книги из ГПНТБ / Шама Д.В. Современная космология

230 ГЛАВА 1-1

может находиться в среде, пронизанной ультрафиолето­ вым излучением звезд, спектры которых используются для изучения линий этой молекулы. В этом случае среда содержала бы, кроме атомов водорода, т а к ж е заметное число свободных протонов и электронов, что было бы очень существенно, так как протоны и электроны более эффективно возбуждают молекулы CN. Д е л о в том, что молекула CN имеет постоянный электрический дипольный момент, поэтому она сильнее взаимодействует с за­ ряженными частицами, такими, как протон и электрон, чем с незаряженным атомом водорода. Оказывается, что концентрация 1 протон/см3 была бы достаточна для объ­ яснения наблюдаемой степени возбуждения. Такая кон­ центрация в окрестностях звезды ÇOph была бы вполне приемлемой.

К счастью, есть хороший способ различить эти два возбуждающих механизма. Степень столкновительного возбуждения зависит от концентрации свободных прото­ нов и поэтому следует ожидать, что она существенно различна в разных областях Галактики. Напротив, воз­ буждение чернотельным излучением должно быть всюду одинаковым. В а ж н о поэтому определить степень возбуж­ дения CN в спектрах как можно большего числа звезд, расположенных в различных областях Галактики. Ре­ зультаты осуществления такой программы следующие.

да ÇOph. Клаузер разработал аппаратуру для циф­ рового суммирования слабых спектров по большому числу пластинок, сфотографированных на обсерватории

можно, что в каждом случае ощутимый вклад в возбуж­ дение вносят протоны и электроны, однако единообразие

Очень интересна т а к ж е возможность наблюдения по­ глощения молекулами CN, находящимися на втором вращательном уровне. Такие молекулы д о л ж н ы действо­

толота, Таддиуса и Клаузера позволили им оценить только верхний предел температуры излучения с длиной

Значения этих верхних пределов заставляют думать, что тот фон повышенной интенсивности в миллиметро­ вом диапазоне, который упоминался в этом разделе, не распространяется на всю Галактику, если только он не ограничен относительно узкими интервалами длин волн, которые не перекрывают относительно узкие области, включающие линии поглощения молекул. Другие наблю ­ дательные доводы против существования интенсивного потока'миллиметровых фотонов мы приведем в следую­ щей главе.

З а к л ю ч е н ие

Чернотельному излучению, если оно существует, при­ дается настолько большое значение, что необходимо рас­

из полученных свидетельств существования реликтового фона не избежало критики, но нужно согласиться, что взятые все вместе, они очень впечатляют. В этой книге при дальнейшем изложении мы будем принимать, что поле чернотельного излучения существует, одновременно признавая, что было бы весьма желательно иметь более определенное тому доказательство. Р е ш а ю щ и м и могут, вероятно, стать наблюдения в диапазоне миллиметровых

миллиметрового излучения, о которых раньше не подо­ зревали. Кроме того, чернотельное излучение могло сильно взаимодействовать с повторно нагретым межга­ лактическим газом (стр. 185), что должно сильно иска­ зить его спектр и вызвать значительную поляризацию. В ближайшем будущем мы можем ожидать многочис­ ленных исследований, направленных на решение этой проблемы.

Г Л А В А 15

А С Т Р О Ф И З И Ч Е С К И Е П Р О Я В Л Е Н И Я К О С М И Ч Е С К О Г О М И К Р О В О Л Н О В О Г О И З Л У Ч Е Н И Я

Введение

С точки зрения земной лаборатории З К — очень низ­ кая температура. Чтобы измерить ее, при наблюдениях микроволнового излучения приходится пользоваться для калибровки эталоном, погруженным в жидкий гелий. Однако с астрофизической точки зрения З К — это очень высокая температура. Универсальное поле чернотель­ ного излучения такой температуры всюду вносит в плот­ ность энергии вклад в Г эВ/см 3 . Как мы видели в гл. 2, как раз такую плотность имеют в нашей Галактике раз ­ личные виды энергии, возбуждающие межзвездную среду: свет звезд, космические лучи, магнитные поля и турбулентные газовые облака . Итак, д а ж е в Галактике космологическое фоновое излучение является во многих

В межгалактическом пространстве плотность энергии последних падает от 100 до 1000 раз, тогда как у чернотельной компоненты она продолжает оставаться 1 эВ/см 3 . Таким образом, вклад этой компоненты в плот­ ность энергии в межгалактическом пространстве должен

ного влияния поля микроволнового излучения на астро­ физические процессы, особенно если они происходят с участием частиц или излучений высоких энергий, ко­ торые могут взаимодействовать с микроволновыми

234 ГЛАВА 15

фотонами. Именно этот вопрос мы и будем изучать в настоящей главе. Хотя неизвестны эффекты, которые с определенностью следовало бы отнести на счет такого взаимодействия, можно сделать уверенные предсказания, поддающиеся проверке в будущих наблюдениях. В т о ж е время отсутствие какого бы то ни было заметного эффекта кладет верхний предел на температуру возмож­ ного универсального поля излучения 10 К.

Будет полезным перечислить следующие главные ха­

оценки удобно использовать при быстрых подсчетах эф­

Релятивистские электроны могут сталкиваться с мик­ роволновыми фотонами и передавать им свою энергию. В астрофизической литературе такой процесс называют обратным комптон-эффектом. Типичный фотон, испытав­ ший рассеяние, будет иметь энергию Е', равную

стр. 37). Рассмотрим теперь электроны, сннхротронное

мощность ее рентгеновского излучения находилась в со­ гласии с наблюдаемым рентгеновским фоном. О к а з ы ­ вается, обратный комптон-эффект и синхротронное излу­ чение — по существу один и тот ж е процесс излучения релятивистских электронов под воздействием электро­ магнитного поля, поэтому оба механизма приводят к од­ ной H той же скорости потерь энергии электронами при сравнимых плотностях энергии поля фотонов и магнит­ ного поля. Как мы видели, как раз такой случай и имеет место в нашей Галактике. Поток энергии наблюдаемого галактического радиофона должен быть того ж е по­ рядка, что и поток энергии рентгеновских лучей, испус­ каемых Галактикой; он составляет около 1 % от потока наблюдаемого рентгеновского фона.

Итак, предполагаемое чернотельное излучение прохо­ дит по этому тесту. Однако запас здесь не столь велик, как это может показаться, потому что потери энергии на излучение рентгеновских лучей пропорциональны числу комптоновских столкновений в единицу времени и, сле­ довательно, концентрации фотонов в поле чернотельного излучения, т. е. третьей степени температуры. Кроме того, если бы поле излучения имело более высокую тем­ пературу, то средняя энергия фотонов была бы больше; соответственно для создания рентгеновского излучения заданной мощности было бы достаточно электронов меньших энергий. Мы должны поэтому допустить, что число электронов в нашей Галактике растет с уменьше­

что и наблюдаемый рентгеновский поток, а это не согла­

из-за комптоновских столкновений с фотонами излучения

за счет чего электроны пополняют свою энергию. На ­

электронов (рис. 18) не показывает никаких признаков того, что происходят значительные потери энергии, по

20 миллионов лет. Это говорит нам, что такие электроны

Подобные соображения приобретают еще большую важность, когда мы применяем их для источника со зна­ чительным красным смещением г. Температура чернотельного излучения около источника была бы больше со­

будет нарушен, если только магнитное поле в радио­ галактиках ненамного сильнее, чем галактическое. В лю ­

жем, 4. При таком красном смещении время жизни элек­

стить, что имеется эволюционный рост мощности или числа источников с большим красным смещением.

Интересно т а к ж е рассмотреть вопрос о комптоновских столкновениях, которые могли бы происходить в межгалактическом пространстве. Чтобы оценить, какой при этом получается поток рентгеновского излучения, заметим, что длина пути вдоль луча зрения через всю Вселенную приблизительно в 105 раз больше, чем через Галактику. Поскольку ожидаемый поток галактических рентгеновских лучей составляет около 1 % от потока на­ блюдаемого рентгеновского фона, поток межгалактиче ­ ских электронов ~ І 0 _ 3 их потока в Галактике был бы достаточен, чтобы объяснить наблюдаемый рентгенов­ ский фон. Такое объяснение на первый взгляд выглядит привлекательным, потому что, как мы видели в гл. 10, межгалактический поток протонов космических лучей,

д о л ж н ы принять во внимание сами комптоновские по­

был бы слишком слабым, чтобы им можно было объяс­ нить наблюдаемый рентгеновский фон. Единственно, на что остается надеяться, что поток электронов, вырываю ­ щихся из радиогалактик и квазаров, значительно боль­ ше. Несомненно, в этих объектах больше релятивистских электронов, чем в типичных галактиках, однако таких

ланс. Остается, следовательно, возможным, но недока­ занным, что рентгеновский фон обусловлен обратным комптон-эффектом при столкновениях между межгалак ­ тическими релятивистскими электронами и фотонами чер­ нотельного поля излучения. В настоящий момент кажется более вероятным, что рентгеновский фон возникает в ос­ новном из-за обратного комптон-эффекта в радиоисточ­ никах с красными смещениями от 3 до 5.

Энергия столкновения такого энергичного фотона с

Это означает, что для земного наблюдателя протон кос­

все космические лучи образовывались в Галактике, мы

ческого потока космических лучей с более пологим спек­

в настоящий момент проводятся эксперименты, в кото­

роволновым излучением, это должно означать, что такие космические лучи ультравысоких энергий имеют время

АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ 239

жизни меньше 100 миллионов лет и поэтому не могут приходить с расстояния дальше, чем 100 миллионов све­ товых лет (скопление галактик в Деве удалено на рас­ стояние 30 миллионов световых лет) . С другой стороны, если будет найдено резкое поглощение, то это даст осно­ вание считать, что эти космические лучи приходят с го­ раздо более далеких расстояний.

действия с микроволновыми фотонами. Мы теперь не

и микроволновый фотон будут иметь одинаковую энер­

Космические у-лучи такой энергии и выше должны ис­ чезать, рождая при взаимодействии с микроволновыми фотонами электрон-позитронные пары.

Этот эффект велик. Поперечное сечение а для этого