УДК 5241
МАКСИМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ И СПЕКТРЫ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ, УСКОРЕННЫХ В АКТИВНЫХ ЯДРАХ
© 2004 г. А. В. Урысон*
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва Поступила в редакцию 16.03.2004 г.
Вычислены энергетические спектры падающих на установку космических лучей (КЛ) ультравысоких энергий (E > 4 х 1019 эВ), ускоренных в близких сейфертовских ядрах с красными смещениями z < 0.0092 и в лацертидах. Эти объекты были отождествлены в качестве возможных источников КЛ в наших работах. При вычислениях распределение по небу этих источников взято по данным каталогов активных ядер. В соответствии с возможными механизмами ускорения частиц начальный спектр КЛ в лацертидах принимался моноэнергетическим, а в сейфертовских ядрах — степенным. Потери энергии КЛ в межгалактическом пространстве вычислялись методом Монте-Карло. Рассматривались потери вследствие фотопионных реакций с фоновыми излучениями и адиабатические потери. Статистика искусственных протонов составила 105 для каждого рассмотренного случая. Получено, что максимальная энергия падающих на установку КЛ составляет 1021 эВ, независимо от того, в каких ядрах они были ускорены. Вычисленные спектры падающих на установку частиц согласуются с данными измерений, что косвенно подтверждает принятые модели ускорения. В области энергий E > 5 х 1019 эВ спектр протонов, дошедших до установки от близких сейфертовских ядрах, очень близок к спектру частиц от лацертид. Лацертиды удалены в среднем на сотни Мпк. Поэтому, анализируя форму измеренного спектра в области E > 5 х 1019 эВ, трудно сделать вывод о существовании или об отсутствии чернотельного обрезания.
Ключевые слова: космические лучи, космические лучи ультравысоких энергий, активные ядра.
MAXIMUM ENERGY AND SPECTRA OF COSMIC RAYS ACCELERATED IN ACTIVE GALACTIC NUCLEI, by A. V. Uryson. We computed the energy spectra of the incident (on an array) ultrahigh-energy (E > 4 х 1019 eV) cosmic rays (CRs) that were accelerated in nearby Seyfert galactic nuclei at redshifts z < 0.0092 and in BL Lac objects. These were identified as possible CR sources in our previous works. In our computations, we took the distribution of these sources over the sky from catalogs of active galactic nuclei. In accordance with the possible particle acceleration mechanisms, the initial CR spectrum was assumed to be monoenergetic in BL Lac objects and a power law in Seyfert galactic nuclei. The CR energy losses in intergalactic space were computed by the Monte Carlo method. We considered the losses through photopion reactions with background radiation and the adiabatic losses. The artificial proton statistics was 105 for each case considered. The maximum energy of the CRs incident on an array was found to be 1021 ev, without regard to the galactic nuclei in which they were accelerated. The computed spectra of the particles incident on an array agree with measurements, which indirectly confirms the adopted acceleration models. At energies E > 5 х 1019 eV, the spectrum of the protons that reached an array from nearby Seyfert galactic nuclei closely matches the spectrum of the particles from BL Lac objects. BL Lac objects are, on average, several hundred Mpc away. Therefore, it is hard to tell whether a blackbody cutoff exists or not by analyzing the shape of the measured spectrum at E > 5 х 1019 eV.
Key words: cosmic rays, ultrahigh energy cosmic rays, active galactic nuclei.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время общепринята точка зрения, что КЛ с энергиями Е > 4 х 1019 эВ являются
Электронный адрес: uryson@sci.lebedev.ru
внегалактическими, однако их источники надежно не установлены. В качестве возможных источников в литературе рассматриваются различные астрофизические объекты, космологические дефекты и распадающиеся сверхмассивные реликтовые частицы холодной темной материи, а так-
же гамма-всплески (см. обзор Нагано, Ватсона, 2000, и ссылки в нем). В первом случае источники КЛ можно отождествить, зная направления приходов космических частиц и полагая, что частицы распространяются в межгалактических магнитных полях практически прямолинейно. Мы провели прямое отождествление возможных источников КЛ ультравысоких энергий в предыдущих работах (Урысон, 1996, 200^, 2004a) и нашли, что ими являются сейфертовские ядра с красными смещениями г < 0.0092 и лацертиды. Лацертиды были отождествлены с возможными источниками КЛ также Горбуновым и др. (2002). Механизм ускорения частиц в лацертидах был предложен Кардашевым (1995), в ядрах с умеренной активностью — Урысон (2001б, 2004б). В соответствии с этими работами в лацертидах возможно ускорение КЛ до 10272 эВ, где 2 — заряд частицы, а при наличии энергетических потерь в источниках — до 10212 эВ. В сейфертовских ядрах частицы могут ускоряться до энергии 8 х 1020 эВ. В межгалактическом пространстве частицы взаимодействуют с фоновыми излучениями, в результате чего неизбежно теряют энергию (Грейзен, 1966; Зацепин, Кузьмин, 1966). Частицы разных энергий проходят различные расстояния без значительных энергетических потерь. Оценки таких расстояний для КЛ предельно высоких энергий были получены в работах Стекера (1968, 1998). Красные смещения г < 0.0092 сейфертовских ядер соответствуют расстояниям до 40 Мпк (при постоянной Хаббла Н = = 75 км/(Мпк с)), и это согласуется с результатами Стекера (1968, 1998). Лацертиды, отождествленные в качестве возможных источников КЛ, удалены от нас на значительные расстояния — до ^1000 Мпк (Верон-Сетти, Верон, 2001). Поэтому возникает вопрос, могут ли частицы, ускоренные в лацертидах, достичь установки, имея энергию 3 х 1020 эВ (такова по данным Бера и др., 1995, максимальная энергия, зарегистрированная в КЛ). В настоящей работе вычислены энергии частиц, дошедших до установки от лацертид, а также энергетические спектры падающих на установку космических частиц, покинувших активные ядра со степенным и с моноэнергетическим спектрами. Проведено сравнение вычисленных спектров с данными измерений. При вычислениях было взято распределение активных ядер в соответствии с данными каталога Верон-Сетти и Верона (2001).
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
В лацертидах по модели Кардашева (1995) ускорение частиц происходит в электрическом поле, индуцируемом вблизи сверхмассивной черной дыры с массой ~109М©. Частицы ускоряются
в этом поле до энергии 10272 эВ, вследствие изгибного излучения энергия частиц может уменьшиться до величины 10212 эВ. Исходя из такого механизма ускорения, мы принимаем в вычислениях, что исходный спектр протонов, ускоренных в лацертидах, — моноэнергетический c начальной энергией 1027 и 1021 эВ. В сейфертовских ядрах частицы, возможно, ускоряются на фронтах ударных волн (Урысон, 2001б), поэтому мы принимаем, что исходный спектр частиц от них — степенной (^Е-х) с показателем % = 2.6 и 3.0. Частицы в сейфертовских ядрах могут ускоряться до энергии 8 х 1020 эВ.
Состав КЛ с энергиями Е 4 х 1019-3 х х 1020 эВ в настоящее время полностью не выяснен. Мы принимаем, что космическими лучами с энергиями вплоть до 1021 эВ являются частицы, а не гамма-кванты, в соответствии с данными Шинозаки и др. (2003).
Распространение КЛ в межгалактическом пространстве рассматривалось в следующих предположениях. В результате взаимодействий с фоновыми излучениями ядра разваливаются на нуклоны, пройдя не более 100 Мпк от источника (Пугет и др., 1976; Стекер, 1998). Поэтому, если источники КЛ расположены значительно дальше, чем 100 Мпк, то для простоты можно считать, что ядра полностью фрагментируют вблизи источника и рассматривать только распространение протонов в межгалактическом пространстве. Подавляющее число лацер-тид удалено от нас на расстояния К > 400 Мпк (Верон-Сетти, Верон, 2001), поэтому такое допущение оправдано для КЛ, излученных лацертида-ми. Для простоты в этой работе мы примем, что и от сейфертовских ядер распространяются только протоны.
Энергетические потери КЛ в межгалактическом пространстве вычислялись в следующих предположениях. Протоны взаимодействуют с реликтовыми и инфракрасными фотонами. У протонов с энергиями Е > 4 х 1019 эВ основные потери — фотопион-ные в реакциях р + 7 ^ М + п, потери на рождение электрон-позитронных пар малы (Блюментал, 1970; Березинский и др., 1990). Спектр плотности реликтовых фотонов с энергией е описывается планковским распределением
и(е)(1е = е2(1е/[п2П3с3(ехр(е/кТ) - 1)] (1)
c температурой Т = 2.7 ^ средняя энергия фотонов равна {е) & 6 х 10-4 эВ, их средняя плотность По) & 400 см-3. У фотонов высокоэнергетического "хвоста" планковского распределения средняя энергия {е-^ & 1 х 10-3 эВ, средняя плотность {щ) & 42 см-3.
Значения сечения а и коэффициента неупругости К из работы Партикл Дата Груп (2002) и Стекер (1968), использовавшиеся в расчетах
£*, ГэВ 0.145 0.2 0.3 0.33 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.4 2.0 3.0 4.0 5.0
К 0.13 0.145 0.2 0.215 0.23 0.25 0.3 0.33 0.35 0.38 0.4 0.46 0.5 0.5 0.5 0.5
а, мбарн 0.05 0.08 0.4 0.43 0.35 0.23 0.22 0.215 0.2 0.19 0.17 0.125 0.14 0.095 0.073 0.07
Диапазон инфракрасного излучения 2 х 10-3— 0.8 эВ, детальные измерения спектра в настоящее время отсутствуют. Мы приняли, что спектр инфракрасного излучения описывается численным выражением (Пугет и др., 1976; Стекер, 1998)
п(е) = 7 х 10-5е
-5~-2'5 см-3 эВ-1,
0.004
0.008
Z
Рис. 1. Распределение по красным смещениям близких (г < 0.0092) сейфертовских ядер, нормированное на полное число объектов.
с начальной энергией Е от точки с красным смещением г до точки с г = 0, составляют
-dE/dt = H (1 + z)3/2E.
(3)
(2)
средняя энергия инфракрасных фотонов (ещ,) œ œ 5.4 х 10-3 эВ, средняя плотность (nlR) œ œ 2.28 см-3.
Фотопионные реакции — пороговые. Пороговая энергия фотона в системе протона £*h œ 145 МэВ, где е* — пороговый коэффициент неупругости Kth œ 0.126 (Стекер, 1968). Сечение а и коэффициент неупругости K фотопроцессов зависят от энергии фотона в системе протона е*. Зависимости а(е*) и K(е*) были взяты из работ Партикл Дата Груп (2002) и Стекера (1968). Значения сечения а и коэффициента неупругости K, использовавшиеся в расчетах, приведены в таблице.
Кроме фотопионных реакций
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.