КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина IV

ОСНОВИ ТЕОРЕТИЧНОЇ ТА ПРАКТИЧНОЇ АСТРОФІЗИКИ

Розділ 8

ЕЛЕМЕНТИ ТЕОРЕТИЧНОЇ АСТРОФІЗИКИ

8.10. Нетеплові механізми випромінювання

Упродовж майже ста років астрофізика базувалася на припущенні, за яким спостережуване випромінювання генерується тепловими механізмами — переходами електронів у полі атомних ядер. Однак у середині XX ст. виявилося, що в галактичних просторах є джерела енергії, існування яких у той спосіб пояснити не можна. Наприклад, якщо випромінювання теплове, то інтенсивність його у довгохвильовій частині спектра змінюється з частотою відповідно до закону Релея-Джінса (8.3), тобто чим більша довжина хвилі λ, тим меншою мала б бути зареєстрована інтенсивність: у розрахунку на одиничний інтервал довжин хвиль Δλ = 1 А мало б бути Ι_λ~ 1/λ⁴.

Тим часом, наприклад, перші спостереження Юпітера в радіодіапазоні виявили, що на довжині хвилі 70 см він випромінює в 60 разів більшу енергію, ніж на довжині λ = 10 см. Наочним є і розподіл енергії у спектрі Крабоподібної туманності з сузір'я Тельця (рис. 8.9). Тож «аномальний» розподіл енергії спостерігається і в спектрах багатьох так званих активних галактик і квазарів (див. розділ 20). Тому й виникла потреба при інтерпретації таких даних приймати до уваги нетеплові види випромінювання. Тут коротко опишемо декілька механізмів такого випромінювання.

Рис. 8.9. Розподіл енергії у спектрі Крабоподібної туманності (по осі ординат відкладений потік, зареєстрований біля поверхні Землі)

Синхротронне випромінювання. Синхротронним випромінюванням називається електромагнітне випромінювання релятивістських електронів, що рухаються з прискоренням по криволінійних траєкторіях в магнітних полях. Якщо вектор швидкості вільного електрона є перпендикулярним до силової лінії магнітного поля, то після входження у магнітне поле він починає рухатися по коловій траєкторії навколо силової лінії. Радіус такої траєкторії залежить, зокрема, від напруженості магнітного поля: чим більша напруженість, тим менший радіус. У загальному випадку, коли кут між вектором швидкості електрона і напрямом лінії поля менше від 90°, рух зарядженої частинки відбувається по гвинтовій лінії навколо силової лінії. Нагадаємо, що тут у кожен момент часу частинка, що рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла с, випромінює енергію у вузькому конусі в напрямі своєї миттєвої швидкості. Спостереження показують, що в космічному просторі розподіл електронів за енергіями Е можна записати як:

тут dN(E) — кількість релятивістських електронів, що мають енергію від Е до E + dE; K і γ — сталі. Інтенсивність сумарного випромінювання електронів пов'язана з напруженістю Н магнітного поля і частотою ν так:

Зі спостережень випливає, що γ ≈ 2,6 і, отже, Ι_ν~ ν^-0,8, тоді як за законом Релея-Джінса Ι_ν~ ν²!

Комптонівське розсіювання. При зіткненні фотона з електроном між ними може відбутися обмін енергією та імпульсом. Цей процес називається комптонівським розсіюванням. Якщо при цьому електрон отримує енергію, а фотон її втрачає, то це прямий ефект Комптона. Якщо ж фотон збільшує свою енергію за рахунок енергії електрона, то цей процес називається зворотним комптон-ефектом.

Нехай ν₀— початкова частота фотона, Е — енергія релятивістського електрона. З теорії комптонівського розсіювання випливає, що частота фотона може збільшуватися до значення:

Таким чином, якщо на шляху низькочастотних квантів є хмара релятивістських електронів, то спостерігач зареєструє інтенсивне джерело видимого і навіть рентгенівського випромінювання. Якщо розподіл електронів описується співвідношенням (8.51), то залежність інтенсивності випромінювання від частоти буде такою ж, як і для синхротронного випромінювання: . Тому для з'ясування справжньої природи джерела потрібні додаткові дослідження, зокрема поляризації випромінювання.

Розсіювання плазмових хвиль на релятивістських електронах. У космічних умовах в іонізованому газі можливі різноманітні хвильові рухи — поздовжні і поперечні плазмові хвилі. Серед них важливу роль відіграють поздовжні плазмони. Вони нагадують звичайні звукові хвилі тим, що збудження електронної густини складається зі згущень і розріджень. Проте саме збудження передається не зіткненням частинок, як це буває у звуковій хвилі, а взаємодією електричних полів. Розсіювання поздовжніх плазмонів на релятивістських частинках призводить до генерації електромагнітного випромінювання. Як випливає з теоретичного аналізу,

Кривотраєкторне (згинне) випромінювання виникає під час руху заряджених частинок уздовж викривлених магнітних силових ліній. Воно відрізняється від синхротронного тим, що радіус кривини траєкторії частинки залежить від геометрії магнітного поля і не залежить від енергії частинки. Тому потужність згинного випромінювання зі збільшенням цієї енергії зростає швидше, ніж при синхротронному.

Перехідне випромінювання. Як виявилося, при переході електрона, що рухається рівномірно, з одного середовища в інше (наприклад, з вакууму в пилову частинку, а потім з частинки у вакуум) створюване ним електромагнітне поле перебудовується і виникає електромагнітне випромінювання. Енергія висвічується практично в напрямку миттєвої швидкості електрона, а енергія електрона зменшується удвічі після багатьох мільйонів зіткнень електрона з пилинкою. Характерною особливістю перехідного випромінювання є монотонне і дуже повільне зменшення інтенсивності випромінювання при переході від максимуму в бік довгих хвиль.

Усі ці та й інші, досі невідомі механізми, і призводять до великого розмаїття спостережуваних спектральних даних, про що йдеться у наступних розділах.