ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 7, с. 948-949
УДК 523.165
ВНЕГАЛАКТИЧЕСКОЕ ДИФФУЗНОЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ
СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
© 2007 г. А. В. Урысон
Физический институт им. ПИ. Лебедева РАИ, Москва E-mail: x-uryson@mtu-net.ru
Проанализировано гамма-излучение при энергиях E > 4 • 1019 эВ, которое образуется при взаимодействиях космических лучей с фоновым излучением в межгалактическом пространстве. Вычислена его интенсивность в разных предположениях об источниках космических лучей и с использованием разных оценок величины нетеплового фонового радиоизлучения.
Взаимодействие космических лучей (КЛ) ультравысоких энергий (УВЭ) с фоновым излучением в межгалактическом пространстве (ГЗК-эффект, [1, 2]) проявляется на Земле в возможном отсутствии частиц с Е > 1020 эВ и в изменении формы спектра КЛ УВЭ [3]. Еще одно следствие ГЗК-эф-фекта - электромагнитные каскады, которые КЛ УВЭ инициируют в межгалактическом пространстве [4, 5]. Попытка обнаружения гамма-излучения, рожденного в таком каскаде, в области энергий Е > 350 ГэВ была предпринята в работе [6], но найдено оно не было. В настоящей работе проанализирована возможность регистрации такого гамма-излучения в области Е > 4 • 1019 эВ.
Каскады в межгалактическом пространстве исследовались в работах [4, 5] (см. также ссылки в [3]). Космические протоны УВЭ взаимодействуют с реликтовыми фотонами в реакциях
Р + Ъе1 ^ Р + П0, Р + ЧЫ ^ П + П+. (1)
Рожденные пионы дают начало электронно-фотонной компоненте
п0 ^ 2у, п+ ^ |+ + V, |+ ^ е+ + V + V, (2)
которая порождает каскад на фотонах фонового излучения уь в последовательном цикле реакций рождения пар и обратного комптоновского рассеяния
Y + Yb ^ e+ + e-, e + jb ^ e' + у.
(3)
энергию - порядка энергии Ер протона, инициировавшего реакции (2). Во-вторых, сечения этих процессов уменьшаются с ростом энергии: а/с, а
YY
1/(Ееь). При энергии Е < Е( электрон будет рассеивать сравнительно мягкие фотоны со средней энергией [7].
Ey = 4/3eb(E/mc2)
2\2
(4)
Процесс рождения пар - пороговый, он возможен, если энергия фотона Еу > Е, где пороговая энергия равна = (тс2)2/еь (здесь тс2 - масса электрона, тс2 = 0.5 МэВ, £ь - энергия фонового фотона). Процессы (3) при энергиях Е > Е( имеют две характерные черты. Во-первых, энергия рожденного электрона или рассеянного фотона у почти равна энергии первичного электрона или фотона: Ее ~ Ер Еу ~ Ее, а энергия второй частицы сравнительно мала: Ее ~ Ее ~ Е. Вследствие этого в каскаде может сохраняться лидирующая частица в виде электрона или фотона, которая несет высокую
поэтому каскад развивается с сохранением лидирующей частицы только при достаточно высокой энергии фонового излучения.
Наиболее низкоэнергичное фоновое излучение - это нетепловое радиоизлучение, пороговая энергия в котором Е( > 1019 эВ. Лидирующий электрон взаимодействует с радиофоном (а не с реликтовым излучением, поскольку томсоновское сечение аТ < а/с), и пронос энергии лидирующей частицей отсутствует.
Лидирующий электрон будет терять энергию на синхротронное излучение в межгалактических магнитных полях. Величину поля, в котором синхро-тронные потери несущественны, оценим так. Электрон теряет на синхротронное излучение менее половины энергии за время Т, = 5 • 108 тс2/( И{ Ее), где И± - компонента магнитного поля, перпендикулярная вектору скорости электрона [7]. Электрон рассеивает жесткий фотон в течение времени М/с = Х1с/с, здесь Х/с - средний свободный пробег электрона, Х/с = (а/спь)-1, пь - плотность фоновых фотонов, с - скорость света. Сечение обратного комптоновского рассеяния а/с при Ее > Е{ составляет [7]
аю — 3/8ат(тс2)2/(Еееь)М2Еееь/(тс2)2] + 0.5}, (5)
а при Ее < сечение а/с = ат. Рассматривая рассеяние электронов УВЭ на реликтовом излучении (когда Ее > Е) и на радиофотонах (тогда Ее < Е), получаем, что синхротронные потери будут несущественны, если И — 10-11 Гс.
ВНЕГАЛАКТИЧЕСКОЕ ДИФФУЗНОЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ 949
Мы принимали, что источники КЛ УВЭ - это активные ядра [9, 10]: сейфертовские ядра с красными смещениями 0 < г < 0.0092 и лацертиды с красными смещениями вплоть до г = 1.1, распределенные по г в соответствии с данными каталога [8]. Спектр КЛ в источниках - степенной с показателем % = 2, 2.6 или 3. В лацертидах возможен и моноэнергетический спектр КЛ с начальной энергией Е0 = 1021 эВ. Вид исходного спектра КЛ обусловлен возможными условиями ускорения частиц [11, 12].
Мы принимали, что реликтовые фотоны имеют среднюю энергию £г = 6.7 • 10-4 эВ, их средняя плотность пг = 400 см3. У фотонов "хвоста" энергия £ = 103 эВ, их средняя плотность п( = 42 см3. Пороговая энергия во взаимодействиях (3) с реликтовым излучением Е( ~ 4 • 1014 эВ. Результаты измерений внегалактического радиофона приведены в [13]: энергия радиофотонов не менее £1 ~ ~ 2 • 10-8 эВ, их плотность п1 ~ 0.1 см 3. По теоретическим оценкам [14], радиофон существует и при значительно более низких энергиях: £2 ~ 4 • 10-10 эВ, плотность фотонов при этой энергии составляет п2 ~ 1 см 3. В первом случае пороговая энергия Ел ~ ~ 1.5 • 1019 эВ, во втором случае Еа ~ 6 • 1020 эВ. Во втором случае лидирующий электрон рассеивает фотоны с энергией (4) на длине Х1С ~ 0.5 Мпк, а не передает энергию жесткому фотону. Пробеги протонов и передача энергии пионам вычислялись методом Монте-Карло (детали см. в [12]). Предполагалось, что взаимодействия (1) с образованием не приводят к рождению лидирующей частицы, так как энергия позитрона Ее в (2) лежит в широком интервале 1.3 • 10-5^Ер < Ее < КЕр, где К - коэффициент неупругости. Предполагалось, что в процессах (3) лидирующая частица полностью передает свою энергию фотону или одной из частиц е+е-пары. В Галактике магнитное поле имеет значение Н ~ 3 • 10-6 Гс, и электроны УВЭ быстро теряют энергию на синхротронное излучение. Поэтому электроны УВЭ, дошедшие до Галактики, не учитывались. Отбирались только частицы каскада с энергией Е > 8 • 1019 эВ, для которых заведомо выполняется условие Е > Ел ~ 1.5 • 1019 эВ.
Каскад развивается без лидирующей частицы, если в фоновом излучении присутствуют фотоны с энергией £2 ~ 4 • 10-10 эВ. Мы проанализировали развитие каскада, если для радиофона приняты данные измерений [13].
В моделях со степенным исходным спектром доля гамма-квантов с E > 8 ■ 1019 эВ от числа ливней с E > 4 ■ 1019 очень мала: IY/ICR ~ 10-4, если % = 2. При более мягких исходных спектрах (% > 2.6) эта доля равна нулю. В модели с моноэнергетическим исходным спектром в лацертидах вследствие высокой начальной энергии частиц E0 = 1021 эВ протоны участвуют в большем числе реакций (1) и доля гамма-квантов IY/ICR ~ 0.19.
Отсюда следует, что если внегалактическое фоновое радиоизлучение имеет минимальную энергию е1 ~ 2 х 10-8 эВ, то возможна проверка модели, в которой источниками КЛ УВЭ являются лацертиды с моноэнергетическим спектром E0 = = 1021 эВ. Это единственная модель, в которой предсказывается высокая доля ливней УВЭ, инициированных гамма-квантами. Отбор таких ливней возможен на установке Auger.
Я признательна Д. Семикозу за обсуждение внегалактического радиофона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Greisen К. // Phys. Rev. Lett. 1966. V. 16. P. 748.
2. Зацепин Г.Т., Кузьмин B.A. // Письма в ЖЭТФ. 1966. Т. 4. С. 114.
3. Березинский B.C. и др. // Астрофизика космических лучей. М.: Наука, 1990.
4. Hayakawa S. // Progr. Theor. Phys. Suppl. 1966. V. 37. P. 594.
5. Прилуцкий ОФ., Розенталь И.Л. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1969. Т. 33. № 11. С. 1776.
6. Akerlof C.W. et al. // Astrophys. J. 2003. V. 586. P. 1232.
7. Гинзбург ВЛ. Теоретическая физика и астрофизика. М.: Наука, 1990.
8. Veron-Cetty M.-P, Veron P. // Astron. and Astrophys. 2001. V. 374. P. 92; http://www.obs-hp.fr (2003).
9. Урысон A.B. // Астрон. журн. 2001. Т. 78. С. 686.
10. Тиняков П.Г, Ткачев ИИ. // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т. 74. С. 499.
11. Kardashev N.S. // Mon. Not. R. Astron. Soc. 1995. V. 276. P. 515.
12. Урысон A.B. // Письма в "Астрон. журн". 2004. Т. 30. С. 897.
13. Clark et al. // Nature. 1970. V. 228. P. 847.
14. Protheroe R.J., Biermann PL. // Astropart. Phys. 1996. V. 6. P. 45; erratum, ibid. 1997. V. 7. P. 181.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 7
2007
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.