Теоретическая физика и астрофизика - Гинзбург В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Используя для Галактики в целом значения (16.17), легко оценить полную энергию космических лучей в радиодиске (при Wk. л ~ IO-12 эрг/см3 и H ~ 5-Ю-6 Э), а также несколько условно во всей Галактике с учетом радиогало
^K. л, диск ~ л, диск V диск "" IO55 эрг, ,Jg J g\
Wk • л, гало ~ Wk. л, гало ^гало~ Ю56 Эрг,
где Кдиск ~ R2IcIhv ~ IO67 см3 — объем радиодиска (см. рис. 16.2), а Кгало ~ 4л/?3/3 ~ 5-Ю68 см3 — объем квазисферического гало; реальное гало, по-видимому, уплощено и кроме того плотность энергии космических лучей с удалением от галактической плоскости, вероятно, убывает; поэтому и принята оценка Wk. л, гало ~ ~ IO56 эрг. Эта величина впечатляюща; можно, например, заметить, что она отвечает энергии покоя примерно ста звезд ^c массой Солнца (M0 = 2- IO33 г, M0C2 ~ IO54 эрг). Более существенно, конечно, что энергия Wk. л сравнима или больше внутренней энергии межзвездного газа и энергии межзвездного магнитного поля. Заметим также, что в мощных радиогалактиках энергия Wk. л достигает значений IO60 или даже IO61 эрг, т. е. порядка IO7 M0C2.
Каково происхождение космических лучей вообще и в частности космических лучей, наблюдаемых у Земли? Несомненно, сам факт эффективной генерации (ускорения) частиц до релятивистских и ультрарелятивистских энергий в космосе является отражением плазменной природы соответствующих областей, плазменных неустойчивостей и существования космических взрывов (взрывы галактических ядер, взрывы сверхновых и новых звезд, солнечные вспышки и др.). Таким образом, именно космические и субкосмические лучи и порождаемое ими излучение (в частности рентгеновское и гамма-излучение) служат практически непременными элементами и вместе с тем индикаторами особенно бурных, активных космических процессов — в этом состоит одна из важнейших особенностей астрофизики космических лучей (и вообще астрофизики высоких энергий), определяющих ее роль для астрономии в целом.
403 Когда речь идет о происхождении наблюдаемых у Земли космических лучей (ниже в этом случае говорим просто о происхождении космических лучей), то обычно имеются в виду не механизмы ускорения, а построение определенной модели, в которой должны быть указаны источники космических лучей, заполненная этими лучами область и т. п. В течение многих лет здесь конкурировали в основном модели двух типов — галактические и метагалактические. В метагалактических моделях принимается, что подавляющая часть космических лучей (протонно-ядерная компонента) втекает в Галактику извне — из межгалактического (метагалактического) пространства. Поэтому, как можно видеть*), плотность энергии космических лучей в Метагалактике wмг (по крайней мере в области, прилегающей к Галактике) должна быть порядка док. л,г ~ IO-12 эрг/см3. Это означает, кстати, что в Метагалактике у.е IO2, поскольку электронная компонента наблюдаемых у Земли космических лучей заведомо имеет галактическое происхождение; в самом деле, в силу больших комптоновских потерь (см. ниже) релятивистские электроны не могут долго блуждать в Метагалактике и дойти до Галактики от радиогалактик и квазаров. К сожалению, надежная оценка плотности шмг еще не произведена, но по ряду соображений можно считать, что
®мг<®к.л,г ~ IO"12 эрг/см3 (16.19)
и, вероятнее всего, ®мг ^ IO-15— Ю-16 эрг/см3 (см. [226]). Неравенство (16.19) надежно установить можно, по-видимому, лишь гамма-астрономическим методом, изложенным в гл. 18. Имеющиеся на этот счет данные (см. гл. 18), хотя и недостаточно всеобъемлющи, свидетельствуют в пользу условия (16.19) и, следовательно, против метагалактических моделей. По этой, как, впрочем, и по ряду других причин (см. [59, 226]), метагалактические модели могут, по убеждению автора, уже считаться опровергнутыми. В рамках галактических моделей (опять же по мнению многих и, в частности, автора, но не всеобщему) основными источниками космических лучей являются сверхновые
*) Космические лучи в Метагалактике, как и в Галактике, должны быть в высокой степени изотропны, поскольку резкая анизотропия космических лучей разрушается в результате плазменной неустойчивости (см. ниже). Поэтому в квазистационарных условиях, как следует из рассмотрения движения частиц в магнитном поле, интенсивность, а значит, и плотность энергии космических лучей в Метагалактике и в Галактике должны быть примерно одинаковы (подробнее см. (226]). Если же космические лучи, наблюдаемые у Земли, имеют галактическое происхождение, то плотность энергии в Метагалактике может быть значительно ниже, чем в Галактике, — ситуацию в таких условиях нельзя считать квазистационарной, поскольку источники (галактики, квазары) просто не успевают заполнить метагалактическое пространство космическими лучами с большой плотностью (быть может, не лишним будет напомнить, что возраст галактик и квазаров в нашей расширяющейся Вселенной не превосходит примерно IO10 лет).
404 з&езды, в том числе пульсары *) и, возможно, хотя и маловероятно, взрывы в ядре Галактики. В дисковой галактической модели характерным объемом, занимаемым космическими лучами, является радиодиск или близкая к нему область (КДИск ~ Ю67 см3). В этом случае характерное время жизни космических лучей в Галактике Гк. л, диск ~ IO7 лет. В галактической модели с гало занимаемый объем — это гало космических лучей (Кгало ~ IO68 cmi), а характерное время жизни Тк.л, гало ~ IO8 лет (оценка времени жизни проведена ниже). Отсюда и из значений (16.18) для Wk. л ясно, что для сохранения квазистационарного режима источники космических лучей в Галактике в обеих упомянутых моделях должны испускать (ускорять) космические лучи с мощностью порядка
