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

Перед вихревой теорией, находящейся в стадии интенсивного дальнейшего развития, стоит несколько важных задач. Необходим выход за рамки адиабатического приближения работы [139], т. е. детальный анализ турбулентности на послерекомбинационной ста­ дии. Нуждаются в разработке физические процессы на стадии превращения протогалактики в стационарную систему (оценки показывают, что этого можно ожидать при z ~ 10). Интересные перспективы возникают при рассмотрении образования ядер галак­ тик и начала их активности.

Проблемы вихревой теории неизбежно перерастают в космоло­ гические при попытке объяснить происхождение вихрей. Конечно, эти вихри можно считать столь же неотъемлемым свойством Вселен­ ной, как и ее расширение, но это «разъяснение» проливает мало света на космологическую проблему. Экстраполяция в прошлое анизотропных свойств вихрей привела к выводу, что ранние стадии космологического расширения были нефридмановскими, что поновому ставит проблему взаимосвязи космогонии и космологии. То же относится и к астрофизике высоких энергий на ранних стадиях расширения.

Резюмируя состояние проблемы происхождения галактик, мож­ но считать, что в настоящее время имеются три конкурентоспособ­ ные гипотезы о природе первичных возмущений как потенциальных, вихревых и энтропийных. По-видимому, они образуют «линейнонезависимый» базис, к которому можно свести любую новую гипо­ тезу об образовании галактик. Однако уже сейчас ясно, что не все перечисленные типы возмущений равновероятно ответственны за принципиальные черты будущей теории. Богатейший материал астрофизических наблюдений существенно сужает мыслимые воз­ можности. Так, статические (энтропийные) возмущения, хотя они и возникают неизбежно при затухании других типов возмущений, по-видимому, играли подчиненную роль в образовании галактик и тем более их агломератов. Формирование галактик и их скопле­ ний можно связать с возмущениями динамического типа, т. е. с на­ чальными потенциальными или вихревыми движениями. Оконча­ тельный выбор между последними станет возможен, когда теори и будут более детализированы и надежно разойдутся в своих прин­ ципиальных следствиях.

Г. Э В О Л Ю Ц И Я Г А Л А К Т И К

Ни одна из имеющихся теорий образования галактик не смогла пока рассчитать даже для нормальных галактик их эволюцию после формирования. Рассмотрение эволюции галактик как целого много сложнее, чем эволюции отдельной звезды. Эволюция галактик со­ провождается четырьмя типами процессов: образованием звезд из межзвездного газо-пылевого вещества; изменением химического состава газа в результате его обогащения продуктами звездной эволюции; изменением физических параметров звездных и диффуз-

58

ных составляющих галактики и изменением структуры галактики Пространственного распределения звезд и межзвездной материи). Эти процессы большей частью взаимозависимы, что усугубляет сложность проблемы.

Относительно неизменными в течение эволюции галактики яв­ ляются динамические параметры ее звездных составляющих. Сле­ довательно, эти параметры, получаемые из наблюдений, содержат определенную информацию об условиях в галактике на момент ее образования. Поскольку галактики разных хаббловских типов от­ личаются, грубо говоря, различным относительным содержанием плоской и сферической звездных составляющих (см. § 1.1), то сопо­ ставление динамических параметров составляющих, которые имеют разный возраст, позволяет в принципе реконструировать динами­ ческую историю галактики. С помощью этого метода можно прийти к заключению, что в процессе превращения сжимающейся протогалактики в стационарную галактику эллиптические галактики стабилизировались при большей средней плотности, чем спиральные и тем более неправильные галактики. Существенное различие в на­ чальных плотностях связано скорее всего с различием удельных моментов вращения, минимальных у эллиптических и максималь­ ных у неправильных галактик. Скорость превращения газа в звез­ ды тем выше, чем больше начальная плотность газа [147], и это качественно объясняет, почему доля газовой составляющей галак­ тики, не превратившейся в звезды, монотонно возрастает от эллип­ тических галактик к неправильным (см. табл. 2).

Скорость звездообразования зависит не только от плотности газа, но и от его температуры и химического состава, а также, возможно, и от динамических факторов (вращения, турбулентно­ сти, магнитного поля). К сожалению, незнание этих зависимостей не позволяет пока достоверно рассчитать эволюционное изменение светимости галактики, массы ее газа, тепловой истории и химическо­ го состава, а также (что особенно важно для астрофизики высоких энергий) плотности энергии космических лучей, турбулентности, магнитного поля и поля радиации в различных спектральных интер­ валах. Вместе с тем данные о фоновом метагалактическом излуче­ нии (см. гл. 6) в принципе могут дать полезные ограничения на ха­ рактер нетеплового излучения галактик и его изменения со време­ нем. Излучение же галактик теплового происхождения, особенно

областях межгалактической среды в результате каких-либо вто­ ричных процессов (тепловой неустойчивости, сжатия газа ударными волнами, эжекции газа при взрывах в ядрах галактик). В этой

59

связи отметим, что среди компактных галактик Цвикки открыты два объекта, возраст которых, как подозревается, меньше или порядка 108 лет 1149]. Однако свидетельства в пользу молодости этих объектов далеки об убедительности.

Д . Э В О Л Ю Ц И Я С И Л Ь Н Ы Х Р А Д И О И С Т О Ч Н И К О В

В отличие от стадии обособления галактик от расширяющегося метагалактического фона, для которой пока отсутствуют прямые

мя — это объект интенсивных исследований. Информация об этой

просто поток) каждого источника. Последующий подсчет позво­ ляет получить число источников JV с потоком, большим F, как функ­ цию от величины F, Если бы источники находились в статическом

Более детальное рассмотрение показывает, что причина подоб­ ного расхождения лежит не в отличии истинной космологической модели от статической евклидовской, а обусловлена эволюцией свойств самих радиоисточников. В принципе возможны две простей­ шие формы такой эволюции: изменение со временем числа радиоис­ точников, т. е. их пространственной плотности в единице сопутст­ вующего объема, и изменение светимости источников. Конечно, речь идет об изменении с космологической эпохой среднего числа или средней светимости радиоисточников, так как время их жизни много короче космологического времени для интересующих нас красных смещений (z < 4).

Хотя наличие эволюции радиоисточников (причем не только

врадио-, но и в оптическом диапазоне [151]) сейчас не вызывает сомнений, ее количественная форма с достоверностью пока неиз­ вестна. Основная причина этого состоит в том, что лишь небольшая часть радиоисточников идентифицирована и имеет измеренные крас­ ные смещения. Поэтому очень трудно сказать, какая часть объектов

влокальной функции светимости радиоисточников (дающей прост­ ранственную плотность источников с различной светимостью в на­ стоящую эпоху) обусловлена эффектами эволюции, а какая — соб­ ственно локальной функцией светимости без эволюции. Другая трудность обусловлена тем, что эволюция источников (изменение

60

их свойств в единице сопуствующего объема) может быть выделена лишь при известной скорости изменения во времени самого этого объема, т. е. при задании конкретной космологической модели.

Несмотря на отмеченные трудности и неопределенности, боль­ шинство исследователей сходятся на следующих основных выводах

охарактере эволюции источников [152].

1.Эволюция радиоисточников является весьма сильной. Сред­ няя пространственная плотность р (г) источников (в единице сопут­ ствующего объема) или их мощность Р (z) меняется с красным смещением по законам, которые можно аппроксимировать степен­ ными выражениями вида:

при z > zM a K C = 2 — 4. В противном случае радиофон, обусловлен­ ный суммарным вкладом радиоисточников (см. гл. 6), превышал бы наблюдаемый. При z > г м а к с пространственная плотность ис­ точников, по-видимому, сходится к конечному пределу. Любопытно, что уже при z « 2,5 пространственная плотность квазаров мало от­ личается от пространственной плотности эллиптических галак­ тик [153]. Уже отсюда ясно, что дальнейший рост р (z) для квазаров невозможен. Отмеченное совпадение может быть и случайным, но,

относится не ко всем классам светимостей радиоисточников, а лишь к наиболее мощным объектам. Одинаковый закон эволюции у радио­ источников всех светимостей находился бы в противоречии с наблю­ даемой мощностью фонового радиоизлучения, а также с наблюдаемым

тельные данные совместимы с сильной эволюцией лишь для источ­ ников с мощностью Р > 1026 вт/гц*. Этот класс мощных радиоис­ точников соответствует главным образом квазарам. Примечатель­ но, что квазизвездные галактики (QSG), т. е. квазары без заметного радиоизлучения (см. § 1.2), подчиняются в оптическом диапазоне тому же закону эволюции, что и квазары в радиодиапазоне.

* Конечно, более слабые источники (в том числе и нормальные галакти­ ки) могут претерпевать эволюционные изменения, но существенно более сла­ бые, чем (1.41) или (1.42).

61

10.Vaucouleurs G. de. In: Problems of Extra-Galactic Research ( I . A. U . Symp. No 15). Ed. by G. McVittie, N . Y . , Mc Millan Co., 1962, p. 3.

11.Unsold A. The New Cosmos. N . Y . , Springer Verlag, Inc., 1969.

12. Oort J . H. Trans, of X I I General Assembly of I A U , 1964. (на pjc. я з .

Я.Оорт. «Земля и Вселенная», 1965, № 2, с. 14; № 3, с. 8).

13.Озерной Л. М. «Астрон. циркуляр АН СССР», 1967, № 407, с. 1.

14.Sandage A., Freeman К- С , Stokes N. R. Astrophys. J., 1970, 160, p. 405.

15. BurbidgeG., Sargent W. L. W Comm. Astrophys. Space Phys., 1970, 1,

p.220.

16.Ambartsumian V. A. Structure and Evolution of Galaxies. Interscience Publ., 1965, p. 1.

17.Field G. В., Saslaw W. C. Astrophys. J., 1971, 170 p. 199.

18.Peebles P. J . E. Astrophys. J., 1969, 154, p. L 121.

22.Epstein E . E . Astron. J., 1964, 69, No 7.

23.Зельдович Я- Б. «Успехи физ. наук», 1963, 80, с. 357.

24.Van den Bergh S. Nature, 1970, 225, p. 503.

25.Sandage A. Rept. at the Conf. on the Galaxy and the Distance Scale, Roy. Greenwich Observ., Aug. 17—20, 1971.

26.Смит Г., Смит Э. Солнечные вспышки. Пер. с англ. М., «Мир», 1966.

27.Эруптивные звезды. Под ред. А. А. Боярчука и Р . Е. Гершберга. М., «Наука», 1970.

28.Шкловский И. С. Сверхновые звезды. М., «Наука», 1966.

29.Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Теория тяготения и эволюция звезд. М.> «Наука», 1971.

30.Hewish A. Ann. Rev. Astron. and Astrophys., 1965, 8, p. 265.

31. Ter Haar D. Phys. Rept. (Sect. C. Phys. Lett,), 1972, 3, p. 57.

32.Гинзбург В. Л. «Успехи физ. наук», 1971, 103, с. 393.

33.Ruderman М. Ann. Rev. Astron. and Astrophys., 1972, 10, p. 427.

34.Gunn J . , Ostriker J . Astrophys. J., 1970, 160, p. 979.

35.Gursky H. Proc. Summer School of Theor. Phys. at Les Houches, France Gordon and Breach, Paris, 1972.

36.Амбарцумян В. А. «Вестн. АН СССР», 1969, No 2, с. 20.

37.Oort J . Н. Nature, 1969, 224, p. 1158.

38.BurbidgeG. R. Ann. Rev. Astron. and Astrophys., 1970, 8, p. 369.

39.Lequeux J . Astron. and Astrophys., 1971, 15, p. 42.

40.Kellermann К- I., Paulini-Toth I. I. K- Ann. Rev. Astron. and Astrophys., 1968, 6, p. 417.

41. Low F. J . Astrophys. J., 1970, 159, p., L 173.

42.Ambartsumian V. A. Trans. I A U , Acad. Press, 1966, 12B, p. 578.

43.Wade С. M. Astron. J., 1968, 73, p. 836.

44.Проник И. И. «Астрон. ж.», 1969, 46, с. 951.

45.van der Kruit Р. С. Astron. and Astrophys., 1971, 15, p. 110.

46.Kleinmann D. E . Low F. J . Astrophys. J., 1970, 159, p., L 165.

49.Schmidt M. Astrophys. J., 1966, 146, 7.

50.Moffet A. Ann. Rev. Astron. and Astrophys., 1966, 4, 145.

54.Бербидж Дж., Бербидж M. Квазары. Пер с англ. М., «Мир», 1969.

55.Pacholczyk A. G. Astrophys. J., 1970, 161, p. L 207.

56.Ozernoy L. M., Sazonov V. N. Astrophys. Lett., 1971, 8, p. 231.

57.Bergeron J . , Salpeter E . E . Astrophys. Lett., 1971, 9, p. 121.

58.КапланС. А., Цытович В. H. Плазменная астрофизика. М., «Наука», 1972.

63

59.Sandage A. R., Luyten W. J . Astrophys. J., 1969, 148, p. 767.

60.Комберг Б. В., Озерной Л. М. Astrophys. and Space Sci., 1970, 6, p. 450.

61. Sandage A. R. Astrophys. J., 1965, 141, p. 1560.

62.Vaucouleurs G. de. Publ. Astron. Department Univ . of Texas, 1968, 4, p. 1.

63.Озерной Л. M. В кн.: Труды V Всесоюзной зимней школы по космофизике. Апатиты. 1968, с. 43.

64.Дибай Э. А. «Астрон. циркуляр АН СССР», 1968, № 481, с. 4.

65.Gunn J. Е. Astrophys. J., 1971, 164, p. L 113.

66.Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Релятивистская астрофизика. М., «Наука», 1967.

66a.Ozernoy L. М. Proc. First European Astronomical Conf. (Athens, 4—9 Sept. 1972). Springer Verlag, 1973,

67. Калмыков M., Поликарпов А. «Изв. Бълг . АН Сер. астрон.», 1967, 2,

с. 157.

68.Woltjer L. Nature, 1964, 201, 803.

69.Ulam S. M. e. a. Nature, 1964, 201, 1202.

72.Oort J . H. Pontificiae. Aead. Sci. Scripta Varia, 1971, No. 35, p. 321.

73.Гудзенко Л. И., Озерной Л. М. Чертопруд В. Е. «Астрон. ж.», 1968,

45, с. 492; 1971, 48 с. 472.

74.Kinman Т. D. е. a. Astrophys. J., 1968, 146, p. 964.

84.Озерной Л. M. «Астрон. циркуляр АН СССР», 1971, № 661, с. 4.

85.Mac Donald G. Н.( Kenderdine S., Neville А. С. Monthly Notices Roy. Astron. Soc. 1968. 138, p. 259.

86.Озерной Л. M. «Астрон. ж.», 1966, 43, с. 300.

94.Озерной Л. М. «Астрон. циркуляр АН СССР», 1970, № 581, с. 1.

95.Маркарян Б. Е. «Астрофизика», 1969, 5, с. 443.

96.Sargent W. L. W. Astrophys. J., 1970, 160, p. 405.

97. Morgan W. W. Proc. I A U Symp. No 44, Dordrecht-Holland, 1972.

98.Шкловский И. С. «Астрон. ж.», 1962, 39, с. 591.

99.Дибай Э. А., Проник В. И. «Астрон. ж.», 1967, 44, с. 952.

100.Озерной Л. М. «Астрон. ж.», 1970, 47, с. 265.

101.Шкловский И. С. «Астрон. ж.», 1972, 49, с. 233.

102.Chamaraux Р. е. a. Astron. and Astrophys., 1971, 8, p. 424.

103.Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. Изд. 5. М., «Наука», 1967.

64

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