научная статья по теме ЗАВИСИМОСТЬ ПОЛОЖЕНИЯ “КОЛЕНА” В СПЕКТРЕ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ОТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЕРХНОВЫХ ПО ЭНЕРГИЯМ ВЗРЫВОВ Астрономия

Текст научной статьи на тему «ЗАВИСИМОСТЬ ПОЛОЖЕНИЯ “КОЛЕНА” В СПЕКТРЕ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ОТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЕРХНОВЫХ ПО ЭНЕРГИЯМ ВЗРЫВОВ»

УДК524.1; 524.352

ЗАВИСИМОСТЬ ПОЛОЖЕНИЯ "КОЛЕНА" В СПЕКТРЕ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ОТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЕРХНОВЫХ ПО ЭНЕРГИЯМ ВЗРЫВОВ

© 2004 г. Л. Г. Свешникова*

Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета

Поступила в редакцию 02.04.2003 г.

В работе показано, что положение "колена" в спектре галактических космических лучей (ГКЛ) зависит от функции распределения сверхновых (СН) по энергиям взрывов. Количественно положение "колена" в спектре ГКЛ может быть объяснено доминирующим вкладом гиперновых с энергией взрывов (^30—50) х 1051 эрг, доля которых должна быть не менее 1% от всех СН. Модель воспроизводит основные черты спектра всех частиц, измеренного в экспериментах с ШАЛ: излом в спектре всех частиц при энергии около 3 ПэВ, изменение показателя наклона на величину 5y ~ 0.3—0.5 за точкой излома иукручение спектра в районе 1018 эВ. Модель предсказывает плавную форму излома в случае, если распределение по энергиям взрывов СН является универсальным, и резкую форму излома, если гиперновые представляют отдельный класс событий. Предложенная модель спектра ГКЛ существенным образом базируется на допущении, что разброс в энергиях взрывов существует и что верны предположения стандартной модели ускорения КЛ в остатках сверхновых.

Ключевые слова: сверхновые, космические лучи, ускорение частиц.

DEPENDENCE OF THE POSITION OF THE KNEE IN THE GALACTIC COSMIC RAY SPECTRUM ON THE EXPLOSION ENERGY DISTRIBUTION OF SUPERNOVAE, by L. G. Svech-nikova. The position of the knee in the Galactic cosmic ray (GCR) spectrum is shown to depend on the explosion energy distribution function of supernovae (SNe). The position of the knee in the GCR spectrum can be quantitatively explained by the dominant contribution of hypernovae with explosion energies of (^30—50) х 1051 erg whose fraction must be no less than 1% of all SNe. The model reproduces the main features in the spectrum of all particles measured in extensive air shower (EAS) experiments: the knee in the spectrum of all particles at energy of about 3 Pev, the change in slope by 5y ~ 0.3—0.5 after the knee, and the spectral steepening near 1018 eV. The model predicts a smooth knee if the SN explosion energy distribution is universal and a sharp knee if the hypernovae are a separate class of events. The suggested model of the GCR spectrum is essentially based on the assumption that a spread in explosion energies exists and that the assumptions of the standard model for the CR acceleration in supernova remnants are valid.

Key words: supernovae, cosmic rays, particle acceleration.

ВВЕДЕНИЕ

Космическое излучение — поток ядер с разными зарядами от 2 = 1 до 2 > 80, наблюдаемый у Земли, составляет существенную часть энергетического баланса Галактики, имея среднюю плотность энергии 10"12 эрг см"3, сравнимую с плотностью энергии света звезд, магнитных полей Галактики и межзвездного газа (Березинский и др., 1990). Космическое излучение, если его рассматривать как газ, наполняющий Галактику, имеет существенно

Электронный адрес: sws@dec1.sinp.msu.ru

нетепловое, степенное распределение, охватывающее колоссальный диапазон от МэВ-ных энергий до > 1020 эВ, с изменением спектрального индекса от —2.7 до -3.1 при энергии х 1015 эВ. Этот излом или "колено" был обнаружен в 50-х годах по измерению интенсивности широких атмосферных ливней (ШАЛ) (Куликов, Христиантсен, 1959).

В последние десятилетия, благодаря интенсивным исследованиям различных компонент ШАЛ "анатомия" спектра КЛ значительно уточнилась: оказалось, что при энергии 1018 наблюдается некоторое укручение спектра, а затем его уположение,

105

И 104

от

и

&

103

102

100 101 102 103 104 105 106

^/нуклон, ГэВ

Рис. 1. Спектр космических лучей из работы Бережко и др. (1997) для разных значений параметров среды: 1 — Т = 104 ^ П = 10~3; 2 — Т = 106 ^ п = 10_3; 3 - Т = 104 К, п = 10_Б; 4 — экспериментальные данные из работы Сворди(1994).

что было названо "лодыжкой". Считается, что до "лодыжки" спектры КЛ имеют галактическое происхождение, а в области за ней — экстрагалактическое.

Известно, что механическая энергия взрывов сверхновых в нашей Галактике, составляющая -1051 эрг для средней вспышки СН, при частоте взрывов 0.01—0.03 год-1 способна обеспечить полную энергию космических лучей (Березинский и др., 1990). Было убедительно показано, что существует механизм ускорения КЛ — диффузия на фронтах ударных волн, образующихся при распространении остатка СН в межзвездной среде, благодаря которому ~10% (или даже больше, см. Бережко, Волк, 2000) кинетической энергии взрыва передается в релятивисткие частицы. Значительный теоретический прогресс в исследовании этого явления связан с развитием кинетической нелинейной теории диффузионного ускорения частиц на фронтах ударных волн остатков СН (Бережко и др., 1996; Бережко, Волк, 1997, 2000; Бережко, Эллисон, 1999; Эллисон и др., 1997, 2000; Друри и др., 2001; Малков, Друри, 2001) и пониманием нелинейных эффектов обратного влияния космических лучей на структуру ударного фронта. Именно благодаря изучению нелинейных эффектов удалось объяснить не только основные

характеристики спектра космических лучей до энергии 100—400 ТэВ, но и относительную представленность тяжелых элементов в космических лучах по отношению к солнечной системе (Эллисон и др., 1997).

Наиболее сложной проблемой является происхождение "колена" в спектре КЛ (Друри и др., 2001). Достаточно распространенным является представление, что "колено" связано с максимальной энергией ускоренных КЛ (Е^), но проблема заключается в том, что стандартная модель ускорения предсказывает, что при стандартном взрыве в средней межзвездной среде спектр протонов КЛ должен обрываться при энергии 100—300 ТэВ или меньше. И только некоторый класс сверхновых может образовывать частицы с энергией "колена" — около нескольких единиц ПэВ, большинство же генерирует частицы значительно меньших энергий (Рейнольдс, Кеохане, 1999).

Описание эволюции остатка сверхновой и процесса диффузии КЛ на фронте ударной волны является сложной задачей, которая включает диффузионные уравнения переноса для функции распределения КЛ самосогласованно с уравнениями газовой динамики, описывающей свехзвуковое распространение остатка в межзвездной среде и формирование ударной волны не только на стадии

Седова, когда начинается заметное торможение, но и на стадии свободного разлета — кинетическая нелинейная теория (Бережко и др., 1997, 1996; Бережко, Волк, 1997, 2000). На рис. 1 представлены рассчетные и наблюдаемые на эксперименте спектры протонов и ядер гелия, посчитанные в работе (Бережко и др., 1997) для разных параметров плотности nн, температуры Т и магнитного поля В среды: для "теплой" фазы среды с nH ~ 0.3 см-3, Т = 104 ^ в которой максимальная энергия для протонов составляет ~ 100 ТэВ и для очень разреженной среды, соответствующей "горячей" фазе (Т = 106 ^ nH = 0.003 см"3, В = 3ц Гс), где величина Emax заметно больше — 300—400 ТэВ.

Характерной особенностью спектров является их уположение перед максимальной энергией ускорения, связанное с обратным влиянием КЛ на структуру фронта ударной волны. Это влияние тем больше, чем больше коэффициент инжекции частиц газа межзвездной среды п в режим ускорения. Бережко и др. (1997б) считают, что ожидаемая величина п находится в интервале 10-3—10-4.

На рис. 1 приведен наблюдаемый спектр, который отличается от спектра КЛ, генерируемого в остатках СН, на величину 57 за счет процессов истекания КЛ из Галактики (Березинский и др., 1990). В рассматриваемой работе (Бережко и др., 1997) выбрано 57 = 0.75, т.е. спектр, генерируемый в источниках, имеет наклон 7 ~ 2.0 и несколько уполаживается перед максимальной энергией ускорения.

С другой стороны оценочная максимальная энергия ускорения может быть выражена простыми формулами из работы Эллисона и др. (1997), если рассматривается только генерация КЛ на стадии Седова

EmЯx = з х 1014г

0.3В

3ц Гс/ V

( пн

см3

-1/3

Es,

1051 эрг

2/5

Tsr

103 лет

-1/5

или

EmЯx ^ 2 х 10

Es,

14

г

1/3

0.3В

( п Н

эВ

-1/3

(1)

3ц Гс / V см

мм1**,

\103 км/с/

1051 эрг

где Z — заряд ядра, Esnr — кинетическая энергия разлетающейся оболочки в единицах 1051 эрг (в дальнейшем введем обозначение E51 = Esnr/1051), У^ — скорость распространения ударного фронта (обычно выражаемая в единицах 1000 км/с), Tsnr — возраст остатка.

Формула (1) допускает Emax ^ 100 ТэВ для "теплой" фазы и Emax ~ 300—400 ТэВ для "горячей" фазы при E51 = 1, У$к = 1. Это достаточно хорошо (с коэффициентом 2) совпадает с результатами полного моделирования, учитывающего суммарный спектр КЛ, генерируемый на всех стадиях временной эволюции остатка, представленный на рис. 1, посчитанный в работе Бережко и др. (1997).

Обычный путь увеличения максимальной энергии ускорения частиц до значительно больших энергий связан с предположением, что взрывы некоторых сверхновых происходят в среде с большой величиной магнитного поля, например, взрывы в ветре звезд Вольф-Райе или взрывы в суперпузырях, образуемых скоплением сверхновых (Быков, Топтыгин, 1997; см. также обзоры Друри и др., 2001; Птускин, 2000; Биерманн, 2000). Увеличение магнитного поля приводит к уменьшению ларморовского радиуса частицы, а значит, частица успевает большое количество раз пересечь фронт ударной волны и набрать большую энергию. Хотя, при ускорении КЛ в суперпузырях сказывается и эффект доускорения на множественных остатках сверхновых (Быков, Топтыгин, 1997).

Однако, если вклад различных сверхновых в формирование потока КЛ равнозначен, то область излома будет определяться не редкими взрывами, а большинством наиболее вероятных взрывов в средней межзвездной среде, а значит, находиться в районе 300 ТэВ.

С другой стороны, из формулы (1) следует слабая зависимость максимальной энергии ускорения от энергии взрыва. Поскольку в последние годы появилось множество наблюдательных данных, свидетельствующих об огромном разнообразии взрывов сверхновых (Хамуй, 2003; Ричардсон и др., 2002; Туратто, 2003), то интересно исследовать вопрос, как

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.

Показать целиком