Файл: Иноземцев, Г. Г. Незатылованные шлицевые червячные фрезы-1.pdf

Глава 2

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И ФОТОНОВ*

В космических источниках нетеплового электромагнитного излуче­ ния этот процесс играет большую, а подчас и решающую роль. Не­ тепловое излучение остатков сверхновых звезд (в том числе и опти­ ческое поляризованное излучение Крабовидной туманности), ра­ диогалактик, квазаров — все эти явления обусловлены магнитотормозным излучением релятивистских электронов. Магнитотормозное излучение приносит информацию о свойствах магнитосферы одного из наиболее интересных объектов Солнечной системы — планеты Юпитер.

Весьма многочисленны и «земные» приложения теории магнитотормозного излучения. Радиационные энергетические потери ультрарелятивистских электронов — одно из основных препятствий на пути получения электронов высоких энергий в циклических ускорителях — синхротронах [2, 3]. Важную роль магнитотормозное излучение играет и в физике плазмы: удерживаемая в магнитном поле плазма быстро охлаждается из-за циклотронного излучения электронов [4, 5]. Радиационное торможение электронов в магнит­ ном поле Земли ограничивает энергию влетающих в земную атмосфе­ ру космических электронов величиной порядка 101 7 эв [6, 7]. Синхротронное излучение в геомагнитном поле можно использовать для изучения электронной компоненты первичных космических лучей в диапазоне энергий от 1012 до 1013 эв [8]. Многочисленные

66

приложения излучения электронов в магнитном поле способствова­ ли развитию довольно полной теории магнитотормозного излу­ чения.

1Магнитотормозной механизм космического радиоизлучения впервые рассматривался в работах [9, 10].

Большое внимание астрофизиков к магнитотормозному излуче­ нию было привлечено работами советских исследователей [11—14], внесших существенный вклад в развитие теории магнитотормозного излучения и ее астрофизических приложений. Окончательное при­ знание магнитотормозная гипотеза получила после того, как была обнаружена предсказанная в ее рамках поляризация оптического излучения Крабовидной туманности [15, 16].

Приложения теории магнитотормозного излучения к астрофизи­ ке рассматриваются в нескольких обзорах и монографиях [17—24].

Теория магнитотормозного излучения. Приведем основные фор­

где р±, р|| —перпендикулярная и параллельная магнитному полю составляющие импульса частицы.

При нерелятивистских скоростях движения электрона магнитотормозное излучение можно рассматривать в дипольном приближе­ нии ([25], § 67). В этом случае частота излучения совпадает с ларморовской частотой вращения электрона:

а угловое распределение интенсивности излучения близко к изо­ тропному:

пределения интенсивности магнитотормозного излучения меняются: возрастает интенсивность излучения на высших гармониках, излу­ чение концентрируется к направлению вектора скорости частицы.

Характер магнитотормозного излучения качественно меняется при переходе к ультрарелятивистским энергиям частиц. Основная

доля излучаемой энергии собирается в узкий пучок, угловая ширина которого по порядку величины равна

где Г — лоренц-фактор частицы с энергией Е*. Поэтому регистри­ руемое наблюдателем электрическое поле излучения будет состоять из резких импульсов продолжительности Д^, разделенных интерва­ лами времени т ([17], рис. 14). Оценим величину интервалов и т.

Рис. 14. Временная зависимость полей синхротронного излучения.

Если частица движется по окружности, то время т равно периоду вращения частицы. Движение по спирали приводит к изменению т из-за эффекта Допплера:

* Д л я обозначения лоренц-фактора частиц мы используем Г вместо об­ щепринятого у. Это вызвано тем, что символом у обозначен показатель энер­ гетического спектра.

68

Итак, магнитотормозное излучение состоит из гармоник основ­ ной частоты:

Максимум интенсивности излучения приходится на частоту e>mtt\/At&еНхГ2/тс. (2.12)

Спектр магнитотормозного излучения ультрарелятивистских час­ тиц можно считать непрерывным, потому что частота гармоник, дающих основной вклад в интенсивность излучения, много больше основной частоты:

В системе отсчета, в которой частицы движутся по окружности, при малых питч-углах движение частиц нерелятивистское, и основная доля энергии магнитотормозного излучения сосредоточена на пер­ вых гармониках. В системе отсчета, связанной с наблюдателем,

Не исключено, что магнитотормозное излучение электронов с ма­ лыми питч-углами играет важную роль в компактных космических источниках (ядрах квазаров и активных галактик, пульсарах) [26]. Теория магнитотормозного излучения электронов с малыми питч-углами рассмотрена в работах [27—29].

Энергетические потери частицы с зарядом е и массой т, движу­ щейся в магнитном поле Я под питч-углом т], определяются выра­ жением (см. работу [25], § 74)

поля и векотором скорости частицы.

69