ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 33, № 1, с. 29-38
УДК 5241-52
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ ОСНОВНЫХ ГРУПП ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В МОДЕЛИ ТРЕХ КЛАССОВ ИСТОЧНИКОВ
© 2007 г. В. И. Зацепин*, Н. В. Сокольская**
Научно-исследовательский институт ядерной физики, Москва Поступила в редакцию 18.05.2006 г.
Предложена модель, позволяющая согласованно описать существующие экспериментальные данные по элементным энергетическим спектрам космических лучей, полученным в прямых измерениях, и сделать плавный переход к спектру всех частиц, измеренному методом широких атмосферных ливней. В модели предполагается, что существуют три класса источников космических лучей — ударных волн от взрывающихся звезд, которые производят степенные по импульсу спектры с разными максимальными жесткостями и с различными спектральными индексами. Предполагается, что самым мощным классом источников являются ударные волны от массивных сверхновых, взрывающихся в OB-ассоциациях. Этот класс источников ускоряет космические лучи до максимальной жесткости 4 х 1015 В. Следующим классом (в порядке убывания мощности) предполагаются ударные волны от неассоциированных сверхновых звезд, взрывающихся в случайную межзвездную среду. Этот класс источников ускоряет космические лучи до максимальной жесткости 5 х 1013 В. Предполагается, что третий, самый слабый класс источников ускоряет космические лучи до максимальной жесткости 2 х 1011 В. Возможными физическими объектами в этом классе могли бы быть взрывы новых звезд.
Ключевые слова: космические лучи, нетепловые процессы излучения, источники космических лучей.
ENERGY SPECTRA OF THE MAIN GROUPS OF GALACTIC COMIC RAYS IN THE MODEL OF THREE CLASSES OF SOURCES, by V. I. Zatsepin and N. V. Sokolskaya. We suggest a model that allows one to consistently describe the available experimental data on the elemental cosmic-ray energy spectra obtained in direct measurements and to make a smooth transition to the spectrum of all particles measured by the method of extensive air showers. The model suggests the existence of three classes of cosmic-ray sources — the shocks from exploding stars that produce power-law (in momentum) spectra with different maximum rigidities and different spectral indices. The shocks from high-mass supernovae exploding in OB associations are assumed to be the most powerful class of sources. This class of sources accelerates cosmic rays to a maximum rigidity of 4 х 1015 V. The shocks from nonassociated supernovae exploding into a random interstellar medium are assumed to be the next class (in order of decreasing power). This class of sources accelerates cosmic rays to a maximum rigidity of 5 х 1013 V. The third, weakest class of sources is assumed to accelerate cosmic rays to a maximum rigidity of 2 х 1011 V. Nova explosions could be possible physical objects in this class.
PACS numbers: 98.70.Sa
Key words: cosmic rays, nonthermal radiation processes, cosmic-ray sources.
ВВЕДЕНИЕ
Источниками космических лучей в Галактике принято считать ударные волны в остатках сверхновых. В стандартной картине предполагается, что все источники ускоряют частицы космических лучей до максимальной жесткости (3—4) х 1015 В
Электронный адрес: viza@dec1.sinp.msu.ru
Электронный адрес: sok@dec1.sinp.msu.ru
и что различные ядра, ускоряемые в источниках, имеют одинаковые по импульсу спектры. Однако в эксперименте АТИК-2 (Зацепин и др., 2004; Вефель и др., 2005), на результаты которого мы будем опираться, обнаружено, что спектры протонов и гелия, являющихся наиболее обильными ядрами первичных космических лучей, имеют разные спектральные индексы. Это может означать, что измеряемый поток космических лучей является суммой потоков, генерируемых разными классами
Таблица 1. Эксперименты, использованные для построения модели
Эксперимент Метод Расположение Ссылка
AMS Магнитный спектрометр Спутник Алькарац и др., 2000а, б
CAPRICE Магнитный спектрометр Аэростат Боезио и др., 2003
BESS-TEV Магнитный спектрометр Аэростат Хаино и др., 2004
АТИК-2 Калориметр Аэростат Вефель и др., 2005; Панов и др., 2006
СОКОЛ Калориметр Спутник Иваненко и др., 1993
JACEE Эмульсионная камера Аэростат Асакимори и др., 1998; Такахаши и др., 1998
MUBEE Эмульсионная камера Аэростат Зацепин и др., 1994
RUNJOB Эмульсионная камера Аэростат Дербина и др., 2005
HEAO Черенковский счетчик Спутник Энгельман и др., 1990
CRN Переходное излучение Спутник Мюллер и др., 1991
TRACER Переходное излучение Аэростат Мюллер и др., 2005
ТИК Калориметр Аэростат Адамс и др., 1997
TUNKA ШАЛ На земле Буднев и др., 2005
KASCADE ШАЛ На земле Рот, Ульрих, 2003
HEGRA-AIROBIC ШАЛ На земле Аркуерос и др., 2000
TIBET ШАЛ На земле Аменомори и др., 2003
CASA-BLANCA ШАЛ На земле Фаулер и др., 2001
DICE ШАЛ На земле Киеда, Сворди, 1999
источников со своими спектральными индексами, своими максимальными жесткостями и своим массовым составом. Мы попытаемся описать спектры основных групп космических лучей, измеренные прямыми методами, и спектр всех частиц, измеренный методом широких атмосферных ливней (ШАЛ), отказавшись от представления об одном классе источников.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ
В табл. 1 приведен список экспериментов, которые были использованы для построения модели. В области энергий до ^100 ГэВ на нуклон спектры протонов и гелия измерены с помощью магнитных спектрометров, а спектры отдельных ядер — с помощью черенковских счетчиков или измерений переходного излучения. При энергиях больше ^5—10 ТэВ на частицу измерения выполнены с
помощью эмульсионных камер. В этих экспериментах были измерены спектры протонов, гелия и основных групп ядер. Приборы СОКОЛ, ТИК и АТИК-2 являются калориметрами с электронным считыванием информации. Прибор СОКОЛ — это толстый калориметр, измеряющий практически всю энергию частицы, а ТИК — тонкий калориметр без детектора заряда, который измеряет только спектр всех частиц. Наша модель будет существенным образом опираться на данные эксперимента АТИК-2. Спектрометр АТИК-2 состоит из полностью активного тонкого калориметра для измерения энергии и тонко секционированной кремниевой матрицы, позволяющей измерять заряд частицы в условиях большого обратного тока из калориметра. Измеренные в эксперименте АТИК-2 спектры с хорошей статистической точностью заполнили существовавший на энергетической шкале зазор от 100 ГэВ до 10 ТэВ. При энергиях выше ^2 х х 105 ГэВ измерения спектров космических лучей выполнены наземными установками ШАЛ. Для
105
А BESS-TEV О AMS □ CAPRICE
О JACEE О MUBEE RUNJOB
103 104 105 106 107 Энергия на частицу, ГэВ
Рис. 1. Спектры протонов и гелия: штриховые линии — вариант модели с двумя классами источников, сплошные линии -модель трех классов источников.
построения модели мы использовали только спектры всех частиц, измеренные этими установками. Спектры отдельных групп ядер или зарядовый состав космических лучей, полученные в этих экспериментах, пока, к сожалению, имеют слишком большой разброс и не могут быть использованы для подбора параметров модели.
МОТИВАЦИЯ ДЛЯ ОТКАЗА ОТ СТАРОЙ ПАРАДИГМЫ
На рис. 1 представлены предварительные экспериментальные данные эксперимента АТИК-2 по спектру протонов и ядер гелия (Вефель и др., 2005) вместе с другими имеющимися прямыми экспериментальными данными. В области энергий <300 ГэВ приведены данные магнитных спектрометров (Алькарац и др., 2000а, б; Боезио и др., 2003; Хаино и др., 2004), а в области энергий >10 ТэВ — данные эмульсионных экспериментов (Зацепин и др., 1994; Асакимори и др., 1998; Дер-бина и др., 2005).
Отметим следующие особенности спектров в эксперименте АТИК-2:
1. На левом краю энергетической шкалы данные АТИК-2 хорошо согласуются с данными магнитных спектрометров как по интенсивности, так и по наклону.
2. В области энергий >200 ГэВ на нуклон спектры становятся более пологими.
3. В степенном приближении в области энергий >200 ГэВ на нуклон спектры протонов и ядер гелия
Таблица 2. Параметры трех классов источников
Параметры модели Класс I Класс II Класс III
а 2.3 2.1 2.57
Rmax, ГВ 5 х 104 4 х 106 2 х 102
Y 2.63 2.43 2.9
Yk 8 4.5 4.5
F х (E/Eo)2-75
H(1)(74) 1.875 х 104 6.25 х 103 0.6
He (2X18) 8.5 х 103 8.5 х 103 1.5
CNO (7)(5.8) 6.75 х 103 1.8 х 103 30
Ne-S (12X3.5) 5.5 х 103 1.5 х 103 110
Z > 17(20X2.4) 3.5 х 103 1.2 х 103 750
Примечание. Класс I: изолированные сверхновые, взрывающиеся в межзвездную среду; класс II: мощные сверхновые, находящиеся в гигантской каверне; класс III: взрывы новых.
ГэВ ] — интенсивность различных групп
F [м"2 с"1 ср" при Eo = 104 ГэВ; в скобках — эффективный заряд и Ap, г/см2.
характеризуются разными спектральными индексами: Д7 = 0.1 ± 0.01 (Зацепин и др., 2004).
4. Экстраполяция спектров, полученных в эксперименте АТИК-2, в область более высоких энергий, очевидно, не согласуется с эмульсионными данными, это отчетливо видно, прежде всего, в спектре протонов.
Предположим, что эти особенности являются реальными и указывают на несправедливость старой парадигмы. Тогда мы можем считать, что особенность спектра протонов в области энергий >10 ТэВ означает, что источники одного класса прекращают ускорение космических лучей в этой области энергий, в то время как существуют источники другого класса, которые продолжают эффективно ускорять частицы до более высоких энергий, поставляя космические лучи с энергиями, возможно, вплоть до классического колена. Имеющиеся данные по спектру ядер гелия не позволяют столь же отчетливо увидеть аналогичную особенность, но разброс экспериментальных данных слишком велик и они этому не противоречат. Другие аргументы против старой парадигмы можно найти в статьях Рейнольдса, Кеохане (1999) и Кифуне (2003).
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
Равновесные спектры частиц в Галактике мы будем описывать в рамках Leaky-box модели (Гай-сер, 1990):
dN = Q(R)Tesc(R) dR l + Aesc(R)/Ap
зависимость Aesc (R) может быть представлена в виде (Осборн, Птускин, 1988)
Aesc(R) = 4.2(R/RoГ1/3[l + (R/Rq)"2/3] г/см
2 (2)
где R0 = 5.5 ГВ. При жесткостях R ^ R0 эта зависимость и
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.