книги из ГПНТБ / Иноземцев, Г. Г. Незатылованные шлицевые червячные фрезы-1

Л. М. ОЗЕРНОЙ, О. Ф. ПРИЛУЦКИЙ, И. Л. РОЗЕНТАЛЬ

АСТРОФИЗИКА

ВЫСОКИХ

ЭНЕРГИЙ

МОСКВА АТОМИЗДАТ 1973

УДК 523.11 + 537.591 + 539.12

и монографиях, а именно взаимопроникновение методов физики ча­ стиц высоких энергий и астрофизики. Особенно большое внимание обращается на теорию процессов взаимодействий частиц больших энергий, существующих в космосе, изложение экспериментальных данных о процессах в звездах, галактиках и Метагалактике, реги­ стрируемых вне оптического диапазона (инфракрасная, рентгенов­ ская и гамма-астрономия). Много внимания уделено интерпретации данных, наблюдаемых в этих диапазонах энергий.

Таблиц 27, рисунков 55, библиография 518

рентгеновском диапазонах на много порядков больше, чем в опти­ ческом. Это обстоятельство имеет, в сущности, простое объясне­ ние: в нестационарных объектах и процессах возникают мощные потоки релятивистских частиц, которые приводят к существенно неравновесному излучению, простирающемуся от радиодо у- диапазона.

Разумеется, упомянутое расширение наблюдательных возмож­ ностей обусловлено изменением традиционных методов исследова­ ний. Электроника и современные методы регистрации элементар­ ных частиц приобретают в астрономии ту же степень «гражданства», что и традиционные оптические приборы. Все эти обстоятельства привели к появлению новых разделов астрономии и, в частности, астрофизики высоких энергий.

Общепризнанных границ круга вопросов, которые следовало бы отнести к астрофизике высоких энергий, пока нет. Обычно сюда включают астрофизические явления с выделением энергии, состав­ ляющей заметную долю массы покоя источников, и (или) процессы, сопровождающиеся генерацией квантов и частиц высоких энер­ гий.

Данный раздел астрофизики будет играть, по-видимому, фунда­ ментальную роль в понимании природы нестационарных объектов, поскольку именно взаимодействия релятивистских частиц со средой (веществом, полями, излучением) обусловливают большую, а иногда и основную часть информации об этих объектах.

Настоящая книга посвящена астрофизике высоких энергий. Сформулируем цели книги и характер ее построения. Прежде чем ответить на эти вопросы, нам нужно было четко представить себе круг ее будущих читателей.

Программа-максимум, на которую рассчитывали авторы, — при­ влечь внимание физиков, интересующихся различными астро­ физическими приложениями, и заинтересовать астрофизиков, не зна­ комых еще с этим кругом вопросов. В отличие от книги Уикса*, служащей элементарным введением в рассматриваемую проблема­ тику, мы поставили своей задачей познакомить читателя с исполь­ зуемыми здесь основными методами расчетов.

Поставленные цели оправдывают своеобразное построение книги. Астрономическое введение не претендует на сколько-нибудь полное описание космических объектов и картины их эволюции. В нем содержатся сведения о том астрофизическом «фоне», на котором

о принципах отбора примеров, играющих в известной степени иллюстративную роль.

* Т. К- Уикс. Астрофизика высоких энергий. Пер. с англ. М., «Мир», 1972.

4

Во-первых, мы старались отобрать явления, в которых физика высоких энергий выступает в «чистом» виде, без пересечений с дру­ гими разделами, например, с физикой плазмы*.

Во-вторых, мы лишь бегло касались вопросов, уже изложенных обстоятельно в монографиях. Поэтому, в частности, мало затронуты вопросы ускорения и происхождения космических лучей. Этот круг вопросов подробно изложен в монографии В. Л. Гинзбурга и и С. И. Сыроватского «Происхождение космических лучей» (М.,

(М., «Наука», 1967) и «Теория тяготения и эволюция звезд» (М., «Наука», 1971).

В-третьих, мы хотели подчеркнуть упомянутое выше изменение духа астрономии и, в частности, астрофизики. Астрономы, как правило, используют физику для интерпретации наблюдаемых ими объектов с точки зрения уже установленных законов физики. Для физиков же основная задача — открытие новых закономерностей. Допустимо предположить, что исследование обнаруженных в пос­ леднее время необычных космических объектов приведет к синтезу обоих направлений.

Мы не считаем, однако, что имеющиеся сейчас астрономические данные требуют кардинальных изменений физических законов. Тем не менее многие объекты исследования (например Вселенная, пульсары или квазары) характеризуются экстремальными физи­ ческими параметрами (очень большими плотностями и температу­ рами или энергиями). Поэтому описание подобных объектов тре­ бует иногда новых подходов и методов, а быть может, и некоторой экстраполяции установленных закономерностей за пределы их обычной применимости.

Это направление исследований, возможно, приведет к открытию новых физических законов. Поэтому в книге большое внимание уделяется, например, принципиальным вопросам взаимодействия элементарных частиц в связи с интерпретацией некоторых косми­ ческих явлений (например, § 7.2). Включение подобного раздела едва ли строго соответствует названию данной книги. Однако сейчас мы еще очень далеки от точного определения круга вопросов, входящих в компетенцию астрофизики высоких энергий. Нам ка­ жется, что ее содержание будет еще не раз уточняться и изме­ няться и в ее пределах будут развиваться направления, важные не только для астрофизики, но и для физики высоких энергий.

Имея в виду последнее замечание, авторы не ставили своей целью сколько-нибудь полно осветить все интересные вопросы астро-

* Роль плазменных явлений в астрофизике изложена в монографии С. А. Каплана и В. Н. Цытовича «Плазменная астрофизика». М., «Наука», 1972.

5

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

/— интенсивность излучения (поток энергии излучения в едини­ це телесного угла в единичном интервале энергий на единицу

площади в единицу времени)

/— светимость единицы объема (энергия, излучаемая единицей объема среды в единицу телесного угла в единичном интер­

вале энергий в единицу времени) k — импульс фотонов

/— мощность источников излучения (число частиц, излучаемых источниками в единице объема в единицу телесного угла в

Р— дифференциальный поток частиц через единицу площади в единицу времени в единичном интервале энергий в единице телесного угла

Т— температура

v— скорость частицы

w, dw/dQ — полная (дифференциальная) интенсивность излучения от­ дельной частицы

dW/dx — вероятность процесса на единице длины пути

7

Глава 1

АСТРОФИЗИЧЕСКОЕ

ВВЕДЕНИЕ

§ 1.1.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НОРМАЛЬНЫХ ГАЛАКТИК.

СТРУКТУРА МЕТАГАЛАКТИКИ

Видимая область Вселенной — Метагалактика — содержит звез­ ды (объединенные в галактики и их скопления), относительно разреженный межгалактический газ и пронизана заряженными частицами высоких энергий — космическими лучами, а также фото­ нами различных частот — космическим излучением. Эти компоненты взаимодействуют друг с другом, образуя сложный комплекс яв­ лений. Некоторые из них наблюдаются непосредственно, другие об­ наруживают себя косвенным путем. О вкладе перечисленных ком­ понент в плотность энергии или массы можно судить по рис. 1.

Для понимания явлений, обусловленных существованием и вза­ имодействием высокоэнергичных составляющих Метагалактики, необходимо знание элементарных процессов и астрофизических условий, в которых эти процессы протекают. В этой главе мы рас­ смотрим источники излучения и генерации частиц высоких энер­ гий, начав с обзора свойств нормальных галактик.

Строение и свойства звездной компоненты нашей Галактики.

Наша Галактика содержит более 100 миллиардов звезд. Наше Солн­

в Галактике не произвольное положение, а образуют три отдельные составляющие. Молодые горячие звезды дают плоскую составляю­ щую; относительно холодные звезды, которых большинство, входят

9