ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 340-342
УДК 524.1-2
ВЕЛА КАК ИСТОЧНИК КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ, ОТВЕТСТВЕННЫЙ ЗА ОБРАЗОВАНИЕ ИЗЛОМА В ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ СПЕКТРЕ © 2015 г. А. Д. Ерлыкин1, А. У. Вольфендейл2
E-mail: erlykin@sci.lebedev.ru
Резкость излома энергетического спектра космических лучей (КЛ), наблюдаемая при энергии 3—4 ПэВ, может быть вызвана вкладом сравнительно близкого и молодого одиночного источника. Применение моделей ускорения и распространения КЛ в Галактике позволяет оценить границы расстояния до такого источника и его возраста. В этих границах находится кластер Вела. В статье приведены дополнительные аргументы, связанные с анизотропией и структурой энергетического спектра КЛ при ПэВ-ных энергиях и выше, в пользу Велы как такого одиночного источника.
DOI: 10.7868/S0367676515030187
ВВЕДЕНИЕ
Модель одиночного источника была предложена в 1997 г. для объяснения удивительной резкости излома в спектре широких атмосферных ливней по числу частиц при первичной энергии порядка 3—4 ПэВ [1]. Ее основанием является очевидная неоднородность распределения источников КЛ ( остатки сверхновых звезд, пульсары и т.п.) и свойств межзвездной среды в пространстве и во времени. Исходя из накопленной статистики, можно ожидать, что вероятность сравнительно близкой и молодой вспышки сверхновой в пределах расстояний до 300 пк от солнечной системы и возраста менее 105 лет достаточно велика (~1).
Разделение энергетического спектра всех частиц КЛ на две компоненты — от многих далеких и старых источников и от одного наиболее близкого и молодого источника является упрощением реальной картины, но такой сценарий по крайней мере позволяет описать основные черты наблюдаемого спектра и ставить вопрос об идентификации предполагаемого одиночного источника.
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОДИНОЧНОГО ИСТОЧНИКА
Расстояние и возраст
Идентификация источника может быть проведена путем сравнения наблюдаемого спектра с модельными расчетами, сделанными для разных возрастов и расстояний от источника до наблюдателя в солнечной системе. Наши первые расчеты
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва.
2 Физический факультет, Университет г. Дарэм, Великобри-
тания.
[2] были сделаны в предположении, что таким источником является остаток сверхновой и основаны на идеях, предполагавших удержание КЛ внутри ее расширяющейся оболочки вплоть до момента, когда эта способность ослабевает настолько, что КЛ начинают покидать оболочку и выходить в межзвездное пространство [3, 4]. В нашей работе [5], использовавшей эти идеи, такое удержание продолжалось вплоть до 80 тысяч лет и были поставлены пределы на расстояние R и возраст Т сверхновой: 250 < R < 400 пк, 85 < T < 115 тыс. лет. Американские астрономы нашли, что этим условиям удовлетворяет остаток сверхновой Моноджем Ринг с пульсаром В0656 + 14.
В более поздних моделях было показано, что такого сильного удержания нет, и частицы высоких энергий начинают покидать оболочку сразу же после взрыва [6]. Для такой модели возраст сверхновой сокращается до 5 < T < 35 тысяч лет, а расстояние остается прежним, т.е. 250 < R < 400 пк. Этим условиям удовлетворяет остаток сверхновой Вела, находящийся на расстоянии 273 ± 33 пк и имеющий возраст порядка 11 тыс. лет.
Анизотропия интенсивности КЛ
Кластер Вела это комплексный и довольно протяженный источник, включающий в себя основной остаток сверхновой (Vela SNR), пульсар В0833-45 с его туманностью (Vela X + PWN) и еще одну сверхновую (Vela Jr). Он находится в галактической плоскости и в третьем ее квадранте: l ~ 265°,
b--3°. Из-за близости этого источника можно
ожидать появления избытка интенсивности КЛ вблизи направления на этот источник, особенно для КЛ высоких энергий, испытывающих наименьшее отклонение в галактических магнитных полях. В нашей работе [7] положение Велы на не-
ВЕЛА КАК ИСТОЧНИК КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
341
E = 6-20 ТэВ +90°
Equatorial coordinates Aitoff centre a = 12h 8 = 0°
E = 400-2000 ТэВ +90°
360°
360°
Galactic coordinates Galactic centre I = 0° b = 0°
+90°
+90°
180°
180° -180°
180°
-90°
Рис. 1. Схематичные карты избыточной интенсивности КЛ в экваториальных (А, В) и галактических (С, D) координатах для двух интервалов энергии: 6—20 ТэВ (А, С) и 400—2000 ТэВ (В, D). Овалы — области избытка, наблюдавшиеся в экспериментах МИЛАГРО, АРГО, Супер-Камиоканде, Айс-Куб и Айс-Топ. Темный пятиугольник показывает положение остатка сверхновой Моноджем Ринг, темная звезда — положение Велы Х.
0
О
0
о
бесной сфере сравнивалось с положением избытков интенсивности в экваториальных и галактических координатах для КЛ разных энергий (рис. 1). Видно, что для КЛ ПэВ-ных энергий, приближающихся к энергии излома, положение избытка интенсивности приближается к направлению на Велу.
Применение разностного метода для изучения анизотропии
Подтверждение возможной роли Велы в формировании излома было найдено в результате применения нового разностного метода для изучения анизотропии КЛ [8]. Идея метода заключалась в том, что энергетический спектр КЛ от близкого и молодого источника должен отличаться от спектра частиц фона от более далеких и старых источников. Соответственно характеристики широких атмосферных ливней (ШАЛ), создаваемых КЛ от такого источника, должны отличаться от ливней фона. Ищется направление, по которому разница характеристик ливней, приходящих с одной стороны этого направления и противоположной стороны, максимальна. Предполагается, что такое
направление и есть направление на наш одиночный источник.
Метод был применен к банку ШАЛ, зарегистрированных на установке "ГАММА". Установка создана международной коллаборацией в Армении, расположена и работает на горе Арагац [8]. В качестве параметра, по которому проводилось сравнение характеристик ШАЛ, приходящих с прямого и противоположного направлений, использовался возраст ШАЛ. Наибольшая разность получилась в направлении с галактическими координатами: l = 277° ± 3°, b = -5° ± 3° (рис. 2). Учитывая протяженный характер Велы и возможное отклоняющее влияние магнитных полей Галактики, согласие этих координат с координатами Велы можно считать удовлетворительным.
Вклад пульсара Велы
Пульсар В0833-45, оставшийся после взрыва сверхновой, тоже может давать вклад в общий поток КЛ от Велы. В работе [9] был рассчитан энергетический спектр протонов от этого пульсара. Оказалось, что "пик" интенсивности ( в координатах log E 3I vs logE) приходится как раз на энер-
342
ЕРЛЫКИН, ВОЛЬФЕНДЕЙЛ
I, град 340
320
300
280
260
240
220
200
180
20 30 b, град
Рис. 2. Контурная диаграмма распределения параметра х2/^, характеризующего отличие распределения возраста ШАЛ для прямого и противоположного направлений в галактических координатах. Контуры различных оттенков серого цвета относятся к различным уровням параметра х2/J (см. вставку). Белая точка в центре диаграммы показывает положение Велы, близкое к положению максимального отличия распределений возраста ШАЛ.
гию излома порядка 3—4 ПэВ. Если пульсар способен ускорять и другие ядра , то можно ожидать появления нерегулярностей в спектре при более высоких энергиях.
В частности, вероятно появление пика со значительной долей ядер железа в нем при энергиях порядка 50—80 ПэВ. При энергиях выше 100 ПэВ вклад пульсара заканчивается и можно ожидать укручения спектра.
Экспериментальная ситуация при энергиях выше излома неоднозначна. Большинство экспериментов указывают на уположение спектра при энергиях выше 20 ПэВ, что может происходить из-за окончания вклада от ядер группы СМО. Эксперимент "ГАММА" показал наличие острого пика при энергиях 50—80 ПэВ, что говорит о возможном вкладе ядер железа. Эксперименты Тун-ка-133, Якутск, Айс-Топ такого острого пика не обнаруживают, но небольшое повышение интен-
сивности при этих энергиях в их данных присутствует. Эксперимент Каскаде-Гранде вообще не видит нерегулярности спектра при 50—80 ПэВ. В то же время все эти эксперименты показывают укручение спектра при энергиях, превышающих 100 ПэВ, что можно интерпретировать как окончание вклада от одиночного источника.
Таким образом, со значительной вероятностью можно говорить о возможном вкладе пульсара Ве-лы в поток КЛ от этого источника, однако это утверждение пока еще нельзя считать доказанным.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Хотя и с оговорками, но можно сказать, что на основании
♦ оценок расстояния и возраста источника,
♦ данных об анизотропии КЛ при ПэВ-ных энергиях,
♦ результатов применения разностного метода к изучению анизотропии,
♦ возможного существования пика интенсивности КЛ при энергиях 50—80 ПэВ, вызванного ядрами железа, кластер Вела со значительной вероятностью может быть источником КЛ, ответственным за формирование излома в их энергетическом спектре.
Авторы благодарят Фонд Кона за поддержку этой работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Erlykin A.D., Wolfendale A.W. // J. Phys. G. 1997. V 23.
P. 979.
2. ErlykinA.D., WolfendaleA.W. // J. Phys. G: Nucl. Part.
Phys. 2003. V. 29. P. 709.
3. Voelk H.J. // 2000. astro-ph/0001331
4. Berezhko E.G., Voelk H.J. // Astrophys. J. 2000. V. 540.
P. 923.
5. Thorsett S.E. et al. // Astrophys. J. Lett. 2003. V. 592.
P. L71.
6. Ptuskin V.S., Zirakashvili V.N. // Astron. Astrophys.
2005. V. 429. P. 755.
7. Erlykin A.D., Wolfendale A.W. // J. Cosmology and Astro-
part. Phys. 2013.JCAP94(2013)006, arxiv:1303.2889
8. Pavlyuchenko V.P. et al. // 2014. arxiv:1406.0799
9. Erlykin A.D., Wolfendale A.W. // Astropart. Phys. 2004.
V. 22/1. P. 47.
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.