Центробежное ускорение (астрофизика)

Механизм ускорения космических лучей

Центробежное ускорение астрочастиц до релятивистских энергий может иметь место во вращающихся астрофизических объектах (см. также ускорение Ферми ). Существует твердое убеждение, что активные ядра галактик и пульсары имеют вращающиеся магнитосферы , поэтому они потенциально могут разгонять заряженные частицы до высоких и сверхвысоких энергий. Это предлагаемое объяснение сверхвысокоэнергетических космических лучей (UHECR) и экстремально-энергетических космических лучей (EECR), превышающих предел Грейзена–Зацепина–Кузьмина .

Ускорение до высоких энергий

Хорошо известно, что магнитосферы активных ядер галактик и пульсаров характеризуются сильными магнитными полями, которые заставляют заряженные частицы следовать линиям поля. Если магнитное поле вращается (что имеет место для таких астрофизических объектов), частицы неизбежно будут испытывать центробежное ускорение. Пионерская работа Мачабели и Рогавы ^[1] представляла собой мысленный эксперимент , в котором бусинка движется внутри прямой вращающейся трубы. Динамика частицы была проанализирована как аналитически, так и численно, и было показано, что если жесткое вращение поддерживается в течение достаточно длительного времени, энергия бусинки будет асимптотически увеличиваться. В частности, Ригер и Мангейм ^[2] , основываясь на теории Мачабели и Рогавы, показали, что фактор Лоренца бусинки ведет себя как

где — начальный фактор Лоренца, Ω — угловая скорость вращения, — радиальная координата частицы, — скорость света. Из этого поведения очевидно, что радиальное движение будет иметь нетривиальный характер. В процессе движения частица достигнет поверхности светового цилиндра (гипотетической области, где линейная скорость вращения в точности равна скорости света), что приведет к увеличению полоидальной составляющей скорости. С другой стороны, полная скорость не может превышать скорость света, поэтому радиальная составляющая должна уменьшаться. Это означает, что центробежная сила меняет знак. ${\displaystyle \gamma _{0}}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle c}$

Как видно из ( 1 ), фактор Лоренца частицы стремится к бесконечности, если сохраняется жесткое вращение. Это означает, что в действительности энергия должна быть ограничена определенными процессами. Вообще говоря, существует два основных механизма: обратное комптоновское рассеяние (ICS) и так называемый механизм разрушения бусинки на проволоке (BBW). ^[3] Для струеподобных структур в AGN было показано, что для широкого диапазона углов наклона силовых линий относительно оси вращения ICS является доминирующим механизмом, эффективно ограничивающим максимально достижимые факторы Лоренца электронов . С другой стороны, было показано, что BBW становится доминирующим для AGN с относительно низкой светимостью , что приводит к . ${\displaystyle \gamma _{ICS}^{max}\sim 10^{8}}$ ${\displaystyle L<8\times 10^{40}\mathrm {erg} /\mathrm {s} }$ ${\displaystyle \gamma _{BBW}^{max}\sim 10^{7}}$

Центробежные эффекты более эффективны в миллисекундных пульсарах , поскольку скорость вращения довольно высока. Османов и Ригер ^[4] рассмотрели центробежное ускорение заряженных частиц в области светового цилиндра пульсаров типа Краба. Было показано, что электроны могут достигать факторов Лоренца посредством обратного комптоновского Клейна-Нишины рассеяния вверх. ${\displaystyle \gamma _{KN}^{max}\sim 10^{7}}$

Ускорение до очень высоких и сверхвысоких энергий

Хотя прямое центробежное ускорение имеет ограничения, как показывает анализ, эффекты вращения все еще могут играть важную роль в процессах ускорения заряженных частиц. Вообще говоря, считается, что центробежные релятивистские эффекты могут индуцировать плазменные волны, которые при определенных условиях могут быть нестабильны, эффективно перекачивая энергию из фонового потока. На втором этапе энергия волновых мод может быть преобразована в энергию плазменных частиц, что приведет к последующему ускорению.

Во вращающихся магнитосферах центробежная сила действует по-разному в разных местах, что приводит к генерации волн Ленгмюра или плазменных колебаний через параметрическую неустойчивость. Можно показать, что этот механизм эффективно работает в магнитосферах активных ядер галактик ^[5] и пульсаров. ^[6]

Рассматривая пульсары типа Краба , было показано, что с помощью затухания Ландау центробежно-индуцированные электростатические волны эффективно теряют энергию, передавая ее электронам. Найдено, что прирост энергии электронами определяется выражением ^[7]

где , - инкремент неустойчивости (подробнее см. в цитируемой статье), , , - плотность числа плазмы, - масса электрона, - плотность Голдрайха-Джулиана. Можно показать, что для типичных параметров пульсаров типа Краба частицы могут приобретать энергии порядка или даже . В случае миллисекундных новорожденные пульсары электроны могут ускоряться до еще более высоких энергий или ^[8] ${\displaystyle \delta r\sim c/\Gamma }$ ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle F_{reac}\approx 2mc\Omega \xi (r)^{-3}}$ ${\displaystyle \xi (r)=\left(1-\Omega ^{2}r^{2}/c^{2}\right)^{1/2}}$ ${\displaystyle n_{p}}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle n_{_{GJ}}}$ ${\displaystyle 100s}$ ${\displaystyle TeVs}$ ${\displaystyle PeVs}$ ${\displaystyle 10^{18}eV}$ ${\displaystyle EeVs}$

При исследовании магнитосфер активных ядер галактик, ускорение протонов происходит посредством ленгмюровского коллапса . Как показано, этот механизм достаточно силен, чтобы гарантировать эффективное ускорение частиц до сверхвысоких энергий посредством ленгмюровского затухания ^[9]

${\displaystyle \epsilon _{p}\left(eV\right)\approx 6.4\times 10^{17}\times M_{8}^{-5/2}\times L_{42}^{5/2}}$,

где — нормированная светимость АЯГ, — его нормированная масса, — масса Солнца. Как видно, при удобном наборе параметров можно достичь огромных энергий порядка или , так что АЯГ становятся космическими зеватронами. ${\displaystyle L_{42}\equiv L/10^{42}\mathrm {erg} /\mathrm {s} }$ ${\displaystyle M_{8}\equiv M/(10^{8}M_{\odot })}$ ${\displaystyle M_{\odot }}$ ${\displaystyle 10^{21}eV}$ ${\displaystyle ZeVs}$

Ссылки

1. Мачабели, ГЗ; Рогава, АД (1994). «Центробежная сила: мысленный эксперимент». Physical Review A. 50 ( 1): 98–103. Bibcode : 1994PhRvA..50...98M. doi : 10.1103/PhysRevA.50.98. PMID  9910872.
2. Ригер, Ф. М.; Мангейм, К. (2000). «Ускорение частиц вращающимися магнитосферами в активных ядрах галактик». Астрономия и астрофизика . 353 : 473. arXiv : astro-ph/9911082 . Bibcode : 2000A&A...353..473R.
3. Османов, З.; Рогава, А.; Бодо, Г. (2007). «Об эффективности ускорения частиц вращающимися магнитосферами в активном галактическом ядре». Астрономия и астрофизика . 470 (2): 395–400. arXiv : astro-ph/0609327 . Bibcode : 2007A&A...470..395O. doi : 10.1051/0004-6361:20065817. S2CID  486325.
4. Османов, З.; Ригер, Ф.М. (2009). «Об ускорении частиц и γ-излучении очень высокой энергии в пульсарах типа «Крабовидный»». Астрономия и астрофизика . 502 (1): 15–20. arXiv : 0906.1691 . Bibcode : 2009A&A...502...15O. doi : 10.1051/0004-6361/200912101. S2CID  6198364.
5. Османов, З.; Мангейм, К. (2008). "Центробежно-управляемая электростатическая неустойчивость во внегалактических струях". Физика плазмы . 15 (3): 032901. arXiv : 0706.0392 . Bibcode : 2008PhPl...15c2901O. doi : 10.1063/1.2842365. S2CID  119330230.
6. Ригер, Ф. М.; Мангейм, К.; Махаджан, Свадеш М. (2006). «Параметрический механизм накачки энергии вращения релятивистской плазмой». arXiv : astro-ph/0609383 .
7. Махаджан, Свадеш; Мачабели, Джордж; Османов, Заза; Чхеидзе, Нино (2013). «Электроны сверхвысокой энергии, приводимые в действие вращением пульсара». Scientific Reports . 3 : 1262. arXiv : 1303.2093 . Bibcode :2013NatSR...3E1262M. doi :10.1038/srep01262. PMC 3569628 . PMID  23405276. 
8. Османов, Заза; Махаджан, Свадеш; Мачабели, Джордж; Чхеидзе, Нино (2015). «Миллисекундные новорожденные пульсары как эффективные ускорители электронов». Scientific Reports . 5 : 14443. arXiv : 1507.06415 . Bibcode :2015NatSR...514443O. doi :10.1038/srep14443. PMC 4585882 . PMID  26403155. 
9. Османов, З.; Махаджан, С.; Мачабели, Г.; Чхеидзе, Н. (2014). «Чрезвычайно эффективный зеватрон во вращающихся магнитосферах активного ядра галактики». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 445 (4): 4155–4160. arXiv : 1404.3176 . Bibcode : 2014MNRAS.445.4155O. doi : 10.1093/mnras/stu2042.{{cite journal}}: CS1 maint: неотмеченный бесплатный DOI ( ссылка )

Дополнительные ссылки

• Гудавадзе, Ираклий; Османов, Заза; Рогава, Андрия (2015). «О роли вращения в оттоках пульсара в Крабовидной туманности». International Journal of Modern Physics D . 24 (6): 1550042. arXiv : 1411.7241 . Bibcode :2015IJMPD..2450042G. doi :10.1142/S021827181550042X. S2CID  118584645.
• Османов, Заза (2013). "О роли неустойчивости дрейфа кривизны в динамике электронов в активных ядрах галактик". International Journal of Modern Physics D . 22 (13): 1350081. arXiv : 0907.4268 . Bibcode :2013IJMPD..2250081O. doi :10.1142/S0218271813500818. S2CID  119158003.
• Османов, З. (2010). «Вызывается ли очень высокое энергетическое излучение BL Lac 1ES 0806+524 центробежным действием?». Новая астрономия . 15 (4): 351–355. arXiv : 0901.1235 . Bibcode : 2010NewA...15..351O. doi : 10.1016/j.newast.2009.10.001. S2CID  119192197.
• Османов, З.; Шапакидзе, Д.; Мачабели, Г. (2009). "Динамическая обратная связь неустойчивости дрейфа кривизны с процессом ее насыщения" (PDF) . Астрономия и астрофизика . 503 (1): 19–24. arXiv : 0711.0295 . Bibcode :2009A&A...503...19O. doi :10.1051/0004-6361/200912113. S2CID  15342835.
• Османов, З. (2008). "Эффективность центробежно-индуцированной дрейфовой неустойчивости кривизны в ветрах АЯГ" (PDF) . Астрономия и астрофизика . 490 (2): 487–492. arXiv : 0803.0395 . Bibcode :2008A&A...490..487O. doi :10.1051/0004-6361:200809710. S2CID  17264617.
• Османов, З.; Далакишвили, Г.; Мачабели, Г. (2008). «О реконструкции магнитосферы пульсаров вблизи поверхности светового цилиндра». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 383 (3): 1007–1014. Bibcode : 2008MNRAS.383.1007O. doi : 10.1111/j.1365-2966.2007.12543.x .
• Рогава, Андрия; Далакишвили, Георгий; Османов, Заза (2003). «Центробежно-управляемая релятивистская динамика на криволинейных траекториях». Общая теория относительности и гравитация . 35 (7): 1133–1152. arXiv : astro-ph/0303602 . Bibcode :2003GReGr..35.1133R. doi :10.1023/A:1024450105374. S2CID  119440652.