Теоретическая физика и астрофизика - Гинзбург В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
,Xc = GtN = 6,65 • IO-25Ar « 0,4 см2/г. (18.11)
Комптоновское рассеяние в межзвездной среде вносит доминирующий вклад в р в области энергии Ey < IO8 эВ. В области Ey > IO8 эВ за поглощение гамма-лучей ответственно образование пар (процесс 5). В нейтральном газе в области энергии Ey > IO8 эВ рождение пар в первом приближении происходит в условиях полного экранирования. Соответствующее значение коэффициента поглощения в межзвездной среде равно
р.пар= 1,2 • IO"2 см2/г = 2 • 10~26JVa см"1; (18.12)
здесь использовано значение ^-единицы длины, равное 66 г/см2 (см. гл. 17) и Na — концентрация атомов. В плазме (полностью ионизированном газе) экранировкой в интересующих нас слу-
4.88 чаях всегда можно пренебречь и
Ae2Z (Z + 1) / е2 V f_7 2?v 109 ) Mnap — hc \ тс2 ) t 9 тс2 54 J-
= 3,6-10-27 ([H^r- 1,9)^ см"1 =
= 2,1 • 10"3(ln^-1,9) см2/г, (18.13)
где численные значения приведены для водорода (Z = 1). Здесь мы ограничиваемся только указанием результатов, поскольку роль экранирования уже обсуждалась в гл. 17 (подробнее о процессе образования пар см. [1, 9]). Значения (18.12) и (18.13) примерно совпадают при Ey ~ IO9 эВ.
Комптоновское «поглощение» (18.11) значительно больше поглощения за счет образования пар (по крайней мере пока \п(Еу/тс2) <С 100). Однако, как уже подчеркивалось, этот коэффициент относится лишь к области энергий Ey IO6 эВ. Коэффициенты [1с = OcN и рпар сравниваются при Ey — IO8 эВ. Уже при Ey = 5-Ю8 эВ коэффициент рс ~ 2- IO-27 N ~ 0,1 рпар (см. (18.12)).
В направлении на центр Галактики N(S) ^NS-3-IO22 см-2 и соответствующая масса газа_ M (S) = 2 ¦ Ю-24 N (2?) ж да 6-Ю-2 г/см2; в Метагалактике M(S)- 0,1 г/см2 (для S = = Яф ~ IO28 см). Поэтому из (18.12) сразу же ясно, что в обсуждаемых условиях поглощение гамма-лучей (при Ey ;>, IO8 эВ) мало; например, при M(S) — 0,1 г/см2 оптическая толща т ~ ~ IO-3 и фактор да 1 —т можно считать равным единице с погрешностью порядка 0,1%- Сделанный вывод остается в силе и при учете поглощения гамма-лучей на ядрах (процесс 7).
Особо нужно остановиться на процессе 6 — поглощении гамма-лучей, связанном с образованием пар е+, е~ на тепловых фотонах [259]. В системе координат, в которой суммарный импульс обоих фотонов равен нулю, рождение пар начнется при энергии Ey = тс2. В лабораторной системе, в которой имеется гамма-фотон С энергией Ey и тепловой фотон С энергией Єф, порогу рождения отвечает энергия *)
о = (^") шс2 = 5 • 105 (^) эВ- (18-14)
Для оптических фотонов Єф ~ 1 эВ и Ey, о ~ 2-Ю11 эВ; для фотонов реликтового метагалактического фона с температурой Г ~ 3 К средняя энергия Єф ~ Ю-3 эВ (для теплового излучения Єф = 2,7 кТ) нЕу,0 — 2-Ю14 эВ. Только в случае рождения пар на рентгеновских фотонах с єф ~ IO3—IO4 эВ энергия
*) Этот результат проще всего, видимо, получить, даже не прибегая к преобразованию из одной системы отсчета в другую. В самом деле, на
489 Еу, о ~ IO7 — IO8 эВ и соответствующее поглощение может быть существенно для сравнительно нежестких у-лучей. Однако в среднем в Галактике и в Метагалактике плотность энергии рентгеновского излучения весьма мала (в Галактике Шф,, ~ ~ 10~б эВ/см3); она значительна лишь в источниках космических рентгеновских лучей. Для оптических фотонов в метагалак-ТИЧЄСКОМ Пространстве ПЛОТНОСТЬ Энергии Шф, о ~ Ю-2 эВ/см3 и для реликтового метагалактического излучения Шф, т ~ ~ 0,3 эВ/см3. Коэффициент поглощения, обусловленного оптическими фотонами, вычислен в [259]; соответствующее значение fx максимально при Ey = IO12 эВ:
Pmax ~ 7 • Ю~26йУф CM-1, (18.15)
где йУф — плотность энергии излучения в эВ/см3. Для теплового излучения с температурой T = 5800 К (хТ = 0,5 эВ) величины отношения (і/шф приведены в табл. 18.1.
Таблица 18.1
Энергия гамма-фотонов, эВ ц/Шф, IO-25 CM-1 X X (эВ-см-3) -1 Энергия гамма-фотонов, эВ Іі/wф, IO-26 CM-' X X (эВ-см"3) -1
10" ' 0,05 5- IO12 4
5- IO11 5 IO13 2
IO12 7 5- IO13 0,7
При Шф ~ Ю-2 эВ/см2 оптическая толща Tmax ~ 7-Ю-28 S и на фотометрическом радиусе Метагалактики /?ф ~ IO28 см уже Tmax ~ 7. Поглощение на фотонах реликтового фона еще на пол-тора порядка выше, но максимально лишь при Ey ~ IO15 эВ.
Таким образом, для гамма-лучей с очень высокой энергией Ey > IO11 эВ и особенно Ey > IO14 эВ поглощение гамма-лучей за счет образования пар на тепловых фотонах (процесс 6) может быть велико. Отметим, что при соударениях космических лучей (протонов и ядер) с достаточно высокой энергией с тепловыми фотонами идут фотоядерные реакции (процессы 7). Однако в данном случае (в лабораторной системе) эти процессы непосредственно не относятся к проблеме поглощения гамма-
пороге рождения пар в лабораторной системе, согласно законам сохранения энергии и импульса,
2 me2 _ 2 mcv
где V — скорость образующейся пары. Отсюда
тс2 (1 + о/с) V Ey — еф -V~~7T-V2Ic'2 ' С ~ Ey + ?ф" и при условии Eу»?ф сразу же приходим к (18.14).
490 лучей. Другое дело, что они могут играть важную роль при рассмотрении генерации гамма-лучей в результате распада я°-ме-зонов и при обсуждении вопроса об изменении химического состава космических лучей и об «обрезании» их спектра при E ~ — 1019— IO20 эВ (см. [260]).
