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

температуры > 109° К [66] и этот газ будет излучать в рентгеновской области значительно сильнее, чем в непосредственном процессе тор­ мозного излучения. Иначе говоря, спектр космических лучей при взаимодействии с газом термализуется (приближается к максвеллов-

рассмотрим неоднородно нагретый газ с распределением температур

Б. И С Т О Ч Н И К И Ф О Н О В О Г О И З Л У Ч Е Н И Я

Дискретные источники. Можно предложить два варианта про­ исхождения фоновых излучений. В первом (назовем его локальным) излучения возникают непосредственно в источниках и затем без су­ щественного поглощения выходят в метагалактическое пространство. Во втором (диффузная схема) излучения возникают вследствие вза-

* Можно для конкретности говорить о распределении температуры вну­ три источников или о распределении источников по усредненным (по дан­ ному источнику) температурам.

208

имодействия космического излучения с межгалактическим газом или

на все источники соответствующей популяции неправильно. Галакти­ ка и особенно сейфертовская галактика NGC 1275 и квазар ЗС 273, — нетипичные источники. Более правильно использовать энергетичес­ кие характеристики, усредненные по данному типу источников, для

может быть выполнено только в источниках с относительно слабыми магнитными полями небольшой протяженности; б) полное торможе­ ние электронов с энергией Еет, ответственных за появление излу­ чения с частотой v m ; в) единство механизма излучения в большом интервале частот и г) значительная интенсивность излучения, доста­ точная для объяснения наблюдаемой интенсивности фонового излу­ чения. Условия (б—г) требуют, наоборот, больших магнитных полей. Рассмотрим условия (а—г) количественно.

где R — характерный размер источника, a \i — коэффициент реаб­ сорбции. Для степенного спектра электронов коэффициент \i можно записать в виде (2.60).

* Данные о мощности рентгеновского излучения Галактики получены экстраполяцией мощности наблюденных галактических источников на весь галактический диск [71, 72].

209

Как и ожидалось, условия (6.60), (6.61), (6.64) приводят к трудно­ стям при выборе параметров конкретных источников. Если х ~ 1

Этим параметрам не удовлетворяют нормальные галактики и ком­ пактные источники (см. гл. 1). Немногим более соответствуют вы-

210

численным параметрам мощные радиогалактики (R ~ 1022 см). Однако допущение о том, что мощные радиогалактики — основные источники, встречается с другой трудностью. Для стационарного сте­ пенного спектра необходимо, чтобы время жизни источника Т удов­ летворяло условию

Это примерно на два порядка превышает оценки времени жизни мощ­ ных радиоисточников.

Рассмотрим теперь проблему источников в рамках комптонсинхротронной модели. Если пытаться объяснить все фоновое излу­ чение единым типом источников, то нужно сразу отказаться от сей­ фертовских галактик [слишком слабая светимость в радиодиапазоне; см. табл. 27 и условие (6.57)]. Более проблематична возможность объяснения фона квазарами — слишком мало известно об их рент­ геновском излучении.

Поэтому остановимся на нормальных галактиках в качестве ос­ новных источников фона. Уже при объяснении радиофона встреча­ ются трудности. Большая часть исследователей полагают, что радиофон обусловливается эволюционирующими объектами — мощными радиогалактиками или квазарами (см. работу [2]). Однако в работах [73, 74] допускается, что именно нормальные галактики и слабые ра­ диогалактики могут обеспечить значительную часть радиофона.

Еще более сложно объяснение этими объектами рентгеновского фона (см., например, работу [59]). При плотности галактик пг ~ ~ 3 • 1(Г7 5 см~3 (см. гл. 1) и светимости Галактики в рентгеновском диапазоне ~2-10 3 9 эрг/сек (см. табл. 27), а также при пропорцио­ нальности светимости галактик их массе получается, что необходи­ мое требование (6.57) не выполняется примерно на два порядка.

Вместе с тем в Галактике LJLTad ~ 2 (см. табл. 25), в то время как отношение соответствующих плотностей энергий для фона по­ рядка 102—103 (см. табл. 22).

Единственным разрешением обеих трудностей является допуще­ ние о сильной эволюции нормальных галактик в рентгеновском диа­ пазоне. Поскольку до z ~ 0,3 в оптической области сколько-нибудь значительной эволюции не наблюдается, то подобное допущение сле­ дует понимать так, что в прошлом (z ^ 1) светимость в рентгеновс­ ком диапазоне была существенно больше. Поскольку плотность энер­

нем).

При допущении, что радио- и рентгеновское излучение вызывает­ ся различными источниками (например, радиоизлучение — мощ­ ными радиогалактиками, а рентгеновское—сейфертовскими галакти­ ками), возникает вопрос о соответствии мощности сейфертовских галактик наблюденной интенсивности рентгеновского фона. Пола­ гая, что сейфертовские галактики составляют ~ 1 % всех нормаль­ ных галактик (см. гл. 1) и что их мощность излучения в рентгенов-

211

ском диапазоне ~10 4 2 эрг/сек, мы получим, что отношение (6.58) не выполняется примерно на полтора порядка. Таким образом, и в этой схеме мы должны прибегнуть к идее эволюции (в данном случае сейфертовских галактик). Идея эволюции подразумевает две возмож­ ности: либо увеличение светимости данных объектов, либо возраста­ ние их пространственной плотности с увеличением г. Последняя трактовка наталкивает на возможную генетическую связь нормаль­ ных и сейфертовских галактик*. Тогда эволюция может сводиться к увеличению «процентного содержания» сейфертовских галактик от­ носительно нормальных с ростом г.

Итак, в рамках комптон-синхротронной гипотезы для объясне­ ния наблюденной интенсивности фона нужно потребовать сильную эволюцию возможных источников.

Диффузный вариант. Основная идея этой модели заключается в допущении, что рентгеновский фон обусловлен обратным комптоновским излучением релятивистских электронов на реликтовом излучении (см. работы [57—60, 75]). В этом варианте проблема ис­ точников сводится к вопросу о происхождении метагалактических электронов.

Сравнительно уверенный ответ относительно интенсивности ре­ лятивистских электронов можно дать для нашей Галактики (см. да­ лее и § 5.2).

Относительно других возможных источников электронов можно привести следующее общее соображение: чтобы из источников выхо­ дили релятивистские электроны с плотностью энергии, превосходя­ щей плотность энергии излучения, нужно, чтобы пробег электронов был не меньше размеров излучающей системы. В противном случае основная доля энергии релятивистских электронов будет переходить в излучение внутри самих объектов. В табл. 26 сопоставляются раз­ меры источников R и пробеги S электронов с энергией ~ 1 0 9 эв отно­ сительно обратного комптон-эффекта. Значения wy соответствуют энергии фотонов < 1 эв; из табл. 26 следует, что возможным постав­ щиком электронов в метагалактическое пространство могут быть только нормальные галактики.

* Подобная связь не является обязательной (подробное обсуждение этого вопроса См. в § 1.5).

212

Оценки (см. гл. 5) показывают, что мощность испускания Галак­ тикой релятивистских частиц с энергией ~ 1 0 9 з в * равна UeK < 103 9 эрг/сек. Такой мощности недостаточно (без допущения об эволюции) для объяснения наблюдаемой интенсивности рентгенов­ ского излучения [см. соотношение (6.58)]. Таким образом, и в рамках диффузной схемы необходимо допущение об эволюции источников.

Непосредственная проверка диффузного варианта. Вид спектра рентгеновского излучения, образующегося при взаимодействии метагалактических электронов с реликтовым излучением, не может быть произвольным. Как было показано в работе [75] (см. также §4.1), на показатель спектра фонового рентгеновского излучения в диффуз­ ной модели накладывается ограничение: в любом энергетическом интервале численное значение уу = —д In Р (Еу)1дЕу не должно быть меньше 3/2.

Если это условие не выполняется, то фоновое рентгеновское из­ лучение не может быть обусловлено взаимодействием метагалактических электронов с реликтовым (или инфракрасным) излучением. В настоящее время (конец 1972 г.) результаты экспериментов по измерению спектральных характеристик фонового рентгеновского

эксперименты по изучению спектра фонового рентгеновского излуче­ ния покажут, что условие yv ^ 3/2 не выполняется, то диффузную гипотезу происхождения рентгеновского фона можно будет от­ вергнуть.

Скопления галактик как возможный источник рентгеновского фона [56]. Выше отмечалось, что наиболее «естественные» гипотезы происхождения фона наталкиваются на трудности. Представляется целесообразным проанализировать возможную связь рентгеновско­ го фона с рентгеновским излучением скоплений галактик**. Сильное

числу галактик в нем, можно получить, опираясь на формулу (6.13),

*Энергией, достаточной для образования рентгеновского излучения с энергией фотонов ~ 1 кэв.

**О такой возможности упоминалось в работе [76].

213

Рассмотрим теперь вопрос о форме спектра. Согласно работе [77], спектр излучения от скопления Coma можно представить экспонентой

Допущение, что нетепловой спектр можно объяснить комптоновским рассеянием реликтовых фотонов на релятивистских электронах, не­ удовлетворительно. Покажем, что при таком предположении будет большое отклонение от равнораспределения энергии между электро­ нами и магнитным полем и вокруг скопления должен быть сильный

Используя выражение для удельной светимости релятивистских

малую часть своей энергии. Расстояния, на которых электроны та­ ких энергий будут терять половину своей энергии, порядка 25 Мпс.

214

Следовательно, в рентгеновском диапазоне должна светиться область таких размеров. Это было бы обнаружено на опыте. По этим причи­ нам допущение, что рентгеновское излучение скопления Coma обу­ словлено обратным комптон-эффектом, необходимо отвергнуть.

Рассмотрим теперь допущение, что фоновое излучение обусловле­ но нагретым газом*. Ранее отмечалось, что спектр оптически тонкой плазмы с фиксированной температурой не соответствует наблюде­ ниям фонового рентгеновского излучения. Однако распределение температур внутри скопления или среди различных скоплений не обязано быть 6-функцией. Если взять распределение по темпера­ турам ф (Т) в форме (6.54), то можно удовлетворить наблюдаемой форме спектра.

блематичным. Более правдоподобно, что фоновое рентгеновское излучение имеет «тепловое» происхождение при Еу < 100 кэв и «комптоновское» при Ev ^ 100 кэв.

Для выяснения природы основных источников фона большое значение имеет исследование его углового распределения, нача­ тое в работе [21]. Изучение флуктуации углового распределения позволяет в принципе подойти к оценке числа источников, внося­ щих основной вклад в фоновое излучение. Поясним идею этого под­ хода на основе предположения о сильной эволюции источников. Для простоты можно считать, что источники возникли при неко­ тором z — zt [см. формулу (6.23)]**. Это означает, что зарегистри­ рованный поток фонового излучения пропорционален углу Q, вы­ деленному прибором.

Пусть Nt — полное число источников рентгеновского фона; тогда число источников, обусловливающих поток излучения через прибор, равно Nt Q. Если флуктуации фона имеют статистичес­ кую природу, то характеризующее их среднеквадратическое от­

ределенным выводам, поскольку оценочное число квазаров превы­ шает на 1—2, а число скоплений — на 2—3 порядка указанную величину. Однако дальнейшее увеличение точности измерения флуктуации может быть полезным для решения вопроса об источ­ никах фона.

*О возможном механизме нагрева см. работу [81].

**Такое допущение делает весь подход более прозрачным. Если вклад вносят значительные интервалы г, то нужно использовать точные соотноше­ ния фридмановской космологии.

215

В.О ФОНОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЯХ В ДИАПАЗОНЕ 1—6 Мэв

Взаключение коснемся вопроса о возможном уплощении в

где fu f2 — некоторые степенные функции от 1 -4- z.

Вынося предэкспоненциальный множитель при z = гг ФФ и дифференцируя, получаем, что спектр имеет максимум при"

На рис. 50 приведены спектры у-квантов, вычисленные при различ­ ных допущениях о г э ф ф и спектре космических лучей [82].

216

§ 6.5.

ФОНОВЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И МЕТАГАЛАКТИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОНЫ

Анализ фоновых излучений позволяет подойти к вопросу о про­ исхождении космических электронов. Сразу же после открытия ре­ ликтового излучения в ряде работ [83—85] было отмечено, что на­ блюдаемые вблизи Земли электроны не могут иметь метагалактическое происхождение. В самом деле, эффективное взаимодействие ультрарелятивистских электронов с реликтовым излучением по­ средством обратного комптон-эффекта приводит к торможению электронов за время

лучения в рентгеновском диапазоне можно получить верхний пре­ дел интенсивности электронов в Метагалактике [85]. Верхний пре­ дел интенсивности электронов оценивается из допущения, что фо­ новое излучение в рентгеновской области обусловливается комп- тон-эффектом на реликтовом излучении. Первые оценки [85], пре­ небрегавшие расширением Метагалактики, привели к заключению, что плотность энергии космических релятивистских электронов в Метагалактике we <Z Ю - 5 эв/см3, что примерно на три порядка

Предположим, что мощность инжекции релятивистских электро­

новского фона за времена, много меньшие времени расширения Все­ ленной 1/Я0 ;

2) форма энергетического спектра фотонов фонового излучения в данном случае не зависит от параметра красного смещения z и определяется только видом спектра инжектируемых электронов [поскольку £у<<8,.;> = const (z)]. Поэтому выражение для плот­ ности энергии фотонов можно записать в виде (см. § 6.2):

(6.76)

о