ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 87
Скачиваний: 0
где п — концентрация галактик ( п — 5 - 1 0 ~ 7 5 в |
Метагалак- |
||
|
\ |
см3 |
|
тике), из (6.2.9) получаем |
3 ? м г = 2 , 5 - Ю " 5 7 |
f*(Е0) |
— с — . Оче- |
видно, что / * ( E 0 ) = — D r |
(Е0) grad Nr4nR2r, |
|
см • смъ |
т. е. равно полному |
|||
потоку космических лучей за пределы Галактики. В простейшем случае без учета фрагментации и взаимодействия
|
/* (£„) = |
Д ( * ° 2 |
ч / (£о) ~ |
4"я/?? - |
f(E0)l /сек, |
|
|
|
4Лиг (с0) |
|
|
|
|
где f(E0) |
имеет обычный |
смысл |
функции |
источника в каждой |
||
галактике |
(которые мы считали |
тождественными). |
||||
Этот |
результат |
является |
очевидным |
в предположении, что |
||
внутри каждой галактики действует только диффузия. Он также говорит о( том, что метагалактические космические лучи имеют
такой же химический состав, как космические лучи при малых |
EQ, |
т. е. обогащены протонами. Аналогичное выражение можно |
по |
лучить |
и |
для случая |
нестационарной |
генерации |
космических |
|
лучей в галактиках. Только в этом случае вместо |
f(E0) в |
выра |
||||
жение |
для |
31 м г входит |
полное число |
испущенных |
частиц, |
поде |
ленное |
на |
характерное |
время Метагалактики — |
[227]. |
|
|
h
Найдем отношение З^мг/А'г, считая, что деталями диффузии космических лучей из метагалактического пространства в Галак тику можно пренебречь. В районе Солнечной системы
, ^ |
= |
, , . , J } E i |
= 2 , 5 . 1 0 - 5 з ^ о ) _ |
|||||||
|
|
сек J \ |
ZEKp |
/ |
|
|
|
|
||
Таким образом, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
91м |
~ i c W - § ^ Y . |
|
|
(6.2.Ю) |
||||
|
|
Nr |
|
|
\ |
ZEKpJ |
|
|
|
|
При а = 1, £ к р = 3-101 5 |
эв, Z = |
1 Е0 |
= 3-10" эв имеем |
2ftM r /A>r ~10-2 , |
||||||
а не 1, как следовало |
бы ожидать |
в случае определяющей |
роли |
|||||||
метагалактических космических |
|
лучей при Е0^3-1017 |
|
эв. |
|
рас |
||||
Можно ли увеличить это отношение? Оставаясь в рамках |
||||||||||
сматриваемой |
модели, можно |
предположить, что |
коэффициент |
|||||||
диффузии космических |
лучей в галактиках зависит от Е0, |
начиная |
||||||||
уже с малых |
энергий |
£ 0 ~ 3 - 1 0 9 |
эв, но относительно |
слабо, |
на |
|||||
пример как D(E0)~Eo |
при а = 0,15+0,201 5 2 . Тогда |
в |
интервале |
|||||||
энергий 3-109 +3-101 5 |
эв |
D(E0), |
|
а |
значит и отношение |
З^мг/Л/г, |
||||
возрастет на |
порядок. |
Однако |
главным обстоятельством, |
которое, |
||||||
Тогда из спектра космических лучей с у—1,65-4-1,7 мы получим спектр кос мических лучей в источнике типа 1,5, предсказываемый теорией [319].
247
по-видимому, важно при расчете 31мг и которое не принималось во внимание в нашем упрощенном подходе, является учет эволю ции Метагалактики, в частности учет эволюции источников кос мических лучей.
В первой попытке учесть эволюцию Метагалактики в расчетах энергетического спектра космических лучей [318] принято, что в результате эволюции Метага лактики: а) изменяется (умень шается) со временем энергия космических лучей; б) на ран них стадиях эволюции плот ность и средняя энергия релик товых фотонов существенно больше, чем в настоящее вре мя; в) интенсивность источни ков космических лучей на ран них стадиях эволюции сущест венно больше, чем в настоящее
время.
|
|
|
|
|
|
В силу пункта б) взаимо |
|||||||
|
|
|
|
|
|
действие |
космических |
лучей |
|||||
|
|
|
20- |
Е.эв |
сверхвысоких энергий с релик |
||||||||
|
|
|
|
|
|
товым |
излучением |
становится |
|||||
Рис. 90. Относительные потери энер |
существенным, |
начиная с £ 0 ~ |
|||||||||||
~ 1016 |
эв. На рис. 90, заимст |
||||||||||||
гии для протонов с различными £о |
|||||||||||||
для разных этапов эволюции Мета |
вованном |
из [318], |
показаны |
||||||||||
галактики. Верхние кривые — |
для |
относительные |
потери |
энергии |
|||||||||
ранних стадий |
эволюции, |
когда |
раз |
для протонов с различными Е0 |
|||||||||
меры Метагалактики с о с т а в л я л и ^ 0,1 |
и для различных |
этапов эво |
|||||||||||
от ее современных размеров; нижние |
|||||||||||||
кривые — для |
современной |
стадии |
люции |
Метагалактики. |
Энер |
||||||||
эволюции. |
Учитываются |
эффекты: |
гия космических лучей |
умень |
|||||||||
1) расширения |
метагалактического |
шается |
как за |
счет |
эффекта |
||||||||
пространства, |
2) образования |
пар |
расширения |
Метагалактики |
|||||||||
на реликтовом |
излучении, |
3) |
фото |
||||||||||
рождения |
пионов на реликтовом из |
(красное |
смещение), |
так и за |
|||||||||
|
|
лучении |
|
|
|
счет взаимодействия |
с |
релик |
|||||
|
|
|
|
|
|
товым |
излучением. |
|
На более |
||||
ранних стадиях эволюции потери больше, и рост потерь за счет взаимодействия с реликтовым излучением начинается с меньших энергий.
В работе [318] было принято, что радиус МГ R~t''» |
и интен |
|||||
сивность |
источников |
зависит от времени по закону |
I(t) — £ - р р = |
|||
= 2-4-3 в |
интервале |
^min<^<101 0 лет в соответствии |
с данными о |
|||
радиоисточниках, причем |
t m m = 1,5-108-4-5-108 лет. Нижняя |
грани |
||||
ца для t = tmin по порядку |
величины соответствует |
современным |
||||
представлениям о времени образования галактик. |
Далее |
было |
||||
предположено, что энергетический спектр генерируемых |
космиче |
|||||
ских лучей имеет показатель у =1,5 на всех стадиях |
эволюции. |
|||||
В этих рамках получен энергетический спектр метагалактиче-
248
ских космических лучей, который по |
крайней мере |
качественно |
|||||
описывает сложную форму экспериментального спектра |
в обла |
||||||
сти £о—Ю1 5 -т-101 9 эв. При этом |
положение области |
£ к р сущест |
|||||
венно зависит |
от значения tmin |
и |
вида функции |
I(t). |
Само же |
||
увеличение показателя в районе |
Екр |
объясняется |
как |
следствие |
|||
взаимодействия |
космических лучей с |
реликтовым |
излучением на |
||||
ранних стадиях эволюции при t^tmin. Фактически энергетический спектр, наблюдаемый в настоящее время, есть суперпозиция спектров, созданных в разные эпохи и эволюционировавших в сторону уменьшения масштаба по шкале энергий за счет «крас ного смещения».
Каждый такой спектр имеет определенную границу «обреза ния» за счет взаимодействия с реликтовым излучением. Учитывая,
что |
вклад разных |
эпох ~t~n и что |
смещение границы |
«обреза |
ния» |
происходит в |
сторону больших |
Е0 при возрастании |
t, можно |
в результате суперпозиции получить энергетический спектр, па
дающий |
более |
резко в области E0>EKV, |
чем в |
области |
£ 0 < £ к р . |
|||
При этом предполагается, |
что / ( £ ) = c o n s t |
при |
t<tmin, и |
поэтому |
||||
энергетический |
спектр при |
Е0<Екр |
соответствует |
спектру гене |
||||
рации с у = 1,5. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Что |
касается |
второго изменения |
(уменьшения) |
показателя у, |
||||
то оно в этой модели объясняется следующим образом. В созда
ние |
частиц |
предельно |
высоких энергий (в данной модели с |
Е0^Ю18 |
эв) |
основной |
вклад вносит современная эпоха. Плот |
ность реликтовых фотонов в настоящее время недостаточно ве лика для того, чтобы «обрезать» спектр генерации за счет про
цесса |
образования |
пар (рис. 90). Однако это |
«обрезание» все |
|
равно происходит, но уже при больших энергиях |
~ (3-=-5) • 1019 |
эв |
||
за счет |
процесса |
фоторождения пионов при взаимодействии |
с |
|
реликтовым излучением [322, 323]. |
|
|
||
Рассчитанный в работе [318] энергетический спектр был нор мирован к экспериментальным данным. Если использовать та кую нормировку, то фактически энергетический спектр во всем рассматриваемом диапазоне сверхвысоких энергий (101 4 -М01 9 эб) объясняется метагалактическими лучами с учетом эволюции Метагалактики и без существенной роли галактических косми ческих лучей. С другой стороны [320, 321], если использовать дан ные об интенсивности космических лучей в Метагалактике, полу ченные из модели [318], и учесть, что в ранние эпохи эволюции была больше плотность метагалактического газа и больше сред няя энергия космических лучей, то теоретически рассчитанные потоки диффузных радиоизлучения, рентгеновского и у-излучений будут в десятки раз превышать экспериментальные верхние гра ницы для этих потоков.
Возможная модернизация модели суперпозиции галактических и метагалактических космических лучей. Поэтому для непротиво речивого описания различных экспериментальных данных необ ходимо модифицировать расчеты [318], используя другие време-
249
на t и функции |
I(t) |
и R(t), |
еще совместимые |
с |
астрофизическими |
|||||||||||||||||||
экспериментальными |
данными. Увеличивая |
/ т т |
и |
|
ослабляя |
зави |
||||||||||||||||||
симость |
I(t) |
и R(t), |
можно |
добиться |
значительного |
уменьшения |
||||||||||||||||||
роли космических |
лучей, |
рожденных в предыдущие эпохи. Одна |
||||||||||||||||||||||
ко это |
будет достигнуто |
ценой расхождения спектра метагалак- |
||||||||||||||||||||||
тических |
космических |
лучей с экспериментом. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для |
восстановления |
|
согласия |
теории |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
и эксперимента трудно обойтись без кос |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
мических |
|
лучей |
|
галактического |
проис |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
хождения, |
которые |
позволят |
объяснить |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
интенсивность космических лучей с энер |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
суммарный |
гией |
< 3 - 1 0 1 7 эв. |
При |
этом, возможно, |
||||||||||||||||
|
|
|
|
придется |
предполагать |
несколько |
более |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
^ спектр |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
резкую зависимость |
D (Е0). |
Схематиче |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ское |
изображение |
этой |
|
ситуации |
дано |
||||||||||||
|
|
|
|
|
is |
|
на рис. 91. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
15 |
IS |
|
I? |
|
|
|
|
Возвращаясь |
теперь |
к |
поставленно |
|||||||||||||
|
|
|
egS,3S |
|
|
му |
ранее |
|
вопросу о влиянии |
эволюции |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Рис. 91. |
Схематическое |
Метагалактики |
на |
|
отношение |
СГОмг/Лг, |
||||||||||||||||||
изображение |
спектра |
Га |
следует заметить, |
что это влияние |
в ин |
|||||||||||||||||||
лактических |
и |
Метага |
тересующем |
нас |
|
диапазоне |
энергий |
бо |
||||||||||||||||
лактических |
космических |
|
||||||||||||||||||||||
лее |
3 - 10 1 7 - М0 1 8 |
эв |
несущественно |
из-за |
||||||||||||||||||||
лучей с учетом эволюции |
||||||||||||||||||||||||
Метагалактики |
с пара |
эффекта |
«обрезания» |
спектров |
предыду |
|||||||||||||||||||
метром |
f m i n |
И Ф У Н К Ц И Я |
щих |
эпох |
|
(за |
|
счет |
взаимодействия |
с |
||||||||||||||
МИ I(t) |
и R(t), |
отличны |
реликтовым |
излучением) |
|
на энергиях |
Е0, |
|||||||||||||||||
ми от модели [318]. При |
|
|||||||||||||||||||||||
которые |
с |
учетом |
эффекта |
«красного |
||||||||||||||||||||
веден |
|
и |
суммарный |
|||||||||||||||||||||
спектр |
космических |
лу |
смещения» |
оказываются |
|
меньше интере |
||||||||||||||||||
|
|
чей |
|
|
|
сующих нас. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, вопрос о том, воз |
|||||||||||||||
можно ли получитьЭДмг/Л^г—1 при £о — 3 - Ю 1 7 |
эв, |
|
остается |
откры |
||||||||||||||||||||
тым. 'Возможно, он имеет и тривиальное |
решение, |
например |
воз |
|||||||||||||||||||||
можность |
пересмотра |
в |
сторону увеличения |
концентрации |
галак |
|||||||||||||||||||
тик для |
рассматриваемых 1 5 3 |
г < 1 0 8 |
св. |
лет, а |
также возможность |
|||||||||||||||||||
пересмотра предположения о равенстве / космических лучей для всех галактик в сторону увеличения / к . л . по всем галактикам по сравнению с / г для нашей Галактики.
Что касается |
вопросов о |
химическом составе |
и анизотропии, |
||
то с учетом метагалактических |
космических |
лучей |
они по крайней |
||
мере качественно |
решаются |
в |
соответствии |
с экспериментальны |
|
ми данными. Если учесть, что метагалактические лучи содержат большую долю протонов, то можно показать, что в результате суперпозиции галактических и метагалактических лучей получаю
щаяся |
смесь |
р, а, М, Н не противоречит экспериментальным |
1 6 3 |
Например, |
в местной группе галактик — сверхгалактике п — 10',—73. • [337J |
|
|
СМ" |
и ее размер ~ 10* св. лет.
250