УДК 524.354;524. J
ВЛИЯНИЕ УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ НА КРУПНОМАСШТАБНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В МОЛОДЫХ ОСТАТКАХ СВЕРХНОВЫХ
© 2004 г. И. Н. Топтыгин*
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Поступила в редакцию 17.12.2003 г.
В статье предложено возможное объяснение наблюдательных данных о структуре магнитного поля в молодых остатках сверхновых (SN 1006, Tycho, Kepler, Cas A), полученных из анализа поляризаций электромагнитного излучения в радио, инфракрасном и других диапазонах. Авторы интерпретируют эти данные как указание на то, что упорядоченная компонента магнитного поля направлена преимущественно радиально, но по своей амплитуде может значительно уступать случайной компоненте, на долю которой приходится большая часть полной энергии магнитного поля. В настоящей работе произведен расчет магнитного поля в остатках сверхновых с учетом сжатия первоначального поля ударной волной и генерации крупномасштабного поля ускоряемыми на фронте частицами. Предположение о том, что поле в остатке представляет собой сжатое взрывом первоначальное поле в окрестности звезды, не согласуется с наблюдательными данными, так как в этом случае должна превалировать тангенциальная относительно ударного фронта компонента поля, перпендикулярная радиусу. Но учет генерации дополнительного магнитного поля электрическим током частиц, ускоряемых сильным ударным фронтом, приводит к выводу, что параллельные фронту компоненты поля подавляются ускоренными частицами на несколько порядков величины. Остается лишь компонента, перпендикулярная фронту. Такая конфигурация поля при однородной инжекции не приводит к генерации дополнительного поля и в этом смысле устойчива. Это объясняет данные о радиальном направлении упорядоченной компоненты поля. Что касается стохастической компоненты, то в настоящей статье показано, что она эффективно генерируется ускоренными частицами, если их инжекция в режим ускорения на фронте неоднородна вдоль фронта. Неоднородность инжекции может быть вызвана неоднородностями плотности вещества перед фронтом. Достаточно относительной неоднородности плотности порядка нескольких процентов, чтобы генерировалось поле наблюдаемой величины с масштабами порядка масштабов неоднородности плотности.
Ключевые слова: остатки сверхновых, ускорение частиц, поляризация излучения, магнитное поле.
INFLUENCE OF ACCELERATED PARTICLES ON THE LARGE-SCALE MAGNETIC FIELD IN YOUNG SUPERNOVA REMNANTS, by I. N. Toptygin. We offer a possible explanation for the observational data on the magnetic-field structure in young supernova remnants (SN 1006, Tycho, Kepler, Cas A) that have been obtained by analyzing the polarizations of electromagnetic radiation in the radio, infrared, and other wavelength ranges. We interpret these data as evidence that the regular magnetic field is directed predominantly radially, but it can be much smaller in amplitude than the stochastic field, which accounts for much of the total magnetic-field energy. We calculate the magnetic field in supernova remnants by taking into account the compression of the initial field by a shock wave and the generation of a large-scale magnetic field by the particles accelerated at the shock front. The assumption that the field in the remnant is the explosion-compressed initial field near the star is inconsistent with the observational data, because the tangential (relative to the shock front) field perpendicular to the radius must prevail in this case. However, allowing for the generation of an additional magnetic field by the electric current of the particles accelerated by a strong shock front leads us to conclude that the field components parallel to the front are suppressed by the accelerated particles by several orders of magnitude. Only the component perpendicular to the front remains. Such a configuration for uniform injection does not lead to the generation of an additional magnetic field, and, in this sense, it is stable. This explains the data on the radial direction of the regular magnetic field. As regards the stochastic magnetic field, we show that it is effectively generated by the accelerated particles if their injection into acceleration at the shock front is nonuniform along the front. Injection nonuniformity can be caused by preshock density nonuniformities. A relative density nonuniformity of the order of several percent is enough for an observable magnetic field with scales of the order of the density nonuniformity scales to be generated.
Key words: supernova remnants, particle acceleration, radiation polarization, magnetic field.
Электронный адрес: cosmos@IT10242.spb.ru
439
ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
К настоящему времени произведены измерения поляризации электромагнитного излучения из остатков сверхновых с хорошим пространственным разрешением. В работе Рейнолдса и Гил-мор (1993) исследовалась поляризация радиоизлучения от ОСН 1006 на частотах V = 1370 и 1665 МГц (длины волн 18 и 22 см) с разрешением до 24 угл. сек, что соответствует пространственному разрешению областей с размерами менее 0.2 пк на принятом расстоянии (1.7 кпк). Авторы определили степень поляризации порядка 11% от наиболее ярких областей остатка. Ранее был определен показатель спектра радиоизлучения от этого остатка а = 0.6, что соответствует показателю энергетического спектра 7 = 2.2 релятивистских электронов и подтверждает синхротронную природу излучения. Наличие линейной поляризации излучения свидетельствует о присутствии регулярного квазиоднородного поля в остатках сверхновых. В отсутствие регулярного поля поляризация была бы нулевой. Если все магнитное поле однородно, то степень поляризации П излучения от электронов со степенным спектром не зависит от частоты и определяется показателем спектра (Гинзбург, Сы-роватский, 1963): П = (7 + 1)/(7 + 7/3) и 71% в рассматриваемых условиях.
Но наблюдательные данные показывают, что поляризация от областей разрешения телескопа (менее 0.2 пк) оказывается в несколько раз меньше, чем ожидаемая поляризация в случае однородного поля. Авторы интерпретируют этот факт как свидетельство наличия наряду с регулярной также неупорядоченной компоненты магнитного поля на указанных выше масштабах. Аналогичная картина (но при худшем разрешении) наблюдается у других молодых остатков сверхновых: Кеплера (П и 4% при V = 5 ГГц, Мацуи и др., 1984) и Тихо (П и и 10—15% при V = 5 ГГц, Дуин, Стром, 1975; Ди-кель и др., 1991). Для остатка Кассиопея-А Даун и Томпсон (1972) измерили П и 17% на частоте V = = 3.1 ГГц; Джонс и др. (2003) произвели измерения на частотах 5 ГГц и 1.36 х 105 ГГц (Л = 2.2 мкм). В обоих случаях степени поляризации были сравнимы по величине и составляли П и 4—10%. Таким образом, во всех случаях поляризация оказалась в несколько раз меньше, чем можно было ожидать в случае квазиоднородного поля. При этом направление регулярной компоненты поля в большинстве случаев оказывается радиальным.
В части, касающейся магнитного поля, эти данные требуют объяснения в двух основных пунктах:
а) Почему регулярное поле имеет радиальное направление, хотя простейшее предположение о сжатии первичного поля ударной волной приводит к усилению в несколько раз тангенциальной, но не нормальной к фронту компоненты?
б) Каково происхождение стохастического, но достаточно крупномасштабного (масштабы I < 0.2 пк) поля, вызывающего уменьшение в несколько раз поляризации синхротронного излучения?
Рейнолдс и Гилмор (1993), привлекая большинство из приведенных данных, оценивают энергию неупорядоченного поля как величину, превышающую в 4—5 раз энергию, приходящуюся на долю регулярной составляющей. Для объяснения стохастизации первичного поля, существовавшего в окрестности предсверхновой, авторы привлекают неустойчивость Релея—Тейлора, которую рассматривали в применении к остаткам сверхновых Галл (1973), Дикель и др. (1989) и ряд других авторов. Такое объяснение, однако, нельзя считать естественным. Условия развития неустойчивости Релея—Тейлора не выполняются на наиболее сильном первичном ударном фронте остатка, если этот фронт распространяется в однородной среде. Чтобы возникла требуемая неустойчивость, необходимо, например, наличие облаков со значительным контрастом плотности (Джун, Джонс, 1999). Модели, в которых используется предположение о доминировании в остатке сброшенной оболочки (Блондин, Еллисон, 2001), по-видимому, могут претендовать только на описание начальной стадии расширения остатка и неприменимы на стадии Седова, когда масса остатка значительно превышает массу выброса. Кроме того, в моделях с разрушением регулярного первичного поля неустойчивостью Релея—Тейлора требуется на последующем этапе вновь упорядочить поле, чтобы объяснить наличие наблюдаемой радиальной регулярной компоненты. Качественные рассуждения Дуина и Строма (1975) о возможности такого упорядочения в рамках модели Седова нельзя считать убедительными.
По нашему мнению, более естественное объяснение наблюдаемым свойствам радиоизлучения из молодых остатков сверхновых может дать учет дополнительного источника генерации магнитного поля в остатке, каковым является электрический ток частиц, ускоряемых на первичном ударном фронте. При интенсивном ускорении к релятивистским частицам может переходить энергия, составляющая десятки процентов от энергии газодинамического потока (Аксфорд и др., 1978; Крымский, 1981; Фёльк, Маккензи, 1981). Если некоторая часть этой энергии будет преобразована в энергию магнитного поля, то величина поля будет достаточна для объяснения многих наблюдаемых
явлений. Возможность генерации магнитного поля ускоренными частицами существенно зависит от свойств симметрии (т.е. анизотропии и неоднородности) среды (Долгинов, Топтыгин, 2003; Долгинов и др., 2004). В последней работе показано, что частицы, ускоряемые на сильном ударном фронте, при их однородной инжекции на фронте в режим ускорения создают вторичное поле, которое подавляет касательную к фронту компоненту первичного поля. В этих условиях в предфронте и за фронтом остается только нормальная к фронту (т.е. радиальная в случае ква
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.