ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2004, том 30, № 10, с. 729-735
УДК 524.7
ПОЛУАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ГАЛО ВНЕГАЛАКТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ y-КВАНТОВ
© 2004 г. С. Р. Кельнер1, Д. В. Хангулян2*, Ф. А. Агаронян2
1 Институт ядерной физики Общества им. Макса Планка, Гейдельберг, Германия 2Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
Поступила в редакцию 24.02.2004 г.
Излучаемые активными галактическими ядрами y-кванты сверхвысоких энергий (более 20 ТэВ) могут поглощаться в межгалактическом пространстве за счет процесса рождения электрон-позитронных пар при взаимодействии с внегалактическими фоновыми фотонными полями. Электроны и позитроны, образующиеся в результате данного взаимодействия, формируют электромагнитное гало. Изучен процесс образования гало и рассчитаны спектры излучения гало. Предполагается, что в области формирования гало напряженность магнитного поля имеет величину, достаточную для изотропизации скоростей электронов. Для таких полей процесс формирования гало можно описывать методом поколений. Проведены расчеты спектров синхротронного и обратного комптоновского излучений для полной светимости гало. Получено пространственное распределение излучения для точечного источника y-квантов.
Ключевые слова: активные ядра галактик, квазары и радиогалактики, электромагнитное гало, блазары, фоновое излучение.
A SEMIANALYTICAL METHOD FOR CALCULATING THE PARAMETERS OF THE ELECTROMAGNETIC HALO AROUND EXTRAGALACTIC GAMMA-RAY SOURCES, by S. R. Kel'ner, D. V. Khangulyan, and F. A. Aharonian. The ultrahigh-energy (>20 TeV) gamma-ray photons emitted by active galactic nuclei can be absorbed in intergalactic space through the production of electron—positron pairs during their interaction with extragalactic background photon fields. The electrons and positrons produced by this interaction form an electromagnetic halo. We have studied the halo formation and calculated the halo radiation spectrum. The magnetic field in the halo formation region is assumed to be strong enough for the electron velocities to be isotropized. For such fields, the halo formation process can be described by the method of generations. We calculated the synchrotron and Compton backscattering radiation spectra for the total halo luminosity. We obtained the spatial distribution of the radiation for a point gamma-ray source.
Key words: active galactic nuclei, quasars and radio galaxies, electromagnetic halo, blazars, background radiation.
ВВЕДЕНИЕ
Блазары представляют собой класс активных галактических ядер, характеризующихся быстро изменяющимся нетепловым излучением в широком диапазоне спектра. Характерный масштаб времени для подобных систем — это дни или даже часы, а наблюдаемое излучение лежит в диапазоне от радиоволн до 7-квантов свервысоких энергий, вплоть до 20 ТэВ. Подобные системы вызывают пристальное внимание, поскольку могут служить хорошей
Электронный адрес: dmitry.khangulyan@mpi-hd.mpg.
de
тестовой системой для изучения механизмов ускорения частиц в релятивистских струях. Кроме того, как наблюдательное, так и теоретическое исследования данных объектов представляют значительный интерес, потому что эта область современной физики содержит много нерешенных проблем, зачастую не ясны даже базовые механизмы формирования наблюдаемых объектов (см., например, Агаронян, 2001, и цитируемую там литературу).
Серьезным препятствием в наблюдении блаза-ров является то, что межгалактическое пространство не абсолютно прозрачно для 7-квантов. Это
730
КЕЛЬНЕР и др.
Рис. 1. Свободный пробег 7-квантов, электронов и гирорадиус электронов в магнитном поле.
связано с наличием фонового излучения (микроволнового реликтового и теплового инфракрасного). Высокоэнергичные 7-кванты взаимодействуют с мягкими фотонами, при этом исходный 7-квант поглощается за счет образования электрон-позитронной пары. Это приводит к формированию электромагнитного гало вокруг источника. Впервые данное явление было рассмотрено в работе Агароняна и др. (1994). В настоящее время фоновые фотонные поля достаточно хорошо исследованы и существует ряд достоверных измерений их спектров.
Спектральное распределение теплового излучения имеет два максимума, на длинах волн порядка А ~ 1—2 мкм, и А ~ 100—200 мкм. Много работ было посвящено анализу фоновых полей, результаты последних измерений фонового излучения достаточно плотно покрывают спектр в области А ~ 1—200 мкм (Хаузеридр., 1998; Лагачеидр., 1999; Финкбайнер и др., 2000; Франческини и др., 2001; Райт, Джонсон, 2001; Матсумото, 2000; Камбрези и др., 2001; Поцетти и др., 1998; см. также обзор Хаузер, Двек, 2001).
Испускаемое блазарами 7-излучение взаимодействует с фоновым излучением, что приводит к его абсорбции. На рис. 1 представлены результаты расчетов свободного пробега 7-квантов в межгалактическом пространстве по отношению к процессу рождения электрон-позитронной пары при взаимодействии с фоновым фотонным полем. Кроме того, здесь показаны кривые, соответствующие гирорадиусу электронов для напряженности магнитного поля 10_6 Гс и свободному пробегу электронов для процесса обратного комптоновско-го рассеяния. Из представленного расчета видно, что для источников излучения, находящихся на
расстоянии свыше 100 Мпк, необходимо учитывать абсорбцию 7-квантов с энергией выше нескольких ТэВ в межгалактическом пространстве. Кроме того, и для более близких объектов спектр будет сильно деформироваться в области сверхвысоких энергий (десятки ТэВ) за счет взаимодействия с фотонами фонового излучения.
Таким образом, детектируемый на Земле спектр блазаров будет сильно отличаться от спектра, порождаемого блазарами, который, как ожидается, простирается вплоть до энергий 105 ТэВ. Реконструкции спектра блазаров посвящен ряд работ, в работах Агароняна и др. (1999, 2001) представлен полученный в ходе наблюдений на системе телескопов ИБОРЛ в 1997 г. спектр блазара Магкапап 501 и приведены реконструированные спектры для различных моделей фонового излучения. Для источников, расположенных дальше, чем 100 Мпк, 7-кванты с энергией выше 10 ТэВ будут существенно поглощаться в межгалактическом пространстве (см. рис. 1). Заметим, что в этом диапазоне спектра содержится заметная доля энергии, излучаемой блазарами. Однако эта энергия не теряется, а переизлучается, но уже в другом диапазоне спектра. Вопрос о характеристиках этого вторичного излучения представляет интерес как с теоретической, так и с наблюдательной точки зрения, поскольку в нем должна быть сосредоточена значительная часть энергетических потерь блазара.
Абсорбция 7-квантов определяется их взаимодействием с мягкими фотонами фоновых излучений, в результате которого проходит рождение электрон-позитронных пар, которым и передается энергия первоначального 7-кванта. В свою очередь, рожденные электроны будут также взаимодействовать с реликтовым и тепловым фотонными полями и могут испускать 7-кванты высоких энергий за счет механизма обратного комптоновского излучения. Таким образом возникает каскадный процесс, который будет передавать энергию, излученную блазарами в виде 7-квантов сверхвысоких энергий, 7-квантам с энергией порядка нескольких ТэВ — пробег подобных 7-квантов составляет сотни Мпк, поэтому они будут достигать Земли и могут быть обнаружены.
Важный фактор, который усиливает интерес к данному каскадному процессу, — это наличие магнитного поля в области, где происходит рождение пар, т.е. формируется электромагнитное гало. Влияние магнитного поля на это явление сказывается двояко: во-первых, возникает синхротрон-ное излучение электронов и, во-вторых, траектории частиц будут искривляться, что приводит к изотропизации излучения. Второй фактор важен с наблюдательной точки зрения, поскольку даже в том случае, когда первоначальный поток 7-квантов
хорошо сколлимирован и поэтому не может быть обнаружен, электромагнитное гало обладает практически изотропным излучением. Данный факт делает актуальным исследование электромагнитных гало, особенно в связи с наблюдением блазаров, так как ожидается, что их излучение формируется в области ультрарелятивистских струй и хорошо сколлимировано.
В теоретическом моделировании гало в последние годы был достигнут несомненный прогресс. В работе Ейнгваничайапанта (2003) был проведен численный расчет электромагнитного гало методом Монте-Карло. Рассматривался процесс формирования гало вокруг точечного изотропного источника 7-квантов с энергией 100 ТэВ. В расчетах величина магнитного поля полагалась равной 10-12 Гс, что соответствует ожидаемым значениям для ряда активных галактических ядер. В расчетах Ейнгваничайапанта (2003) не принимались в расчет синхротронные потери электронов, такое приближение соответствует слабому магнитному полю. Однако для случая блазаров в области формирования гало можно ожидать более сильное магнитное поле, вплоть до нескольких микрогау-сов. Такое магнитное поле, характерно для некоторых областей вселенной, например, для кластеров галактик. В данной работе расчеты проводятся для напряженности магнитного поля 10-6 Гс. В таких полях электроны быстро теряют энергию на синхротронное излучение. Это обстоятельство определяет принципиальное отличие данной работы от случая, рассмотренного Ейнгваничайапантом (2003). Анализу подобного случая посвящена работа Тимохина и др. (2003), в которой рассматривается сильное магнитное поле. В таких условиях развитие каскадного процесса полностью подавляется, поэтому учитывается только одно поколение частиц, теряющих энергию за счет синхротронного излучения. В нашей работе мы рассматриваем как каскадный процесс, так и потерю энергии электронами на синхротронное излучение. Используется полуаналитический подход, который позволяет исследовать детали образования электромагнитного гало источников 7-квантов больших энергий. Возможность проведения полуаналитических расчетов структуры гало связана с тем, что энергетические потери электронов на синхротронное излучение заметно подавляют каскадный процесс. Поэтому развитие каскада можно описывать методом поколений, пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.