Эффекты электронов и позитронов

В заключение я хочу рассмотреть, какие доступные наблюдению эффекты можно ожидать от рассмотренных нами электронов и позитронов. Как я уже указывал, их излучательная способность много выше, чем у протонов, хотя энергия протонов раз в 100 больше. Это вызвано гораздо меньшей массой электрона и позитрона, из-за чего их ускорения в электромагнитных полях значительно больше, чем у протонов. Примером может быть излучение радиоволн. Радиоволны излучаются почти исключительно электронно-позитронной составляющей космических лучей, сколь бы она ни была незначительна с энергетической точки зрения. Какие же еще процессы излучения можно ожидать? Можно было бы составить целый каталог таких возможностей. Но вместо того, чтобы составлять такой всеобъемлющий список, я хочу остановиться на отдельных процессах, которые, как мне кажется, имеют особо важное значение.

Электроны излучают радиоволны потому, что они отклоняются магнитными полями. Отклонение связано с ускорением, а ускоряющаяся электрически заряженная частица всегда излучает. Частота излучения пропорциональна квадрату энергии электрона и напряженности магнитного поля, т. е. произведению. В источниках радиоизлучения это велико, но с земной точки зрения — мало. Следовательно, частота оказывается довольно низкой, она приходится на радиодиапазон, т. е. нижнюю часть электромагнитного спектра. Достаточный рост этих величин может переместить излучение в видимую область. Именно это и происходит в Крабовидной туманности и в струе галактики М87. В этих объектах видимый свет излучается при помощи того же механизма, что и радиоволны в большинстве источников. Этот процесс называется синхротронным излучением.

Трудно сомневаться в том, что при наличии чувствительных методов обнаружения инфракрасного излучения (лежащего в диапазоне между радиоволнами и видимым светом) мы должны были бы обнаружить объекты, испускающие инфракрасное синхротронное излучение. Весьма вероятно, что одним из них была бы Крабовидная туманность. Может ли таким же путем возникать излучение большой частоты — ультрафиолетовое или даже рентгеновское? Для этого нужны были бы электроны сверхвысоких энергий, а такие электроны очень быстро теряют свою энергию. Рентгеновское излучение скоро ослабло бы, если только электроны непрерывно не пополнялись бы из того или иного источника. Сейчас этот вопрос оживленно обсуждается, ибо рентгеновское излучение Крабовидной туманности действительно обнаружено. Это удалось сделать двум группам исследователей — Джиакони, Гурскому, Паолини и Росси в Массачусетском технологическом институте и Боуеру, Брайану, Чаббу и Фридману в Морской исследовательской лаборатории. Были найдены также и другие источники космического рентгеновского излучения, но они еще не отождествлены с оптически наблюдаемыми объектами. Волнение вызывает только что упомянутое мною обстоятельство: если за эти рентгеновские лучи ответственно синхротронное излучение (что вполне вероятно), то запас электронов сверхвысоких энергий должен быстро и непрерывно пополняться; другими словами, необходим постоянно действующий источник подобных электронов. Это пробуждает надежду, что дальнейшие рентгеновские наблюдения помогут отыскать этот источник и выявить физические процессы, ответственные за образование быстрых электронов. Вооруженные такими знаниями, мы можем надеяться значительно продвинуться в понимании происхождения космических лучей.

Электроны и позитроны космических лучей могут создавать важные наблюдаемые эффекты и другим очень интересным путем. Этот процесс недавно был исследован Фелтеном и Моррисоном. Электроны высоких энергий могут отклоняться не только магнитным полем, но и видимым светом! Обычно нам приходится иметь дело с противоположным процессом — отклонением света электронами, потому что в нашем повседневном мире низких энергий воздействие на свет (изменение его направления) более заметно, чем воздействие на электрон. Но для световых квантов высоких энергий это уже неверно. Заметное отклонение света электроном действует на сам электрон как удар. То же самое справедливо и тогда, когда электрон имеет большую энергию, если даже энергия светового кванта невелика. Достаточно, чтобы высокую энергию имел или электрон, или квант. Дело в том, что значение имеет только относительная энергия кванта и электрона, и несущественно, считаем ли мы энергию сосредоточенной в свете или в электроне. Эффект будет тем же самым — сильная отдача электрона. Если начальный квант имеет низкую энергию, то отдача электрона сопровождается значительным увеличением энергии кванта. Оно пропорционально квадрату энергии электрона Е2, так же как и частота синхротронного излучения. Аналогия между двумя процессами идет еще дальше. Сходство станет очевидным, если написать две формулы; одну для скорости, с которой электрон космических лучей теряет энергию при синхротронном излучении, а другую для скорости, с которой увеличивается энергия квантов видимого света, т. е. для обратного комптон-эффекта, как называется этот второй процесс. В одном случае формула содержит произведение, а в другом — произведение. Числовые коэффициенты, на которые эти произведения должны быть умножены, чтобы получить численную величину энергии излучения, различаются только на множитель 2 (для синхротронного излучения коэффициент вдвое больше). Таким образом, мы приходим к выводу, что электроны и позитроны посредством обратного комптон-эффекта будут терять столько же энергии, как и посредством синхротронного излучения, если плотность энергии видимого света вдвое больше плотности магнитной энергии. Каково же положение в нашей Галактике с этой точки зрения?

Энергия видимого света звезд в районе Галактики, в котором находится Солнце, по сделанной много лет назад оценке, эквивалентна энергии поля теплового излучения при температуре около 4° К, что составляет около 2-10-12 эрг/см3. Энергия поля излучения в короне Галактики (или в гало) приблизительно на порядок меньше, т. е. равна 2-10-13 эрг/см3. Еще на порядок меньше плотность излучения во внегалактическом пространстве; она равна примерно 10-14 эрг/см3. Интересно, что плотность световой энергии вне пределов галактик не так мала, как могло бы показаться с первого взгляда. Причина этого состоит в том, что звезды галактик испускают излучение в течение очень долгого времени — примерно 1010 лет. Свет не остается внутри галактик, а постепенно заполняет гигантский объем межгалактического пространства. А какова энергия магнитного поля? Сейчас считается, что Н внутри Галактики даже близ галактической плоскости довольно мало. Таким образом, энергии в обеих формах вполне сравнимы друг с другом, особенно в гало, и, следовательно, излучение энергии, вызванное обратным комптон-эффектом, сравнимо с энергией синхротронного излучения, по крайней мере в нашей Галактике.
Почему величины всех этих форм энергии — космических лучей, света звезд, магнитного поля — столь близки друг другу: все они лежат в области 10~12 эрг/см3? Это трудный вопрос для астрофизика, и убедительного ответа на него пока нет. Что касается меня, то я не разделяю мнения, что мы имеем здесь дело просто со случайным совпадением чисел.
Вернемся к обратному комптон-эффекту. На сколько увеличится энергия квантов видимого света, после того как они испытают столкновения с электронами высоких энергий? Ответ гласит: в Е2 раз, где Е — энергия электрона, выраженная в единицах массы покоя электрона (масса электрона эквивалентна энергии ~ 0,5-10^6 эв, немного меньше 10^6 эрг). Далее, чтобы выбрать разумное значение Е2, полезно провести мысленную параллель с синхротронным процессом. При магнитном поле величина Е2, необходимая для создания радиоизлучения с частотой 100 Мгц, равна ~107. Следовательно, электроны, возбуждающие радиоизлучение Галактики с частотой 100 Мгц, увеличат энергию световых квантов при столкновениях с ними в 107 раз. Это огромная величина. Первоначально кванты имеют энергию около 3 эв. После столкновения их энергия равна 3-107 эв. Они превращаются в очень жесткие у-лучи. Вспомним наш вывод, что Галактика должна излучать энергию из-за обратного комптон-эффекта примерно теми же темпами, какими она излучает радиоволны. Мы приходим к удивительному результату, что у-излучение Галактики должно быть столь же велико, как и излучение радиоволн. Если не считать частных проблем, состоящих в том, что у-лучи не проходят через земную атмосферу и, следовательно, обнаружить их гораздо труднее, чем радиоволны, вполне вероятно, что потенциальные возможности у-зстрономии столь же велики, как и возможности радиоастрономии.

Против этого можно возразить, что самые мощные радиогалактики не сходны с нашей: они излучают в миллион раз больше чем обычные галактики. Внутри радиогалактик и вокруг них магнитное поле вполне может быть необычно мощным, что усиливает синхротронное излучение; радиоизлучение часто исходит также из огромных объемов, выходящих за видимые границы связанных с ними галактик. Плотность световой энергии внутри столь обширных объемов будет меньше, что говорит против возможности у-излучения. Поэтому следует ожидать, что у-излучение не может достигать столь же высокого уровня, как радиоизлучение.

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: :???: :?: :!: