книги из ГПНТБ / Гурзадян, Г. А. Вспыхивающие звезды

тивцой температуры звезды. При ТсИ = 5500 К, на­ пример, A/j составляет около 10% от полного количества

инфракрасных фотонов, при Т0[( = 3600 К - 1%, а при Те![ = 2800 К — меньше 0,2%.

Еще быстрее падает относительное количество ультра­ фиолетовых фотонов Nu (3000—3900 Ä) с уменьшением Гегг: отношение АД-/IV составляет около 3% у звезд G5, около 0,2% у звезд МО и 0,02% — у класса М5. Приве­ денные числовые данные Nß/N и Ny/N по некоторым соображениям следует считать нижними пределами их истинных значений.

Таким образом, в инфракрасной области спектра звезд поздних классов имеется такое количество фотонов, по сравнению с которыми количество фотонов в фотографи­ ческой и ультрафиолетовой областях составляют ничтож­ ную долю. Этот факт, довольно очевидный и хорошо из­ вестный, особо подчеркивается здесь в связи с тем, что при определенных условиях такой запас инфракрасных фото­ нов может быть использован для возбуждения оптической вспышки. Для этого достаточно иметь способ или механизм, сообщающий инфракрасным фотонам дополнительную энер­ гию, в результате чего они станут фотонами более высоких частот. Тогда достаточно осуществить переход пли транс­ формацию всего нескольких процентов инфракрасных фо­ тонов, чтобы вызвать усиление излучения в коротковол­ новой области спектра во много десятков и сотеп раз.

§ 3. ГИПОТЕЗА ТИЛНСФОГМЛЦНН ФОТОНОВ

В качестве такого механизма можно указать обратный комптон-эффект — неупругпе столкновения электронов с энергией, несколько превышающей собственную энер­ гию (Е )> тс1), с длинноволновыми фотонами. Такие электроны не являются тепловыми, но их нельзя считать и крайне релятивистскими, поэтому в дальнейшем их условно будем называть быстрыми электронами. Мы предполагаем, что в результате каких-то процессов такие электроны могут появляться над фотосферой спонтанно и практически внезапно, в чем и состоит сущность вспыш­ ки (см. гл. XIV). При этом для объяснения наблюдавше­ гося повышения блеска в коротковолновой области спект­ ра не требуется рождения новых световых фотонов. Весь избыток энергии в коротковолновой области спектра при­ обретается в результате перехода части инфракрасных фотонов фотосферы в область коротких волн, а дополни­ тельная энергия фотона берется за счет энергии быстрого электрона в виде комптоновских потерь.

Таким образом, если вокруг звезды мысленно разме­ стить оболочку или слой, состоящий из быстрых электро­ нов, то падающее со стороны фотосферы излучение с планковским распределением выйдет из внешней границы указанного слоя с совершенно другим спектральным рас­ пределением. В частности, максимум выходящего из такой среды излучения будет сильно смещен в сторону корот­ ких воли. Точный вид этого распределения может быть найден в результате решения уравнения переноса лу­ чистой энергии по среде быстрых электронов, что и будет сделано в главе іѴ. А сейчас вкратце остановимся на некоторых свойствах явления обратного комптон-эффекта

сфизической точки зрения.

Вдальнейшем, для краткости, предложенный меха­ низм возбуждения-вспышек у звезд будем называть «ги­ потезой быстрых электронов».

Г л а в а III

ОБРАТНЫЙ к о м п т о н -з ф ф е к т

§1. Столкновение фотона с тепловым электроном

Вобщем случае соударение фотона с тепловым элек­ троном кончается: а) изменением направления распро­ странения фотона; б) уменьшением его частоты.

Эффективность рассеяния фотона в направлении ср после встречи с тепловым электроном (рис. 7) одинакова для всех длин волн н дается выражением

Рис. 7. Столкновение фотона с тепловым электроном.

можем написать для объемного коэффициента рассеяния, рассчитанного па один электрон,

Соотношение ае называется формулой Томсона и ха­ рактеризует рассеяние фотонов на электронах. Иногда процесс называют томсоновский рассеянием, а аг — эф­ фективным сечением рассеяния, постояппым для всех

длин ноли — от радиодиапазоиа до у-лучей. В оптиче­ ском II раднодианазонах томсоновское рассеяние может иметь место только па свободных электронах. В случае у-лучей оно может иметь место как на свободных, так и на связанных с атомами и ионами электронах.

После каждого акта рассеяния фотона на тепловом электроне длина его увеличивается на величину

новская длина увеличивается с уменьшением длины вол­ ны. Так, например, для у-лучей (X <; 0,01 Â) она срав­

§ 2. Столкновение фотона с релятивистским электроном. Обратный ко.мптоп-эффект

Совершенно иначе обстоит дело прн столкновении фотона с релятивистским электроном. В этом случае про­ исходит существеыиое изменение частоты рассеянного после столкновения первичного фотопа.

Впервые задача о взаимодействии фотонов с реляти­ вистскими электронами была поставлена еще в тридцатых годах в связи с проблемой энергетических потерь косми­ ческих лучей при прохождении межзвездного простран­ ства в Галактике, заполненного в той или иной степени термическими фотонами звездного происхождения. Пер­ вые результаты при этом были получены Брейтом н Уелером [27], позже Фоллпиом [28], Донагуем [29], Фелтеном и Моррисоном [30]. Однако достаточно полно эта

Столкновение релятивистского электрона с фотоном, обладающим олень малой энергией по сравнению с энер­ гией самого электрона (hv Е), конлается тем, что элек­ трон ластъ своей энергии передает фотону. В результате электрон испытывает так называемые «комптоновские» потерн [32], а у фотона увеличивается энергия, т. е. повы­ шается частота. Происходит обратное тому, что мы имеем в случае классического эффекта Комптона, когда энергия фотона передается электрону. Поэтому рассмотренный

жения аг фотона по отношению к направлению движения электрона (рис. 8) и имеет следующий вид (см., например, [33]):

с a и а1обычными релятивистскими формулами аберрации света (штрихи обозначают данные величины в «неподвиж­ ной» системе отсчета, т. е. в системе, связанной с наблю­ дателем на Земле):

Из (3. 9) вытекает, в частности, что при значениях энер­ гии быстрых электронов ц — 3 угол а.\ будет достаточно мал. Это значит, что фотон после столкновения с электро­ ном будет распространяться с измененной частотой пре­ имущественно в направлении движения электрона.

Для тепловых фотонов и при энергии быстрых электро­

почти навстречу движению релятивистских электронов

идет о применении изложен­ ных соображений к условиям звездных фотосфер, то всегда

найдется определенное количество фотонов, для которых условие / (а, 1 будет выполняться. В этих случаях речь будет идти об «эффективном количестве быстрых электронов», или «эффективном потоке электронов», при­ нимающих участие в неупругих столкновениях.

Таким образом, соотношение между частотами фотона до столкновения с релятивистским электроном (ѵ0) и после него (ѵ) имеет следующий вид, по своей точности

Из этого соотношения следует, что всегда, пока выполняется условие Ііѵ тс2, рассеянный после

ГЛ. HI. ОБРАТНЫЙ КОМПТОН-ЭФФЕКТ

столкновения с быстрым электроном фотон будет в р,3 раз короле по длине, лом был он до столкновения.

Соотношение (3.12) мы буде.м использовать в наших дальнейших выкладках. Оно применимо до тех пор, пока энергия фотона не становится сравнимой с энергией элек­

с обылпой томсоновской формулой, поэтому в дальней­ шем в калестве эффективного селения при столкновении фотонов с релятивистскими или быстрыми электронами мы будем использовать величину, даваемую формулой (3.2).

§ 3. Двойной обратный комптон-эффект

При неупругом столкновении одного фотона с реля­ тивистским электроном возможно испускание двух и более фотонов приблизительно одинаковой энергии. В этом слулае рель идет о двойном, тронном и т. д. обратном комптон-эффекте.

Двойной комптон-эффект был предсказан теоретплески Гейтлером и Нордеймом [34]. По их оценке отноше­ ние эффективного селения рассеяния при двойном комптонэффекте оц к эффективному селению при нормальном комптон-эффекте ае должно быть порядка 1/137. Позднее, в результате детальных раслетов была найдена [35] для этого отношения велилина 0,4-10-4 в том слулае, когда

Возможность двойного коыптон-эффекта впервые была доказана экспериментальным путем Каванагом [36]. Он нашел при этом огц/сге — 10'4 — в хорошем согласии с теоретилееки предвылисленной велилиной. Таким обра­ зом, эффективное селение при двойном комптон-эффекте, а следовательно, при двойном обратном комптон-эффекте по крайней мере на три-летыре порядка меньше эффектив-

в условиях звездных атмосфер и, в частности, в процес­ сах возбуждения вспышек, двойной обратный комптонэффект не может играть сколько-нибудь заметной роли.

§ 4. Поляризация излучения

Рассеянное после столкновения с релятивистским электроном излучение — для краткости назовем его «из­ лучением комптоновского происхождения», или «комптоповским излучением» — будет обладать определенной направленностью. Оно будет сосредотачиваться в преде­ лах угла а ь зависящего от энергии электрона [і, вокруг направления движения электрона. При достаточно боль­ ших значениях [х величина а[ порядка

Из сказанного следует, что комптоновское излучение должно быть поляризованным. Действительно, как было показано Милбурном [37], степень поляризации при эле­ ментарном акте рассеяния может быть очень высокой — выше 60%.

Как увидим далее, все дополнительное излучение, испускаемое звездой во время вспышки, целиком имеет комптоновское происхождение. Тогда следует ожидать отличную от нуля поляризацию в свете вспыхнувшей звезды. Однако в силу изотропности распространения электронов и изотропности поля излучення по направле­ ниям степень наблюдаемой поляризации может быть не­ большой.

Задача о поляризации излучения при процессах, обусловленных обратным комптон-эффектом, была рас­ смотрена рядом теоретиков [211—215]. Особый интерес представляет случай изотропного распределения электро­ нов, рассмотренный Бонометто и др. [215]; оказывается, в этом случае выходящее из среды излучение будет депо­ ляризовано — до 50% в случае циркулярно-поляризо­ ванного излучення и до 75% — лииейно-полярпзован- ного, если первоначальное излучение поляризовано пол­ ностью. В случае, когда первоначальное излучение не поляризовано (например, фотосферное излучение звезды),

то выходящее из среды быстрых электронов излучение опять будет неполяризованным.

Несмотря ыа это, в определенных случаях, возможно, отличную от нуля поляризацию в свете вспыхнувшей звезды можно будет заметить (в особенности при слабых вспышках). В этом смысле проведение поляризационных наблюдений вспышек звезд, несмотря на их очевидные трудности [216, 217], следует считать более чем жела­ тельным.

§ 5. Быстрые электроны

Наблюдаемые особенности вспышек у вспыхивающих звезд могут быть объяснены, если допустить, что все до­ полнительное излучение, испускаемое звездой во время вспышки, имеет комптоновское происхождение. Более определенно это значит:

а) энергия излучения вспышки берется целиком за счет энергии релятивистских электронов;

б) само явление вспышки — быстрое и сильное повы­ шение яркости звезды — сводится к быстрому и интен­ сивному выделению или генерации релятивистских элек­ тронов над фотосферой звезды;

в) элементарным процессом вспышки является обрат­ ный комптои-эффект — неупругие столкновения инфра­ красных фотонов обычного фотосферного излучения звезды с релятивистскими электронами, вследствие чего и про­ исходит трансформация или дрейф инфракрасных фото­ нов в область фотонов большей энергии;

г) в видимой области спектра во время вспышки но­ вые фотоны практически не рождается; по существу, количество появившихся во время вспышки коротковол­ новых фотонов в точности компенсируется количеством ушедших в результате неупругих столкновений с электро­ нами инфракрасных фотонов фотосферы.

Далее, для объяснения наблюдаемых свойств вспы­ шек звезд, оказывается, достаточно иметь электроны, энергия которых лишь немного превышает собственную энергию электронов, т. е. когда ц — 2 — 3, Такие элек­ троны также являются релятивистскими. Однако в даль­ нейшем их будем называть «быстрыми электронами», имея в виду под этим релятивистские электроны с вполне

электронов, могут появляться над фотосферой на неко­ тором расстоянии от поверхности звезды. Сами электроны будут мчаться при этом практически со скоростью света. В то же время их движение будет контролироваться маг­ нитным полем звезды. Поскольку энергия быстрых элек­ тронов сравнительно невелика (.Е — 10° эВ), даже самые слабые магнитные поля на значительных расстояниях от поверхности звезды могут повлиять на их движение. При таких условиях всегда найдутся электроны, испытываю­ щие лобовую или почти лобовую встречу с исходящими из фотосферы фотонами; в этом случае будет достигнут макси­ мум эффективности явления обратного комптон-эффекта. Кроме того, оболочка из быстрых электронов, даже при наличии магнитного поля звезды, выполняющего «сдер­ живающую роль», так или иначе будет расширяться или удаляться от звезды значительно быстрее, чем это может иметь место в случае расширения любой газовой оболочки.

Облако или оболочка из быстрых электронов будет электрически нейтральной или почти нейтральной, по­ скольку в ней могут присутствовать протоны и другие ядра, никак не влияющие на процессы, связанные с обме­ ном энергии между быстрыми электронами и фотонами.