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

Поэтому не удивительно, что первые наблюдения первичных кос­ мических электронов были проведены только в 1961 г. [1]. И даже сейчас, после десятков экспериментов по регистрации первичных космических электронов, полной ясности в экспериментальной си­

>200 Мэв) спектр электронов имеет

ческих космических лучей. Недостаточное количество эксперимен­ тальных данных по вариациям потока космических электронов не

менее излом в спектре первичных электронов при Ее ~ 3 Гэв нельзя объяснить влиянием одной только солнечной модуляции.

Энергетический спектр первичных космических электронов в на­ стоящее время известен до энергий порядка 1000 Гэв [6—9]. Изу­ чение электронов столь высоких энергий представляет большой ин­ терес в связи с анализом распространения и удержания космиче­ ских лучей в Галактике (подробнее см. § 5 . 2 ) . Статистическая надеж­ ность результатов в этом диапазоне энергий невелика, но получен­ ные результаты, по-видимому, говорят в пользу отсутствия второго излома в спектре электронов вплоть до нескольких сот гигаэлектроН'

БОЛЬТ.

Важнейшей характеристикой первичной электронной компоненты космических лучей является отношение потоков электронов и позит-

178

ронов. В области энергий выше нескольких десятков мегаэлектрон­ вольт единственным способом различить электроны и позитроны слу­ жит разное отклонение частиц в магнитном поле. В области энергий до 10 Гэв используются наблюдения траекторий электронов в искусственных магнитах, помещенных на баллонах [10], в области более высоких энергий используется естественный магнит

—Земля.

Вработе [11] отношение потоков позитронной и электронной ком­ понент в области энергий порядка десятков гигаэлектронвольт из­ мерялось по так называемой

не отличаются большой точ­ ностью. В табл. 20, заимство­ ванной из обзора [2], приведена сводка экспериментальных дан­ ных по измерению зарядового отношения г).

Несмотря на малую точность измерений, из данных, приведенных в табл. 20, можно сделать вывод, что электронная компонента косми­ ческого излучения не возникает в процессе взаимодействия космиче­ ских лучей с газом (в этом случае величина потока позитронов должна быть близка к величине потока электронов), а является первичной — ускоряется в источниках космических лучей.

В § 5.2 мы увидим, что электронная компонента первичных кос­ мических лучей может служить важным источником информации об источниках космических лучей и структуре магнитного поля в об­ ластях удержания космических лучей в Галактике. Поэтому уточ­ нение экспериментальных данных об энергетическом спектре пер­ вичных космических электронов, зависимости зарядового отношения от энергии, влиянии солнечной модуляции на электронную ком­ поненту галактического .космического излучения крайне необхо­ димо.

Значительного увеличения точности и надежности эксперимен­ тальных данных следует ожидать от приборов, размещенных на искусственных спутниках Земли и долговременных орбитальных станциях.

* Восточно-западная асимметрия — это обусловленное земным магнит­ ным полем различие между потоком частиц, приходящих с запада и с восто­ ка. Величина этой асимметрии зависит от знака заряда первичных частиц.

179

§ 5.2.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ГАЛАКТИКЕ

Распространение релятивистских электронов в Галактике отли­ чается от распространения адронной компоненты космического излучения. Дело в том, что электроны при своем движении в про­ странстве, заполненном магнитным полем и полем электромагнитно­ го излучения, непрерывно теряют энергию, согласно формуле

— dEjdt^co^T^iWy + WH) (5.3)

-(см. гл. 2), в то время как средние потери адронов при прохождении ими межзвездной и особенно межгалактической среды относительно невелики (см. § 3.1). Потеря энергии приводит к существенному от­ личию спектра электронов в космическом пространстве от их спект­ ра в источниках (см. гл. 4).

В этом параграфе мы рассмотрим процесс распространения кос­ мических электронов в Галактике, что является полезной иллю­ страцией общих положений о кинетике распространения электронов (см. гл. 4).

Конечная цель нашего исследования — оценить верхнюю гра­ ницу мощности испускания Галактикой релятивистских электронов. Этот вопрос актуален в связи с обсуждением природы метагалактических фоновых излучений (см. гл. 6).

Модели распространения космических лучей в Галактике можно грубо разделить на две крайние группы. В первой считается, что область, где сосредоточены источники космических лучей (в том чис­ ле и электронов), а также область их распространения совпадают

сгалактическим диском.

Вдругой группе моделей областью сосредоточения источников космических лучей также является галактический диск, но область распространения намного превышает его размеры и совпадает с гало.

Проблема наличия гало у нашей галактики весьма сложна и да­ лека от разрешения (о строении Галактики см. § 1.1). Не касаясь всей проблемы гало, упомянем о существовании следующих типов гало [12]: 1) физического гало, соответствующего переходной об­ ласти от галактической концентрации вещества (~0,1 см~3) к метагалактической (~10~6 см~3)\ 2) радиогало, соответствующего об­ ласти радиоизлучения Галактики, и 3) 'гало космических лучей, соответствующего области сосредоточения космических лучей*. Поэтому сама форма гало может существенно зависеть от его опреде­ ления. Нас в дальнейшем будет интересовать гало релятивистских электронов.

Вообще говоря, гало космических электронов не обязано сов­ падать с гало адронов. Если даже справедливо диффузионное прибли-

* Отметим, что идея радиогало была выдвинута в работе [131. а физи­ ческого гало — в работе [14].

.180

жение, гало космических адронов может превышать гало электронов вследствие значительно больших энергетических потерь электронов.

В задаче о распространении электронов в Галактике обычно опре­ деляются три независимые величины: средняя напряженность маг­ нитного поля, поперечные размеры гало Rhal (продольные размеры

Результаты расчета сравниваются со следующими данными на­ блюдений: спектром космических электронов на границе земной маг­ нитосферы; интенсивностью нетеплового (синхротронного) радио­ излучения в Галактике по различным направлениям и путем, про­ ходимым космическими лучами в Галактике.

В пределе гало имеет сферическую или квазисферическую форму; тогда радиус сферы ~ Rd ~ 15—30 кпс (подобная форма не яв­ ляется, конечно, необходимой; можно предполагать и сильно сплю­ щенное эллипсоидальное гало).

Модели гало и диска различаются по времени удержания кос­ мических лучей в Галактике. Из исследования состава космических лучей в Галактике известно, что космические лучи при распростра­ нении проходят в среднем 3-4-5 г/см2 вещества [15]. Если космические лучи большую часть времени проводят в диске, то среднее время удержания равно

(nd ~ 0,1 см~3— средняя концентрация частиц в диске); если же гало имеет сферическую форму, то

пш Мс

(полагая концентрацию частиц в гало nhal ~ 10~3 см~3).

Для окончательного выбора между моделями гало и диска боль­ шое значение имеет непосредственное определение времени жизни космических лучей в Галактике. Одним из методов этого определения является исследование космических ядер с периодом полураспада, близким к ожидаемому времени удержания космических лучей в Га­ лактике [15, 16]. Однако, как показал тщательный анализ [15, 17], по имеющимся данным наблюдений сейчас нельзя надежно опреде­ лить возраст космических лучей. Из этих данных можно только сде­ лать вывод, что более вероятным является короткое время удержа­ ния космических лучей (^107 лет), что скорее противоречит модели сферического гало.

Модуляция спектра релятивистских электронов. Рассмотрим вопрос о модуляции электронного спектра в Галактике за счет энергетических потерь. Описывающее распространение электронов в Гала ктике кинетическое уравнение, которое учитывает диффузию

181

электронов в галактических магнитных полях и энергетические потери электронов, можно записать в форме [18]

дЕе

Здесь ЬЕе — энергетические потери электронов (см. 5.3); 1е — мощ­ ность источников электронов в единице объема. Анализ этого кине­ тического уравнения проводился во многих работах (см., например, [19—23]). Мы приведем здесь выражения для концентрации элект­ ронов в центре Галактики в двух моделях распространения, отра­ жающих существенные свойства дисковых и сферических моделей.

I . Источники электронов имеют степенной спектр

Эти выражения дают полуколичественное представление о характе­ ре модуляции ультрарелятивистских электронов в Галактике.

В модели сферического гало существуют два характерных време­ ни распространения электронов. Первое te определяется энергети­ ческими потерями и отвечает времени, в течение которого частица теряет половину своей первоначальной энергии:

182

Второе характерное время отвечает времени диффузии от места возникновения электрона до границы области распространения электронов. Если справедлива диффузионная модель, то

td~RH2D. (5.11)

В более общем случае эллипсоидального гало существует третье характерное время

которое и определяет время выхода.

Характерные времена td и thai сравниваются с временем te при значениях энергий Ее1 и Ее2. Именно при этих энергиях в спектре галактических электронов и должны возникать изломы [см. (5.7)

и(5.8.)].

Вмодели сферического гало возникает один излом в спектре с из­

менением показателя уе на единицу. В случае эллипсоидального гало возникают два излома; каждый излом соответствует изменению пока­

зателя Ye на 1/2, а показателя уу— на 1/4. При интерпретации экспе­ риментальных данных с помощью соотношений типа (5.7) и (5.8) существенная трудность возникает с неопределенностью происхож­

дения излома в спектре электронов при Ее ~ 3—5 Гэв. Трудно дать уверенную оценку модуляции спектра магнитными полями Сол­ нечной системы.

Наиболее детальный анализ модели эллипсоидального гало и сравнение результатов расчета с наблюдательными данными по спектру электронов и нетепловому галактическому радиоизлучению были приведены в работе [23]. Согласно [23], наиболее вероятной

Экспериментальная ситуация в этом отношении не вполне ясна. По данным [3, 8], до энергий Ее ~ 150 и даже 500 Гэв спектр пред­ ставляется степенным законом с показателем уе ~ 2,7-=-2,8. Такая же форма спектра вплоть до энергий Ее ~ 1000 Гэв получена в ра­ боте [7]. Вместе с тем, согласно некоторым исследованиям, имеются указания на существование второго излома в области Ее ~ 50— 100 Гэв [2, 24].

Верхняя граница мощности выхода релятивистских электронов из Галактики. Обратимся теперь к вопросу о верхней границе мощ­ ности Uе выхода релятивистских электронов из Галактики [это пред­ ставляет интерес и для проблемы происхождения фоновых излуче-

183

ний (см. гл. 6)]. По порядку величины Uе можно оценить из соотно­ шения

(последняя величина соответствует данным измерений у границы атмосферы).

При интерпретации фоновых излучений (см. гл. 6) возникает во­ прос, возможно ли существенно увеличить мощность выхода элект­ ронов из Галактики по сравнению с наибольшей величиной, приве­ денной в табл. 21.

Из соотношения (5.13) следует, что увеличения Ue можно до­ стигнуть либо за счет увеличения объема Vhal, либо из-за уменьше­ ния thal (поскольку величина we задана экспериментальными дан­ ными). Рассмотрим последовательно обе возможности.

Увеличение размера Rhal до 10 кпс приводит к возрастанию Uе примерно на порядок. Однако в этом случае мы приходим к модели квазисферического гало, которая встречается с рядом трудностей (см. выше).

Уменьшение времени выхода, например, до значений t ~ 106 лет означает, что условия диффузии электронов в Галактике отли­ чаются от условий диффузии адронов, для которых значение времени выхода приближается скорее к 107 лет. Большие значения величины

184

чение времени жизни космических лучей и рассмотреть модели распространения электронов и космических лучей, в которых не делается предположений о разрыве параметров гало на его гра­ нице. Фактически границы гало размыты и параметры гало не­ прерывно изменяются, переходя постепенно в соответствующие параметры межгалактической среды. Нуждается в дополнительном обосновании и допустимость диффузионного приближения*. Поэто­

4.Meyer P. Ann. Rev. Astron. Astrophys., 1969, 7, p. 1.

5.Bleeker J. A. M . e. a. Canad. J. Phys., 1968, 46, p. 522.

p.117.

11.Bland C. J. e. a. Nuovo cimento, 1967, 52B, p. 455.

12.Ginsburg V. L. Comment. Astrophys. Space. Phys., 1970, 2, p. 43.

p.197.

№119, 120, 1971.

24.Sheepmaker A., Tanaka J. Astron. Astrophys., 1971, 11, p. 53.

* Учет зависимости коэффициента диффузии электронов от энергии (бо­ лее точно — учет магнитных неоднородностей в Галактике) может привести к качественным изменениям вида электронного спектра (см. [26]).

185

Глава б

ФОНОВЫЕ

ИЗЛУЧЕНИЯ

§ 6 . 1 .

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ О ФОНОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЯХ

Фоновыми излучениями называют изотропные космические из­ лучения внегалактического происхождения. Особая важность фоно­ вых излучений для астрофизики высоких энергий обусловлена рядом обстоятельств. Во-первых, основной вклад в фоновое излучение ряда диапазонов, по-видимому, вносят источники, расположенные на сравнительно больших космологических расстояниях (z ^ 1; R ~ ~ с/Н0). Поэтому анализ характеристик фоновых излучений позво­ ляет получить информацию об объектах, возникших на относительно ранних стадиях расширения Вселенной, и об изменении их свойств со временем (их эволюции, см. § 1.4). Во-вторых, характеристики фоновых излучений отражают свойства большого числа источников. Исследование фоновых излучений позволяет определить свойства «среднего» источника, являющегося типичным представителем по­ пуляции источников фоновых излучений, в то время как изучение дискретных источников, особенно на первых стадиях развития того или иного раздела астрономии, ограничено исследованием «выдаю­ щихся» объектов (наиболее близких или наиболее мощных). И,

эв - см~~ 3

186

в-третьих, следует отметить, что в новых разделах астрономии (ин­ фракрасной, рентгеновской и гамма-астрономии) эксперименты по изучению фоновых излучений в ряде случаев значительно проще экспериментов по исследованию дискретных источников.

В табл. 22 представлены данные о плотности энергии фоновых излучений в различных диапазонах.

187