянии от фотосферы. Энергетическая мощность такого слоя определяется пол­ ным количеством находящихся в нем быстрых электронов, а оптическая эффективность—его оптической толщей для процессов томсоновского рассеяния.

На внутреннюю границу указанного слоя со стороны фотосферы падает излучение с заданным спектральным рас­ пределением. Оно может быть планковское, соответствую­ щее заданной эффективной температуре звезды. Элемен­ тарный акт взаимодействия фотона с быстрым электроном при их столкновении сводится к передаче части энергии электрона фотону; в результате увеличивается частота фотона. Присутствие в слое других типов элементарных частиц высокой энергии, например, протонов, не меняет дела; коэффициент томсоновского рассеяния на реляти­ вистских протонах на шесть порядков меньше, чем на быст­ рых электронах.

В настоящей главе рассматривается задача переноса лучистой энергии через среду быстрых электронов. Сна­ чала ставится простейшая, одномерная, задача; в этом слу­ чае результаты получаются в явном виде. Затем рассмат­ ривается задача в применении к реальным фотосферам и при различных энергетических спектрах быстрых элект­ ронов.

§ 2. Уравнение переноса излучения

Пусть имеем плоскопараллельпый слой, состоящий только из мопоэнергетических быстрых электронов с энер­ гией р, (рис. 9). Обозначим через N e эффективное количест­ во быстрых электронов в столбе с основанием 1 см2 и через TQ — полную эффективную оптическую толщу этого слоя на процессы томсоповского рассеяния:

оо

где ev — объемный коэффициент излучения в частоте ѵ. Условие лучистого равповесия в нашем случае примет

следующий вид:

где первый член справа обусловлен фотонами прямого

52 ГЛ. IV. ПЕРЕНОС ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ

излучения ВѴачастоты ѵ, трансформируемыми в рассматри­ ваемую частоту V при элементарном акте рассеяния на быстрых электронах, а второй член — фотонами диффуз­ ного излучения / Ѵо той же частоты ѵ0. Перепзлучеиие с сохранением частоты отсутствует.

Подставляя (4.3) в (4.2), получим следующее интегро-

где взамен v0 следует подставить v0 = v/p2, а B,laесть функ­ ция Планка, которая в данном случае запишется в следующем виде:

Решение уравнения (4.4) даст нам величину интенсив­ ности выходящего из слоя быстрых электронов излучения

Л(ть, Рі ^*)■

Ксожалению, наличие третьего члена в правой части

уравнения очень затрудняет его решение. Однако если т0 не слишком велико, то рассеянием второго порядка можно пренебречь. Кроме того, для выявления качественной кар­ тины ограничимся пока рассмотрением одномерной зада­ чи, т. е. примем в (4.4) cos 0 = 1. Тогда (4.4) может быть

решение будем называть «первым приближением». Соот­ ношение (4.6) одновременно дает спектральное распреде­ ление излучения, вышедшего из слоя быстрых электронов небольшой оптической толщи; оно впервые было получено в [38, 39].

Решение (4.6) в дальнейшем удобнее представить (опу­