УСКОРЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ


УСКОРЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
УСКОРЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

в космических условиях. Одной из ключевых в астрофизике является проблема механизмов ускорения и источников частиц, к-рые мы наблюдаем как космические лучи (КЛ).

Наблюдения предъявляют следующие требования к механизмам У. з. ч.: 1) спектр ускоренных частиц должен быть степенным в широком интервале энергий. Так, в интервале от 109 эВ до 1015 эВ наблюдаемый спектр КЛ описывается единым степенным законом:

5047-13.jpg

где 5047-14.jpg и 5047-15.jpg -концентрация и энергия частиц; 2) механизмы У. з. ч. должны быть настолько эффективны, чтобы обеспечить ускорение частиц до макс, наблюдаемых энергий ~ 1020 эВ; 3) мощность генерации КЛ W с энергиями 5047-16.jpg эВ в Галактике должна поддерживаться на уровне 5047-17.jpg эрг/с. Важно отметить, что указанная величина W не зависит от модельных представлений, поскольку может быть выражена только через наблюдаемые величины.

В качестве возможных источников КЛ рассматриваются разл. галактич. и внегалактич. объекты: пульсары и их магнитосферы, оболочки сверхновых звёзд, нейтронные звёзды, входящие в двойные системы, ядра галактик, радиогалактики, чёрные дыры, вспышки на звёздах (в частности, вспышки на Солнце )и т. д. По-видимому, более предпочтительным является предположение о галактич. происхождении КЛ (по крайней мере, до энергий ~1017 эВ) по следующим соображениям: 1) в Галактике имеются источники, способные обеспечить необходимую мощность генерации КЛ. Таковыми прежде всего являются вспышки сверхновых звёзд, при взрыве к-рых выделяется энергия до 3 • 1050 эрг. Поскольку частота вспышек сверхновых в Галактике равна одной вспышке в 10-100 лет, то ср. мощность этих процессов -1041 -1042 эрг/с. Если порядка 10% энергии, выделяемой при взрыве сверхновой, трансформируется в энергию ускоренных частиц, то этого достаточно, чтобы обеспечить мощность генерации КЛ ~ 1040-1041 эрг/с; 2) есть указания на то, что в Галактике существуют объекты, такие, как Лебедь Х-3 и Геркулес Х-1 (двойные рентг. источники), испускающие частицы с энергиями порядка 1015 эВ и даже 1018 эВ, а мощность генерации этих частиц может достигать 1035-1038 эрг/с. Если, кик обычно предполагается, указанные частицы являются гамма-квантами, то есть основания считать, что в указанных объектах генерируются протоны (см. Гамма-астрономия )с энергией, на порядок большей указанной, а мощность генерации протонов может достигать 1040 эрг/с; 3) ряд компонент КЛ, в частности электроны, заведомо имеют галактич. происхождение. Электроны, испущенные даже ближайшими радиогалактиками, не могут достигать Галактики из-за рассеяния на фотонах микроволнового фонового излучения.

Относительно происхождения К Л с энергиями > 1017 эВ существуют разл. точки зрения. Наиб, распространённым является предположение о том, что эти частицы ускоряются в активных ядрах галактик. Однако не исключена возможность их галактич. происхождения.

Вопрос о конкретных механизмах ускорения КЛ остаётся до сих пор открытым. Ускорение частиц может осуществляться либо регулярными, либо флуктуационными эл.-магн. полями.

В условиях высокопроводящей космич. плазмы регулярное поле создаётся регулярными движениями, напр, такими, как орбитальные движения в двойной звёздной системе или вращение пульсара. В последнем случае ускорение частиц может быть обусловлено разностью потенциалов между поверхностью пульсара и "бесконечностью". Рождение электрон-позитронных пар в магнитосфере пульсара может приводить к экранированию ускоряющего элек-трич. поля. Однако даже в этих условиях в магнитосфере имеются области, где разность потенциалов не скомпенсирована,- это т. н. внутренний и внешний зазоры, в к-рых, по-видимому, и осуществляется ускорение частиц.

Флуктуационные эл.-магн. поля могут возбуждаться в турбулентной среде. Турбулентные движения довольно часто встречаются в разл. космич. объектах, включая межзвёздную среду. В таких условиях может эффективно работать механизм, предложенный Э. Ферми (ускорение Ферми). Он реализуется при столкновении лёгкой частицы с "тяжёлыми" магн. облаками массой М, движущимися со случайными скоростями и. Предполагаются выполненными неравенства

5047-18.jpg

где 5047-19.jpg v и т- скорость и масса частицы. При столкновении частицы с облаком она меняет свою энергию. Энергия частицы увеличивается при "встречных" столкновениях и уменьшается в случае "догоняющих" столкновений. Однако поскольку вероятность столкновений зависит от относит, скорости, то частота "встречных" столкновений (относит, скорость в одномерном случае равна v + u )выше частоты "догоняющих" столкновений (относит, скорость равна и-и). В результате энергия час-

тицы в ср. увеличивается. Изменение энергии

5047-20.jpg

где 5047-21.jpg -характерное время ускорения. В однородном и стационарном случаях ф-ция распределения частиц 5047-22.jpg описывается ур-нием

5047-23.jpg

где т-характерное время жизни частиц в области ускорения. Из ур-ния (2) следует, что ускорение Ферми формирует степенной спектр (частиц) вида [

5047-24.jpg

Однако в применении к межзвёздной среде данный механизм, по-видимому, малоэффективен (по крайней мере, для частиц с энергиями, большими 1-3 ГэВ/нуклон), поскольку характерное время ускорения намного больше времени жизни КЛ в Галактике. Возможно, этот механизм эффективен в радиогалактиках.

Скорее всего, данный механизм может реализоваться в областях с сильно развитой турбулентностью. В этой связи представляет интерес механизм ускорения частиц на фронтах ударных волн, к-рый близок к рассмотренному выше механизму Ферми. Ускорение реализуется в том случае, если в окрестности ударного фронта имеются к.-л. рассеивающие центры. Тогда частица, пересекшая ударный фронт, может снова возвратиться на него за счёт рассеивания на этих центрах. При каждом пересечении ударного фронта частица набирает энергию в сжимающихся потоках. Изменение энергии релятивистской частицы описывается ур-нием

5047-25.jpg

где и- скорость среды (на ударном фронте 5047-26.jpg Ф-ция распределения ускоренных частиц описывается в этом случае ур-нием

5047-27.jpg

где D - коэф. диффузии частиц, обусловленный их рассеянием. Для сильной ударной волны спектр ускоренных частиц имеет универсальный вид: ; :

5047-28.jpg

Механизм У. з. ч. на ударных волнах представляется привлекательным ввиду трёх обстоятельств: 1) ударные волны достаточно распространены в Галактике. Они образуются, напр., у звёзд с сильным звёздным ветром, в результате взрыва сверхновых и т. д.; 2) при ускорении на разл. ударных волнах генерируется универсальный спектр частиц, к-рый не зависит от таких характеристик, как скачок скорости на ударном фронте (величина коэф. диффузии); 3) спектральный индекс частиц, ускоренных на фронтах [ур-ние (3)], близок к спектральному индексу КЛ у Земли (1).

Помимо представленных моделей существует ряд других, получивших, правда, меньшее признание, в к-рых делаются попытки объяснить наблюдаемые характеристики КЛ. При этом рассматриваются как процессы, протекающие в межзвёздной среде, так и в разл. космич. объектах.

Лит.: Гинзбург В; И.', Сыров а тс кий С. И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Астрофизика космических лучей, под ред. В. Л. Гинзбурга, 2 изд., М., 1990; Генерация космических лучей ударными волнами, Новосиб., 1988. В. А. Догель.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "УСКОРЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ" в других словарях:

  • ускорение заряженных частиц — elektringųjų dalelių greitinimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. acceleration of charged particles vok. Beschleunigung der geladenen Teilchen, f rus. ускорение заряженных частиц, n pranc. accélération des particules chargées …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • ускорение пучка заряженных частиц для термоядерных исследований — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN particle beam fusion accelerationPBFA …   Справочник технического переводчика

  • Ускоритель заряженных частиц — Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо инжектор Ускоритель заряженных частиц  класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных …   Википедия

  • Ускорители заряженных частиц — Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо инжектор. Ускоритель заряженных частиц класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Современные ускорители,… …   Википедия

  • Ускорители заряженных частиц —         устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное… …   Большая советская энциклопедия

  • УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ — установки, служащие для ускорения заряж. частиц до высоких энергий. При обычном словоупотреблении ускорителями (У.) наз. установки, рассчитанные на ускорение частиц до энергий более МэВ. На рекордном У. протонов теватроне достигнута энергия 940… …   Физическая энциклопедия

  • ДРЕЙФ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ — в плазме, относительно медленное направленное перемещение заряж. ч ц (эл нов и ионов) под действием разл. причин, налагающихся на осн. движение (закономерное или беспорядочное). Напр., осн. движение заряж. ч цы в однородном магн. поле в… …   Физическая энциклопедия

  • УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ — установки для получения направл. пучков электронов, протонов, альфа частиц или ионов с энергией от сотен кэВ до сотен ГэВ. В У. з. ч. ускоряемые заряж. частицы увеличивают свою энергию, двигаясь в электрич. поле (статич., индуктированном или… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • Ускорения заряженных частиц коллективные методы —         Ускорение заряженных частиц в современных ускорителях происходит благодаря взаимодействию заряда частицы с внешним электромагнитным полем (см. Ускорители заряженных частиц). Эффективность ускорения, т. е. средняя энергия, сообщаемая… …   Большая советская энциклопедия

  • Ускорения заряженных частиц коллективные методы. — Ускорения заряженных частиц коллективные методы. Ускорение заряженных частиц в современных ускорителях происходит благодаря взаимодействию заряда частицы с внешним электромагнитным полем (см. Ускорители заряженных частиц). Эффективность ускорения …   Большая советская энциклопедия

Книги

Другие книги по запросу «УСКОРЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ» >>