Astronet > Ot plazmy solnechnoi korony k plazme na neitronnyh zvezdah

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Ot plazmy solnechnoi korony k plazme na neitronnyh zvezdah

V.V.ZhELEZNYaKOV

Nizhegorodskii gosudarstvennyi universitet im. N.I. Lobachevskogo

Rassmotreno vzaimodeistvie izlucheniya na ciklotronnyh chastotah s plazmoi v razlichnyh astronomicheskih ob'ektah: v solnechnoi korone, na belyh karlikah i neitronnyh zvezdah. Pokazano, kak s uvelicheniem magnitnogo polya menyaetsya harakter etogo vzaimodeistviya i kak ono vliyaet na nablyudaemye spektry izlucheniya ukazannyh ob'ektov.

VVEDENIE
Ciklotronnyi mehanizm izlucheniya astrofizicheskoi plazmy

Neskol'ko desyatiletii v astrofizike shiroko ispol'zuetsya dlya interpretacii nablyudenii v radio-, opticheskom i rentgenovskom diapazonah tak nazyvaemoe magnitotormoznoe izluchenie relyativistskih elektronov. Eto izluchenie, voznikayushee pri dvizhenii elektronov v magnitnom pole, nazyvayut (v zavisimosti ot velichiny otnosheniya kineticheskoi energii elektrona $\mathcal{E}$ k ego energii pokoya $mc^2$ ) ciklotronnym pri $\mathcal{E}\ll mc^2$ , girosinhrotronnym pri $\mathcal{E}\approx mc^2$ i sinhrotronnym pri $\mathcal{E}\gg mc^2$ . Osobenno izvesten sinhrotronnyi mehanizm izlucheniya. On byl predlozhen K. Kipenhoierom dlya ob'yasneniya kosmicheskogo radioizlucheniya i poluchil glubokoe razvitie v rabotah V.L. Ginzburga i I.S. Shklovskogo. Harakternaya chastota, sootvetstvuyushaya maksimumu spektra sinhrotronnogo izlucheniya

$\omega\approx\omega_{B}\,\left(\frac{\mathcal{E}}{mc^{2}}\right)^2\,,$

za schet bol'shih znachenii relyativistskogo faktora $\mathcal{E}/mc^2\gg 1$ mozhet stat' mnogo bol'she elektronnoi girochastoty $\omega_{B}=eB/mc$ (zdes' e - zaryad elektrona, B - indukciya magnitnogo polya). Poetomu sinhrotronnyi mehanizm okazalsya v sostoyanii ob'yasnit' poyavlenie vysokochastotnogo izlucheniya v ob'ektah, imeyushih ves'ma slabye magnitnye polya: izlucheniya dalekih radiogalaktik, neteplovogo izlucheniya nashei Galaktiki, ostatkov vspyshek sverhnovyh zvezd. Etot mehanizm effektivno deistvuet v znamenitoi Krabovidnoi tumannosti - ostatke sverhnovoi 1054 goda, sozdavaya v nei nablyudaemoe radio-, opticheskoe i rentgenovskoe izluchenie. Sinhrotronnyi mehanizm ne ostaetsya bez raboty i v sil'nyh magnitnyh polyah. Tak, naprimer, opticheskoe i rentgenovskoe izluchenie pul'sara v Krabovidnoi tumannosti, po vsei veroyatnosti, predstavlyaet soboi sinhtrotronnoe izluchenie relyativistskih elektronov v moshnom magnitnom pole neitronnoi zvezdy - pul'sara.

Naryadu s sinhrotronnym v poslednee vremya vse bol'shee znachenie v astrofizike priobretaet ciklotronnyi mehanizm izlucheniya nerelyativistskih elektronov so skorostyami, malymi po sravneniyu so skorost'yu sveta c. Takie elektrony vrashayutsya v magnitnom pole s chastotoi $omega_{B}$ i dayut izluchenie na chastotah, blizkih k girochastote i ee garmonikam

$\omega\approx s\,\omega_{B}, \qquad s = 1, 2, \ldots$

V odnom i tom zhe magnitnom pole chastota ciklotronnogo izlucheniya mnogo men'she, chem chastota sinhrotronnogo izlucheniya. Poetomu ciklotronnoe izluchenie mozhet popadat' v radio-, opticheskuyu libo rentgenovskuyu chast' spektra lish' za schet vysokih znachenii magnitnogo polya v istochnikah izlucheniya. Poslednee uslovie srazu zhe ukazyvaet nabor ob'ektov, v kotoryh mozhet effektivno deistvovat' ciklotronnyi mehanizm izlucheniya - eto ob'ekty, obladayushie sil'nym magnitnym polem. Tak, v aktivnyh oblastyah solnechnoi korony i na magnitnyh Ap-zvezdah, gde velichina B dostigaet 10²-10⁴ Gs, chastota $\omega_{B}$ nahoditsya v radiodiapazone. Na magnitnyh belyh karlikah, gde pole dostigaet velichin 10⁷-10⁹ Gs, ciklotronnye effekty proyavlyayutsya v infrakrasnom (IK), opticheskom i ul'trafioletovom (UF) diapazonah. Nakonec, na neitronnyh zvezdah s B $\simeq$ 10¹¹-10¹³ Gs eti effekty budut harakterny dlya rentgenovskoi chasti spektra.

Nizhe my posledovatel'no rassmotrim ciklotronnye effekty v razlichnyh astronomicheskih ob'ektah, nachinaya s Solnca, sleduya cherez belye karliki k neitronnym zvezdam. Takoi perehod soprovozhdaetsya uvelicheniem magnitnogo polya na desyat' poryadkov. My pokazhem, kak etot rost menyaet harakter vzaimodeistviya izlucheniya s plazmoi na ciklotronnyh chastotah i kak eto vzaimodeistvie vliyaet na nablyudaemye spektry izlucheniya ukazannyh ob'ektov.

Mnogoobrazie ciklotronnyh effektov v astrofizicheskih ob'ektah zavisit glavnym obrazom ot znachenii treh parametrov: indukcii magnitnogo polya B, koncentracii plazmy N i ee temperatury T. Eti parametry opredelyayut dva vida kriteriev, ustanavlivayushih harakter vzaimodeistviya ciklotronnogo izlucheniya s plazmoi.

K pervomu tipu otnosyatsya kriterii, opredelyayushie rasprostranenie ciklotronnogo izlucheniya v plazme s magnitnym polem. Otmetim, chto v takoi plazme na lyuboi chastote mogut sushestvovat' elektromagnitnye volny dvuh vidov: obyknovennye i neobyknovennye (ih nazyvayut takzhe normal'nymi volnami, ili modami). Oni otlichayutsya skorost'yu rasprostraneniya i polyarizaciei (to est' harakterom izmeneniya elektricheskogo i magnitnogo polei v kazhdoi tochke prostranstva), ot kotoroi, v svoyu ochered', zavisit effektivnost' vzaimodeistviya izlucheniya s plazmoi.

Moshnost' ciklotronnogo izlucheniya v pustote menyaetsya primerno kak $\beta^{2s - 2}$ , nachinaya s pervoi garmoniki (zdes' $\beta$ - otnoshenie skorosti elektrona k skorosti sveta).

V dostatochno plotnoi plazme, dlya kotoroi vypolnen kriterii

$\frac{\omega_{p}^2}{\omega_{B}^2\beta_{T}}\geq 1$

$\omega_{p}=\sqrt{4\pi e^{2}N/m}$ - plazmennaya chastota, $\beta_{T}$ - otnoshenie teplovoi skorosti elektronov k skorosti sveta), normal'nye volny ellipticheski polyarizovany, prichem neobyknovennaya moda na pervoi garmonike, kak i obyknovennaya, vzaimodeistvuet s plazmoi ochen' slabo. Poetomu v plotnoi plazme imeet mesto effekt depressii izlucheniya na pervoi garmonike: ciklotronnoe izluchenie na chastote $\omega_{B}$ v $\beta_{T}^2$ raz slabee, nezheli v pustote. Na vysshih garmonikah effektivnost' ciklotronnogo izlucheniya i poglosheniya po-prezhnemu ubyvaet primerno po zakonu $\beta_{T}^{2s-2}$ .

Esli koncentraciya plazmy otnositel'no mala, a magnitnoe pole dostatochno veliko, to vypolnyaetsya kriterii razrezhennoi plazmy:

$\frac{\omega_{p}^2}{\omega_{B}^2\beta_{T}}\ll 1$

V razrezhennoi plazme polyarizaciya normal'nyh voln menyaetsya, effekt depressii ischezaet i neobyknovennaya moda na pervoi garmonike naibolee sil'no vzaimodeistvuet s plazmoi.

Nakonec, v sverhsil'nyh magnitnyh polyah, blizkih k kriticheskomu znacheniyu $B_cr\simeq 4\cdot$ 10¹³ Gs, dlya kotorogo $\hbar \omega_{B}=mc^2$ ( $\hbar$ - postoyannaya Planka), dazhe vakuum priobretaet specificheskie svoistva i stanovitsya pohozhim na anizotropnyi kristall: polyarizuetsya i namagnichivaetsya. V etoi neobychnoi srede, kak v nastoyashem kristalle, takzhe sushestvuyut obyknovennye i neobyknovennye volny. Mody namagnichennogo vakuuma lineino polyarizovany. Takaya polyarizaciya normal'nyh voln sohranyaetsya i v prisutstvii razrezhennoi plazmy pri uslovii

$\frac{\omega_{p}^2}{\omega_{B}^2\beta_{T}}\ll\frac{1}{45\pi} \frac{e^2}{\hbar c}\frac{B^2}{B^{2}_{cr}}\,.$

V etom sluchae effektivnost' ciklotronnogo vzaimodeistviya obeih mod s plazmoi primerno odinakova.

Harakter elementarnyh processov ciklotronnogo izlucheniya i poglosheniya v plazme opredelyaetsya drugim kriteriem. Eti processy celikom zavisyat ot raspredeleniya izluchayushih chastic (elektronov) po skorostyam (prezhde vsego poperechnym po otnosheniyu k magnitnomu polyu), kotoroe ustanavlivaetsya v osnovnom pod deistviem dvuh faktorov: mezhchastichnyh stolknovenii i izlucheniya. Poskol'ku effektivnost' ciklotronnogo vzaimodeistviya izlucheniya s plazmoi bystro padaet s rostom nomera garmoniki, naibolee sil'noe vliyanie na raspredelenie elektronov okazyvaet izluchenie na girochastote (tochnee, ta ego komponenta, kotoraya v sootvetstvii s privedennymi vyshe kriteriyami v teh ili inyh usloviyah vzaimodeistvuet s plazmoi luchshe vsego).

Esli vypolneno neravenstvo

$t_{\perp}\gg t_{\mbox{\rm st}}\,,$

gde $t_{\perp}$ - vremya ciklotronnogo vysvechivaniya poperechnoi energii elektrona, a $t_{st}$ - vremya svobodnogo probega mezhdu stolknoveniyami, to realizuetsya sluchai "stolknovitel'noi" plazmy. Za schet chastyh stolknovenii funkciya raspredeleniya elektronov podderzhivaetsya ravnovesnoi (maksvellovskoi) s nekotoroi temperaturoi, ne zavisyashei ot izlucheniya na girochastote. Za poglosheniem izlucheniya na pervoi garmonike prakticheski vsegda sleduet stolknovenie, v rezul'tate kotorogo energiya peredaetsya v teplovoe dvizhenie plazmy. Vozmozhen i obratnyi process - ispuskanie izlucheniya posle stolknovitel'nogo vozbuzhdeniya elektrona. Pri etom, naoborot, izluchaemaya energiya cherpaetsya iz teplovogo dvizheniya elektronov.

Perenos izlucheniya v protyazhennoi oblasti "stolknovitel'noi" plazmy zavisit ot ee opticheskoi tolshiny $\tau$ - otnosheniya lineinogo razmera oblasti k dline probega izlucheniya. Esli plazma opticheski tolstaya: $\tau \gg 1$ , to vse padayushee izvne izluchenie pogloshaetsya, a intensivnost' $I_{\omega}$ sobstvennogo izlucheniya, ispuskaemogo plazmoi v kazhdoi mode, sovpadaet s intensivnost'yu izlucheniya absolyutno chernogo tela $B_{\omega}(T)$ s temperaturoi, ravnoi kineticheskoi temperature plazmy T:

$I_{\omega}\approx B_{\omega}(T)\equiv \frac{\hbar \omega^{3}}{8\pi^{3} c^{2}}\frac{1}{\exp (\hbar \omega /kT)-1}\,.$

Zdes' $\omega$ - chastota izlucheniya, k - postoyannaya Bol'cmana. Privedennaya formula, nazyvaemaya zakonom Planka, zapisana dlya sluchaya, kogda pokazatel' prelomleniya elektromagnitnyh voln blizok k edinice. V protivopolozhnom predel'nom sluchae opticheski tonkogo istochnika $\tau \ll$ 1 padayushee izluchenie prohodit cherez plazmu prakticheski bez poglosheniya, intensivnost' sobstvennogo izlucheniya plazmy v etom sluchae $I_{\omega}\ll B_{\omega}(T)$ .

V obratnom sluchae "besstolknovitel'noi" plazmy

$t_{\perp}\ll t_{\mbox{\rm st}}\,,$

naoborot, poperechnoe raspredelenie elektronov ustanavlivaetsya v rezul'tate processov poglosheniya i ispuskaniya ciklotronnogo izlucheniya na pervoi garmonike, cepochka kotoryh lish' izredka preryvaetsya stolknoveniyami. Teper' uzhe poperechnaya temperatura $T_{\perp}$ opredelyaetsya ne stolknoveniyami, a intensivnost'yu izlucheniya na pervoi garmonike. Osnovnym radiacionnym processom v dannom sluchae yavlyaetsya rezonansnoe ciklotronnoe rasseyanie na pervoi garmonike, kotoroe sostavlyayut posledovatel'nye processy poglosheniya i ispuskaniya. Pri etom menyayutsya napravlenie rasprostraneniya izlucheniya i ego chastota. Lish' izredka pogloshennyi foton gibnet za schet stolknoveniya, perehvatyvayushego energiyu vozbuzhdennogo elektrona. Dolya takih sluchaev (ravno kak i obratnyh processov rozhdeniya fotonov za schet stolknovitel'nogo vozbuzhdeniya) sostavlyaet $\epsilon = t_{\perp} / t_{st} \ll 1$ . Chto kasaetsya vysshih garmonik, to ih vliyanie na poperechnoe raspredelenie elektronov prenebrezhimo malo. Oni vzaimodeistvuyut s plazmoi posredstvom processov istinnogo poglosheniya i ispuskaniya pri zadannoi temperature $T_{\perp}$ .

Perenos ciklotronnogo izlucheniya v odnorodnom sloe "besstolknovitel'noi" plazmy s sil'nym rasseyaniem na girochastote mozhno naglyadno predstavit' kak sluchainye bluzhdaniya fotonov. Proidya rasstoyanie, dlya kotorogo $\tau \approx$ 1, foton pervoi garmoniki rasseivaetsya i nachinaet dvigat'sya v drugom napravlenii. Ispytav primerno $\epsilon^{-1}$ rasseyanii, on gibnet v rezul'tate istinnogo poglosheniya. Rasstoyanie, proidennoe fotonom vo vremya sluchainyh bluzhdanii, zavisit ot chisla shagov n kak $\sqrt{n}$ . Poetomu velichina $\tau_{\mbox{\rm term}} \approx 1/\sqrt{\epsilon}$ sootvetstvuet opticheskoi tolshine, na kotoroi proishodit "termalizaciya" izlucheniya - istinnoe pogloshenie fotonov s peredachei ih energii v teplovoe dvizhenie plazmy i obratnyi process teplovogo izlucheniya. Esli rasseivayushii sloi opticheski tonkii $\tau \ll$ 1, to ego vliyanie na izluchenie prenebrezhimo malo. Esli 1 $\ll \tau \ll t_{\mbox{\rm term}}$ , to termalizaciyu mozhno ne uchityvat'. Prohodya cherez takoi sloi, izluchenie oslablyaetsya za schet rasseyaniya primerno v $\tau$ raz. Nakonec, esli $\tau \gg \tau_{\mbox{\rm term}}$ 1 , to vse padayushee izluchenie pogloshaetsya plazmoi, a intensivnost' vyhodyashego izlucheniya $\sqrt{\epsilon B_{\omega}(T)\,}$ zavisit tol'ko ot parametrov samoi plazmy.

Izluchenie na vysshih garmonikah i v toi mode pervoi garmoniki, kotoraya slabo vzaimodeistvuet s plazmoi, perenositsya tak zhe, kak v stolknovitel'noi plazme s temperaturoi $T_{\perp}$ .

Besstolknovitel'naya plazma v namagnichennom vakuume otlichaetsya ot rassmotrennyh sluchaev tem, chto izluchenie v obeih modah na pervoi garmonike sushestvenno vliyaet na poperechnuyu temperaturu elektronov. Eto privodit k svoeobraznomu effektu konversii mod, kogda, naprimer, pogloshenie obyknovennogo izlucheniya soprovozhdaetsya ispuskaniem neobyknovennogo, tak chto pri rasseyanii energiya peredaetsya ot odnoi normal'noi volny k drugoi.

Provedennyi vyshe kachestvennyi analiz pozvolit ponyat' osobennosti deistviya ciklotronnogo mehanizma izlucheniya v razlichnyh astrofizicheskih ob'ektah, k rassmotreniyu kotoryh my seichas i perehodim. Bolee podrobno o teorii vzaimodeistviya izlucheniya s plazmoi i o ee konkretnyh prilozheniyah v astrofizike sm. [1].

Ciklotronnoe izluchenie iz aktivnyh oblastei na solnce

Astrofizicheskie aspekty ciklotronnogo mehanizma stali obsuzhdat'sya (esli ne govorit' o eshe bolee rannih popytkah) v nachale 60-h godov v svyazi s obnaruzheniem decimetrovogo radioizlucheniya Yupitera, a takzhe s cel'yu ob'yasnit' proishozhdenie sporadicheskogo radioizlucheniya Solnca. Pervaya gipoteza nuzhdalas' v magnitnyh polyah okolo tysyachi gauss. V te gody velichina magnitnogo polya Yupitera byla neizvestna. Pozdnee pryamymi izmereniyami bylo ustanovleno, chto magnitnoe pole Yupitera sostavlyaet lish' desyatki gauss. Eto obstoyatel'stvo sdelalo nereal'nym predpolozhenie o ciklotronnom mehanizme decimetrovogo izlucheniya Yupitera. Vpolne vozmozhno, odnako, chto bolee nizkochastotnoe (dekametrovoe) radioizluchenie Yupitera v konechnom schete obuslovleno ciklotronnym mehanizmom, odnako detal'naya kartina processov generacii dekametrovogo radioizlucheniya ostaetsya neyasnoi. Aktivnye issledovaniya v etom napravlenii prodolzhayutsya do sih por.

Pervoe uspeshnoe primenenie v astrofizike ciklotronnyi mehanizm nashel v teorii medlenno menyayusheisya komponenty (s-komponenty) solnechnogo radioizlucheniya [2]. Eta komponenta izluchaetsya iz aktivnyh oblastei nizhnei korony i hromosfery, svyazannyh s solnechnymi pyatnami. Soglasno teorii, mikrovolnovoe izluchenie s dlinoi volny $\lambda \approx$ 1-30 sm predstavlyaet soboi ciklotronnoe izluchenie na nizshih garmonikah girochastoty. Ono voznikaet v neodnorodnom magnitnom pole nad solnechnymi pyatnami v tak nazyvaemyh girorezonansnyh sloyah, gde $\omega = 2\pi c /\lambda \approx \omega_{B} / s$ . Sloi, sootvetstvuyushie bol'shim garmonikam pri fiksirovannoi chastote $\omega$ , lezhat vyshe, v oblasti bolee slabogo magnitnogo polya (ris. 1).

Ris. 1. Raspolozhenie girorezonansnyh sloev v aktivnoi oblasti na Solnce

S uvelicheniem chastoty vsya sistema girorezonansnyh sloev peremeshaetsya vniz, k solnechnoi fotosfere, gde magnitnoe pole sil'nee.

Plazma v aktivnoi oblasti nad pyatnom "plotnaya" i "stolknovitel'naya". Pogloshenie ciklotronnogo izlucheniya pri prohozhdenii skvoz' girorezonansnyi sloi harakterizuetsya opticheskoi tolshinoi $\tau_s$ . V konkretnyh usloviyah solnechnoi korony i hromosfery $\tau_s \gg$ 1 dlya s = 1, 2, 3 na neobyknovennyh volnah i s = 1, 2 na obyknovennyh volnah [1], [2]. Naprotiv, sloi s bol'shimi s, kak pravilo, prozrachny dlya radiovoln ( $\tau_s \ll$ 1). Slabo pogloshaya i izluchaya, oni ne dayut zametnogo vklada v nablyudaemoe radioizluchenie.

Model' opticheski tolstyh girorezonansnyh sloev nad solnechnymi pyatnami lezhit v osnove teorii, dayushei edinoe ob'yasnenie spektra, polyarizacii i raspredeleniya radioyarkosti po istochniku s-komponenty. Takie sloi polnost'yu pogloshayut vse radioizluchenie, kotoroe podhodit k nim snizu, so storony Solnca, i ispuskayut ravnovesnoe izluchenie s temperaturoi, ravnoi kineticheskoi temperature plazmy v girorezonansnom sloe. Ego spektral'naya intensivnost' (v oblasti chastot $\hbar \omega \ll kT$ ) opredelyaetsya zakonom Releya-Dzhinsa

$I_{\omega} \approx B_{\omega}(T)\approx \frac{\omega^{2}kT}{8\pi^{3} c^2}\,.$

Na nizkih chastotah $\omega$ < $\omega_{max}$ , dlya kotoryh effektivno izluchayushie sloi s = 2, 3 nahodyatsya v goryachei korone s temperaturoi T $\approx$ 10⁶ K, intensivnost' $I_{\omega} \approx B_{\omega}(T)\propto \omega^{2}$ i ubyvaet po mere umen'sheniya chastoty. V intervale $\omega$ > $\omega_{max}$ girorezonansnye sloi opuskayutsya v hromosferu. Etot perehod soprovozhdaetsya rezkim umen'sheniem kineticheskoi temperatury T v izluchayushih sloyah. Sootvetstvenno ubyvaet i velichina $I_{\omega} \approx B_{\omega}(T)\propto \omega^{2}T$ nesmotrya na rost $\omega^{2}$ . V rezul'tate chastotnyi spektr ciklotronnogo izlucheniya nad pyatnom $I_{\omega}(\omega)$ . imeet maksimum na chastote $\omega_{max}$ . (raznoi dlya raznyh tipov voln). Imenno na etoi chastote effektivno izluchayushie sloi s = 2 (dlya obyknovennoi volny) i s = 3 (dlya neobyknovennoi volny) peresekayut "granicu" mezhdu fotosferoi i koronoi. Izluchenie iz nizhelezhashih girorezonansnyh sloev sil'no pogloshaetsya v ukazannyh sloyah s = 2, 3 i ne mozhet nablyudat'sya na Zemle. Zametim, chto po velichine $\omega_{max}$ . v spektre nablyudaemogo izlucheniya lokal'nyh istochnikov na Solnce mozhno sudit' o velichine magnitnogo polya na "granice" mezhdu koronoi i hromosferoi.

Chto kasaetsya polyarizacii ciklotronnogo izlucheniya, to ona poyavlyaetsya v diapazone $\omega$ > $\omega_{max}$ i otsutstvuet na chastotah $\omega$ < $\omega_{max}$ . Delo v tom, chto na nizkih chastotah sloi s = 2 i s = 3, otvetstvennye za izluchenie obyknovennyh i neobyknovennyh voln, nablyudaemyh s Zemli, raspolagayutsya vysoko, v korone s bolee ili menee odnorodnym raspredeleniem temperatury. Poetomu intensivnost' izlucheniya iz oboih sloev odinakova, to est' izluchenie nepolyarizovano. Naprotiv, na vysokih chastotah girorezonansnye sloi s = 2 i 3 opuskayutsya vniz, v perehodnuyu oblast' mezhdu hromosferoi i koronoi, gde temperatura rezko menyaetsya s vysotoi. Raznost' temperatur v sloyah s = 2 i s = 3 privodit k sravnitel'no sil'noi polyarizacii ciklotronnogo izlucheniya s preobladaniem neobyknovennoi komponenty, kotoraya ispuskaetsya iz bolee vysoko raspolozhennogo sloya s = 3, gde temperatura plazmy bol'she.

Ukazannyi harakter chastotnogo spektra i polyarizacii s-komponenty horosho podtverzhdaetsya mnogochislennymi nablyudeniyami. Razvitaya teoriya pozvolila predskazat' takie tonkie effekty, kak obnaruzhennoe vposledstvii umen'shenie intensivnosti izlucheniya v seredine solnechnogo pyatna. Vskore posle razrabotki teorii ciklotronnogo izlucheniya s-komponenty bylo ukazano na sravnitel'no vysokie znacheniya magnitnyh polei na granice mezhdu hromosferoi i koronoi, poluchennye po velichine $\omega_{max}$ v nablyudaemyh spektrah s-komponenty. Otsyuda byl sdelan vyvod o progreve hromosfery nad solnechnymi pyatnami i o sootvetstvuyushem opuskanii vniz ukazannoi granicy. V nastoyashee vremya teoriya ciklotronnogo izlucheniya shiroko ispol'zuetsya dlya polucheniya informacii o raspredelenii temperatury i magnitnyh polei v aktivnyh oblastyah solnechnoi korony i verhnei hromosfery po dannym nablyudenii lokal'nyh istochnikov. Takie nablyudeniya vedutsya, naprimer, v Rossii na teleskope RATAN-600 i v SShA na antennoi sisteme VLA. Sopostavlenie teorii s rezul'tatami nablyudenii oblegchaetsya blagodarya detal'nym raschetam harakteristik ciklotronnogo i tormoznogo izlucheniya dlya razlichnyh modelei aktivnyh oblastei nad pyatnami i flokkulami.

Teoriya teplovogo ciklotronnogo izlucheniya, razvitaya v primenenii k Solncu, ispol'zuetsya (bez sushestvennyh izmenenii) i dlya ob'yasneniya radioizlucheniya vspyhivayushih zvezd tipa UV Kita v period otsutstviya vspyshek. Eto izluchenie po analogii s s-komponentoi na Solnce ob'yasnyaetsya kak ciklotronnoe izluchenie elektronov v magnitnom pole zvezdnyh pyaten.

Polosy ciklotronnogo poglosheniya i izlucheniya v spektrah magnitnyh belyh karlikov

Po velichine magnitnogo polya (do 10⁷-10⁹ Gs) magnitnye belye karliki zanimayut promezhutochnoe polozhenie mezhdu magnitnymi Ar-zvezdami (s polyami 10³-10⁴ Gs) i neitronnymi zvezdami. V takih polyah ciklotronnye chastoty lezhat v IK-, opticheskom ili dazhe UF-diapazonah. Neudivitel'no poetomu, chto obnaruzhennye v spektrah nekotoryh magnitnyh belyh karlikov sil'nye linii i polosy poglosheniya (ris. 2) [3],[4] srazu zhe byli svyazany s ciklotronnymi effektami. K tomu zhe u zvezd tipa magnitnyh belyh karlikov bylo otkryto rentgenovskoe izluchenie, chto ukazyvaet na prisutstvie v okrestnosti etih zvezd goryachei plazmy s temperaturoi T do 10⁶-10⁷ K (kak u bol'shinstva izvestnyh zvezdnyh koron i solnechnoi korony).

Ris. 2. Spektry opticheskogo izlucheniya magnitnyh belyh karlikov [3], [4]: G240-72 (a); GD229 (b)

Blagodarya bol'shoi sile tyazhesti na poverhnosti belogo karlika (s massoi poryadka massy Solnca i radiusom, sravnimym s radiusom Zemli) koronal'naya plazma prizhata k zvezde, okruzhaya ee tonkim sloem vysotoi ne bolee neskol'kih desyatkov kilometrov. Esli elektronnaya koncentraciya N v etom sloe prevyshaet 10¹⁴-10¹⁵ sm^-3, to svoistva plazmy na belyh karlikah, obladayushih magnitnymi polyami 10⁷-10⁸ Gs, nichem ne otlichayutsya ot plazmy v solnechnoi korone i koronah Ar-zvezd. Processy ciklotronnogo izlucheniya i poglosheniya analiziruyutsya v etih usloviyah dostatochno prosto, poskol'ku blagodarya chastym stolknoveniyam mezhdu chasticami raspredelenie izluchayushih elektronov sohranyaetsya izotropnym maksvellovskim. V spektrah zvezd na garmonikah, dlya kotoryh plazma opticheski tolstaya, voznikayut polosy v izluchenii, gde intensivnost' podnimaetsya ot fotosfernoi I_fot $_{\omega} \approx B_{\omega}$ (T_fot) s temperaturoi T_fot $\approx$ (2-5) $\cdot$ 10⁴ K do urovnya teplovogo izlucheniya korony $B_{\omega}$ (T ) s temperaturoi T $\gg$ T_fot . Shirina polos opredelyaetsya neodnorodnost'yu magnitnogo polya po poverhnosti zvezdy. Esli, naprimer, magnitnoe pole zvezdy sovpadaet s polem magnitnogo dipolya, raspolozhennogo v ee centre, to indukciya magnitnogo polya umen'shaetsya vdvoe ot magnitnogo polyusa k ekvatoru zvezdy.

Situaciya stanovitsya sovsem inoi, esli korona magnitnogo belogo karlika bolee razrezhena (N < 10¹⁴-10¹⁵ sm^-3) i v nei realizuetsya besstolknovitel'nyi predel. Sil'noe ciklotronnoe rasseyanie v etom sluchae privodit k rezkoi anizotropii temperatur: poperechnaya po otnosheniyu k magnitnomu polyu temperatura T $_{\perp}$ mozhet stat' mnogo men'she "prodol'noi" temperatury T_|| i opustit'sya dazhe nizhe temperatury fotosfery. Takoi sluchai realizuetsya, esli sobstvennoe izluchenie koronal'noi plazmy dostatochno malo. Prisutstvie "holodnoi" po poperechnym skorostyam plazmy, okruzhayushei belyi karlik, ob'yasnyaet poyavlenie v spektre nepreryvnogo izlucheniya ego fotosfery provalov, sootvetstvuyushih ciklotronnym liniyam v pogloshenii. Poskol'ku magnitnoe pole neodnorodno po poverhnosti zvezdy, eti linii razmazyvayutsya v dovol'no shirokie polosy. Esli zhe opticheskaya tolshina korony dostatochno velika, ciklotronnoe izluchenie "besstolknovitel'noi" korony mozhet nablyudat'sya i v vide izbytka nad urovnem intensivnosti fotosfery. Tak, naprimer, ciklotronnoe izluchenie goryachei koronal'noi plazmy vokrug magnitnogo belogo karlika GR290 s B $\approx$ 2,5 $\cdot$ 10⁷ Gs i T_fot 5,7 $\cdot$ 10³ K dolzhno proyavlyat'sya v vide emissionnoi polosy v IK-diapazone, kuda popadaet girochastota, uzhe pri plotnostyah plazmy N $\geq$ 10¹¹ sm^-3. Rentgenovskoe izluchenie stol' razrezhennoi korony lezhit daleko za predelami poroga chuvstvitel'nosti sushestvuyushih (i dazhe stroyashihsya) rentgenovskih teleskopov. Takim obrazom, ciklotronnoe izluchenie okazyvaetsya unikal'nym po effektivnosti indikatorom plazmy na magnitnyh belyh karlikah.

Pomimo sravnitel'no tonkih koron, struktura kotoryh opredelyaetsya silami tyazhesti i gazokineticheskogo davleniya, na goryachih magnitnyh belyh karlikah mogut formirovat'sya protyazhennye (s razmerom poryadka radiusa zvezdy) plazmennye obolochki, podderzhivaemye siloi davleniya izlucheniya fotosfery na ciklotronnoi chastote. Takie ob'ekty nazyvayutsya radiacionnymi diskonami (sm. [1]). Issledovaniya pokazali, chto v sluchae, kotoryi realizuetsya na diskonah, girorezonansnyi sloi na pervoi garmonike propuskaet primerno polovinu izlucheniya v neobyknovennoi mode, effektivno vzaimodeistvuyushei s plazmoi, v to vremya kak obyknovennaya komponenta besprepyatstvenno prohodit plazmennyi sloi. V rezul'tate v spektre diskona formiruetsya polosa v pogloshenii na urovne okolo 75% ot intensivnosti izlucheniya fotosfery. Vozmozhno, imenno tak voznikayut polosy depressii v UF-spektrah belyh karlikov s sil'nym magnitnym polem GD229, PG1031 + 234 i GrW + 70° 8247 - kandidatov v radiacionnye diskony.

Bolee detal'nye zaklyucheniya o plotnosti plazmy vokrug magnitnyh belyh karlikov i o haraktere ee raspredeleniya po poverhnosti zvezdy mozhno poluchit' putem sopostavleniya nablyudaemyh infrakrasnyh, opticheskih i ul'trafioletovyh spektrov s rezul'tatami strogih raschetov na osnove razvitoi teorii vzaimodeistviya izlucheniya s plazmoi v sil'nyh magnitnyh polyah. Takie raschety vedutsya v nastoyashee vremya. Uspeha v etom napravlenii mozhno dostich' sovershenstvuya kak metody rascheta ciklotronnyh spektrov, tak i modeli atmosfer magnitnyh belyh karlikov.

Ciklotronnye linii v spektre rentgenovskih pul'sarov i istochnikov gamma-vspleskov

Stalo obsheprinyatym predstavlenie o tom, chto rentgenovskie pul'sary svyazany s neitronnymi zvezdami. Argumentom v pol'zu takoi svyazi dlya rentgenovskih pul'sarov sluzhat malyi period sledovaniya impul'sov izlucheniya i isklyuchitel'no vysokie znacheniya magnitnogo polya B v istochnike, harakternye dlya neitronnyh zvezd. Konkretnye znacheniya B $\approx$ 4 $\cdot$ 10¹² i 2 $\cdot$ 10¹² Gs byli opredeleny po chastotam ciklotronnyh linii rentgenovskih pul'sarov Her X-1 i 4U0115-69 [5], [6]. Odin iz primerov takih spektrov predstavlen na ris. 3.

Ris. 3. Spektr rentgenovskogo pul'sara Her X-1 [5]. Krasnaya krivaya predstavlyaet soboi approksimaciyu eksperimental'nyh dannyh, pokazannyh sinimi krestami. Razmery krestov ukazyvayut pogreshnosti izmerenii: gorizontal'nyi - energii fotonov, vertikal'nyi - spektral'nogo potoka izlucheniya. V vysokochastotnoi chasti spektra, gde nablyudeniya ustanavlivayut lish' verhnii predel rentgenovskogo potoka, prinyataya approksimaciya ne pretenduet na osobuyu tochnost'

Gipoteza o nalichii ciklotronnyh osobennostei v spektrah rentgenovskih pul'sarov byla vydvinuta Yu.N. Gnedinym i R.A. Syunyaevym [7] eshe do obnaruzheniya takih linii v izluchenii rentgenovskih istochnikov.

Neitronnye zvezdy - rentgenovskie pul'sary vhodyat v sostav dvoinyh sistem. Vtoraya komponenta takoi sistemy sluzhit istochnikom veshestva, postupayushego na poverhnost' neitronnoi zvezdy. Sil'noe magnitnoe pole napravlyaet potok veshestva na magnitnye polyusy. Tam obrazuyutsya goryachie polyarnye pyatna, sostoyashie iz plazmy, razogretoi do temperatury T $\approx$ 10⁸ K. Ona i sluzhit istochnikom rentgenovskogo izlucheniya, kotoroe pri nablyudenii iz Solnechnoi sistemy priobretaet pul'siruyushii harakter vsledstvie vrasheniya neitronnoi zvezdy.

Esli korony obychnyh zvezd i belyh karlikov zapolneny klassicheskoi plazmoi, to na neitronnyh zvezdah blagodarya isklyuchitel'no vysokim znacheniyam magnitnyh polei plazma mozhet stat' "kvantovannoi": v takoi plazme $\hbar \omega_{B} > kT_{\perp}$ , a sam vakuum priobretaet otchetlivo vyrazhennyi polyarizovannyi i namagnichennyi harakter. Sleduet takzhe otmetit', chto v goryachei plazme na neitronnyh zvezdah vsledstvie ves'ma redkih stolknovenii mezhdu chasticami perehody elektronov s odnogo urovnya Landau na drugoi imeyut v osnovnom radiacionnyi harakter. Pri etom pogloshenie kvanta $\hbar \omega \approx \hbar \omega_{B}$ elektronom (s perehodom na bolee vysokii uroven' energii) soprovozhdaetsya obratnym perehodom v prezhnee sostoyanie, kak pravilo, s izlucheniem kvanta $\hbar \omega$ , no uzhe v drugom napravlenii. V celom eti dva radiacionnyh perehoda mozhno traktovat' kak ciklotronnoe rasseyanie v linii $\omega \approx \omega_{B}$ . Vdali ot girochastoty rasseyanie stanovitsya nerezonansnym (tomsonovskim).

Predpolozhenie o klyuchevoi roli rasseyaniya v formirovanii spektrov rentgenovskih pul'sarov leglo v osnovu modeli izotermicheskogo goryachego pyatna, ob'yasnyayushei poyavlenie ciklotronnyh linii. V etom sluchae koncentraciya plazmy menyaetsya po barometricheskomu zakonu N $\propto$ exp(-h / h₀) s privedennoi vysotoi h₀ $\approx$ 10² sm (dlya T $\approx$ 10⁸ K). Kak pokazyvaet analiz, intensivnost' ciklotronnogo izlucheniya iz takoi atmosfery

$I_{\omega} \approx M_{B}^{1/3}B_{\omega}(T)$

(gde parametr $M_{B}=\epsilon /\tau \ll 1$ ), to est' ona mala po sravneniyu s ravnovesnoi intensivnost'yu $B_{\omega}(T)$ . Na chastotah vdali ot girochastoty wB rasseyanie izlucheniya perestaet byt' rezonansnym i ego effektivnost' sil'no umen'shaetsya. Pri etom velichina sootvetstvuyushego parametra M_T , kotoryi opredelyaetsya otnositel'noi rol'yu tormoznogo poglosheniya (za schet stolknovenii mezhdu chasticami) po sravneniyu s nerezonansnym rasseyaniem, rezko vozrastaet (M_B $\ll$ M_T $\ll$ 1). Poetomu v vyhodyashem izluchenii na fone nepreryvnogo spektra, uzhe oslablennogo vsledstvie tomsonovskogo rasseyaniya, voznikaet ciklotronnaya liniya v pogloshenii. Otmetim, chto velichina temperatury plazmy T $\approx$ 10⁸ K v rassmatrivaemoi modeli rentgenovskogo pul'sara vybiraetsya tak, chtoby forma teoreticheskogo spektra izlucheniya v kontinuume sootvetstvovala nablyudaemomu.

Teper' o kosmicheskih gamma-vspleskah. Eto zagadochnoe yavlenie podrobno obsuzhdalos' v stat'e [8]. Vazhneishimi voprosami v ponimanii prirody vspleskov yavlyayutsya tip ih istochnika i rasstoyanie do nego. Vo vtoroi polovine 80-h godov detektorami gamma-vspleskov na yaponskom sputnike "Ginga" byli zaregistrirovany tri sluchaya, kogda v spektrah vspleskov nablyudalis' dve linii v pogloshenii na kratnyh chastotah. Oni srazu zhe byli interpretirovany kak ciklotronnye linii na pervoi i vtoroi garmonikah girochastoty v magnitnom pole B $\approx$ 2 $\cdot$ 10¹²Gs. Takoe ob'yasnenie svyazyvalo istochniki vspleskov s magnitnymi neitronnymi zvezdami. Vazhno otmetit', chto uroven' izlucheniya na vtoroi i bolee vysokih garmonikah zavisit ot intensivnosti izlucheniya na girochastote. Eto daet vozmozhnost' rasschitat' absolyutnoe znachenie urovnya izlucheniya v istochnike. Sravnivaya ego s nablyudaemym, mozhno opredelit' rasstoyanie do istochnika. Soglasno nashim raschetam, istochniki vspleskov, zaregistrirovannye sputnikom "Ginga", dolzhny raspolagat'sya v diske nashei Galaktiki.

Zaklyuchenie

Istoriya issledovanii ciklotronnogo mehanizma izlucheniya, vvedennogo v astrofiziku bolee 30 let nazad, naglyadno demonstriruet tu vazhnuyu rol', kotoruyu on igraet v kosmicheskih ob'ektah s sil'nym magnitnym polem. Izuchenie ciklotronnyh processov na Solnce pozvolilo razrabotat' teoriyu mikrovolnovogo izlucheniya lokal'nyh istochnikov, kotoraya shiroko primenyaetsya dlya ob'yasneniya radioastronomicheskih nablyudenii i polucheniya svedenii o temperature i magnitnyh polyah v aktivnyh oblastyah solnechnoi korony i hromosfery, a takzhe ukazat' na real'nuyu vozmozhnost' registracii ciklotronnyh linii v spektre solnechnogo radioizlucheniya (etot vopros vyhodit za ramki stat'i). V poslednie gody predlozheno ob'yasnenie ciklotronnyh linii i polos, obnaruzhennyh v opticheskih spektrah magnitnyh belyh karlikov, osnovannoe na analize vzaimodeistviya izlucheniya s goryachei plazmoi na etih zvezdah. V processe takogo analiza byla razvita teoriya ih koron, sostoyashih iz "besstolknovitel'noi" plazmy s rezkoi anizotropiei temperatur. V ramkah prostyh modelei izluchayushei oblasti byli ustanovleny takzhe prichiny formirovaniya ciklotronnyh linii v spektre rentgenovskih pul'sarov i linii na kratnyh chastotah v spektre kosmicheskih gamma-vspleskov (esli poslednie generiruyutsya na neitronnyh zvezdah). Vmeste s tem astrofizicheskie prilozheniya ciklotronnogo mehanizma stimulirovali razvitie teorii ciklotronnogo izlucheniya, poglosheniya i rasseyaniya, spravedlivoi v ves'ma raznoobraznyh usloviyah. Oni takzhe priveli k obnaruzheniyu i issledovaniyu novyh elektromagnitnyh neustoichivostei v plazme, kotorye shiroko ispol'zuyutsya v solnechnoi radioastronomii, no tozhe ostalis' za ramkami nastoyashei stat'i. V celom issledovaniya ciklotronnogo mehanizma priveli k ponimaniyu nablyudaemyh harakteristik chastotnyh spektrov izlucheniya shirokogo klassa ob'ektov, nachinaya s klassicheskoi plazmy solnechnoi korony i konchaya elektron-pozitronnoi plazmoi v namagnichennom vakuume na neitronnyh zvezdah. Oni otkryli takzhe real'nye perspektivy dlya dal'neishego issledovaniya astronomicheskih ob'ektov po ih ciklotronnomu izlucheniyu.

Literatura


[1]	Zheleznyakov V.V. Izluchenie v astrofizicheskoi plazme. M.: Yanus-K, 1997.
[2]	Zheleznyakov V.V. Radioizluchenie Solnca i planet. M.: Nauka, 1964.
[3]	Liebert J. // Publ. Astron. Soc. Pacific. 1981. Vol. 93. P. 105.
[4]	Schmidt G.D., Latter W.B., Foltz C.B. // Astrophys. J. 1990. Vol. 350. P. 758.
[5]	Trumper J. et al. // Ann. N.Y. Acad. Sci. 1976. Vol. 302. P. 538.
[6]	Wheaton W.A. et al. // Nature. 1979. Vol. 282. P. 240.
[7]	Gnedin Yu.N., Sunyaev R.A. // Astron. Astrophys. 1974. Vol. 36. P. 379.
[8]	Zheleznyakov V.V. Problemy sovremennoi astrofiziki // Sorosovskii Obrazovatel'nyi Zhurnal. 1996. No 6. S. 83-91.

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce

Publikacii s klyuchevymi slovami: neitronnye zvezdy - ciklotronnoe izluchenie - izluchenie plazmy - sverhsil'nye magnitnye polya - magnitnoe pole - Solnechnaya korona - Plazma - belyi karlik Publikacii so slovami: neitronnye zvezdy - ciklotronnoe izluchenie - izluchenie plazmy - sverhsil'nye magnitnye polya - magnitnoe pole - Solnechnaya korona - Plazma - belyi karlik
Sm. takzhe: Razvernutaya solnechnaya korona Podrobnyi vid solnechnoi korony vo vremya zatmeniya NGC 2440: kokon novogo belogo karlika Polnoe zatmenie: bol'shaya korona Kratkaya istoriya bystryh radiovspleskov Vzryvy na belom karlike RS Zmeenosca GW200115: modelirovanie sliyaniya chernoi dyry i neitronnoi zvezdy Vse publikacii na tu zhe temu >>