Космические лучи

Эта простая теория сталкивается с тремя возражениями. С двумя из них она еще может справиться, но третье, по-моему, для нее смертельно. Полная энергия космических лучей в галактическом диске ~ 1054 эрг. Эта энергия должна возобновляться каждый миллион лет. Но за миллион лет вспыхивает не более нескольких десятков тысяч сверхновых, поэтому каждая сверхновая должна выделять ~ 1050 эрг в форме космических лучей. Это довольно большая, но не невозможная величина. Далее, согласно нарисованной нами картине, частиц, движущихся параллельно плоскости Галактики, должно быть несколько больше, чем движущихся в направлении, перпендикулярном этой плоскости: в движениях частиц должна существовать определенная анизотропия. Такой анизотропии экспериментально не обнаружено. Но эксперименты, конечно, не обладают идеальной точностью, и остается возможность, что ожидаемая степень анизотропии может быть столь мала, что осталась незамеченной. Расчеты показывают, что, возможно, так оно и есть, хотя рамки, в которых теория еще может существовать, неприятно узки. Третье затруднение состоит в том, что космические лучи не могут оставаться внутри Галактики в течение миллиона лет, если они не захватываются магнитным полем. Магнитное поле «связывает» обычный межзвездный газ и космические лучи; газ как бы подвергается давлению со стороны космических лучей. Давление космических лучей гораздо больше, чем обычное давление внутри газа. Оно столь велико, что космические лучи способны увеличить толщину слоя, в котором распределен межзвездный газ.
Энергия космических лучей сравнима и, возможно, превосходит гравитационную энергию расширения диска межзвездного газа от тонкого слоя до наблюдаемой в настоящее время толщины. Я думаю, что в таких условиях космические лучи должны были бы прорвать в ряде мест «дыры» и попросту «вытечь» из Галактики всего лишь за тысячу лет или околотого. В особенности это могло бы случиться в окрестностях сверхновых, генерирующих космические лучи.

Более традиционная теория, тоже основанная на образовании космических лучей в сверхновых, состоит в том, что космические лучи сосредоточены не в той же дисковидной области, что и межзвездный газ, а в гораздо большем более или менее сферическом объеме, окружающем всю Галактику, как если бы Галактика была погружена в гигантский «пузырь» космических лучей. Этим устраняется затруднение, связанное с межзвездным газом. Понижается также эффект анизотропии, и в этом отношении теория тоже улучшается. Хотя для заполнения пузыря, по крайней мере в 100 раз большего по объему, нужно гораздо больше энергии, зато и интервал времени тоже больше, ибо низкая плотность газа в пузыре может предохранять тяжелые ядра от дробления в течение примерно 100 миллионов лет. Чтобы заполнить пузырь космическими лучами, у сверхновых теперь оказывается времени в 100 раз больше. Однако положение все же остается затруднительным. Вместо того чтобы прорывать дыры в галактическом диске, космические лучи прорвут дыры в поверхности пузыря, если только количество газа в пузыре не будет больше, чем обычно считается. Трудность здесь в том, что должно одновременно выполняться несколько условий. В частности охлаждение газа должно вызывать его опускание из пузыря на внутренний диск. Газ не может быть стабильным, количество его должно пополняться извне или же он должен с силой выбрасываться из плоскости Галактики.

Хотя в этом направлении можно развить последовательную теорию, однако параметры ее, как показали Гинзбург и Сыроватский, могут быть заключены только в очень узких пределах. Теория все время балансирует на краю пропасти, так что альтернативная возможность—происхождение космических лучей в основном из внегалактических источников, несомненно, заслуживает внимания. Мы знаем, что для объяснения радиоизлучения мощных источников необходима энергия в 1060 эрг в форме электронов. Электроны несут с собой только около 1 % полной энергии космических лучей, наблюдаемых в окрестностях Земли. Если то же самое справедливо и для космических лучей, генерируемых сверхмощными источниками, то энергия, связанная с каждым источником, должна быть в 100 раз больше энергии электронов, т. е. равна 1062 эрг. В пределах области пространства, которая наблюдается ныне астрономами, имеется около 100 тысяч активных источников. Все вместе они дают полную энергию 1067 эрг. На сколько надо еще умножить эту колоссальную величину, чтобы получить полную энергию всех космических лучей, образованных всеми источниками за все время существования галактик? Вероятно, еще на 10\ что поднимет итог до 1071 эрг. Последняя величина получена на основании предположения, что радиоисточники, по-видимому, недолговечны. При очень вероятном предположении, что высокоэнергичные частицы испускаются в виде облаков, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, наблюдаемые размеры источников наводят на мысль об их времени жизни всего лишь 105—106 лет; это очень мало по сравнению с 10^10 лет — возрастом галактик. Последняя величина, которая нужна для этого расчета,— объем пространства, доступного современным астрономам. Объем, соответствующий линейным размерам приблизительно в 10 миллиардов световых лет, равен 1084 см3. Разделив полную энергию на объем, мы получим плотность энергии 10~13 эрг/см3, что настолько близко к наблюдаемой плотности энергии космических лучей (10~12 эрг/см3), насколько этого можно ожидать при столь грубых оценках. Отсюда следует важный вывод, что мощность радиоисточников вполне может быть достаточной, чтобы заполнить все пространство наблюдаемой вселенной космическими лучами. Еще несколько лет назад сама возможность этого казалась неправдоподобной.

Правда, говоря откровенно, вывод этот не так уж удивителен. Постоянной причиной предпочтения, отдаваемого местному происхождению космических лучей, было желание понизить энергетические требования. Если космические лучи существуют только в галактиках, то потребность в энергии уменьшается в миллион раз по сравнению со случаем, когда космические лучи заполняют все пространство. Дело в том, что объем «пузыря» вокруг Галактики равен 1069 см3, а средний объем пространства между галактиками 1075 см3. Галактики занимают только миллионную долю пространства, так что «местная» теория выгадывает в энергии в миллион раз. Но это лишь в предположении, что все галактики генерируют космические лучи примерно с равной эффективностью. Почти наверняка это столь же неверно, как и старое представление о том, что все галактики обладают одинаковой энергией радиоизлучения. Сейчас известны мощные источники с интенсивностью радиоизлучения в миллион раз больше, чем обычные галактики, такие, как наша, и вполне вероятно, что они испускают также и в миллион раз больше космических лучей. Это обстоятельство в прежних рассуждениях не учитывалось.

Нет никаких причин, по которым космические лучи должны быть повсюду одинаковы. Вблизи мощных источников плотность энергии, естественно, должна быть выше средней. Внутри крупных скоплений галактик, подобных облаку галактик в Деве, плотность также может быть выше средней. Вследствие нашей относительной близости к облаку в Деве плотность энергии в окрестностях Галактики может заметно превышать среднюю. Вполне возможно, что средняя плотность может быть на 1—2 порядка ниже наблюдаемой величины. Для нас важно лишь, чтобы средняя плотность в пространстве была в пределах 10~14— 1G-12 эрг/см3.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: