23.3. ДАННЫЕ ОБ ОБЛАСТИ УДЕРЖАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

По результатам этого обсуждения мы в конце этой главы заполним итоговую «анкету» (табл. 23.1).

23.3.1. ЭЛЕКТРОНЫ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ. Начнем с сильного аргумента. Поскольку все пространство заполнено микроволновым фоновым излучением, релятивисткие электроны теряют энергию за счет обратного комптоновского рассеяния. По формуле (19.25) получаем время торможения электрона

Возникает вопрос: какой путь прошли электроны, наблюдаемые на Земле? Например, при расстояние равно если считать, что электроны летят по прямой. Таким образом, исключено, что наблюдаемые нами электроны порождены далекими взрывами в других галактиках, хотя радиогалактики и считаются мощными источниками ультрарелятивистских электронов. Даже предположение о Местном сверхскоплении исключается, поскольку до его центра Отсюда следует, что по крайней мере электроны космических лучей должны иметь галактическое происхождение.

Мы уже обсуждали вопрос о том, заключены ли электроны в диске Галактики или они заполняют гало в течение, скажем лет. Как я уже указывал, я считаю, что при попытках согласовать радиоспектры с предсказаниями теории гало возникают некоторые трудности. Но это следует считать частным вопросом по сравнению с значительно более важной

проблемой: каков поток в существенно больших, чем наша Галактика и ее гало, объемах. А теперь обратимся к протонам и ядрам.

23.3.2. И ИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ И СРЕДНИЙ ПРОБЕГ . Мы постарались показать, что наблюдаемый химический состав космических лучей можно получить, комбинируя собственный (или первичный) состав вещества в сверхновых и реакции расщепления в межзвездной среде при условии, что космические лучи проходят через толщу (разд. 20.2.2 и 20.3). Эти соображения хорошо подходят к галактическим источникам космических лучей, даже если Галактика обладает гало. Поэтому обе теории согласуются с наблюдениями.

Если космические лучи образуются во внегалактических источниках, то мало что можно сказать об их первичном составе. Вряд ли он сильно отличается от обычной космической распротраненности элементов, но это только предположение.

Нельзя также уверенно судить о том, через какую толщу вещества прошли космические лучи на пути от источников к Земле. Поскольку мы вольны допустить, что частицы проходят в Галактике небольшой путь, можно предположить, что расщепление ядер в основнрм происходит в самих источниках. Одну возможность следует проверить, а именно, не могли ли реакции расщепления в межгалактической среде существенно изменить химический состав космических лучей. За исключением богатых скоплений галактик, прямых указаний на существование межгалактического газа нет, Описанные в гл. 17 методы изучения межзвездного газа можно применять для изучения газа между скоплениями, но все они дают отрицательный ответ.

Итак, предположим, что плотность газа достигает критического значения (разд. 15.7), причем его температура такова, что обнаружить его ни одним из описанных в гл. 17 способов мы не в состоянии. Например, для этого достаточно, чтобы его температура была около . Тогда, чтобы набрать толщу космические лучи должны пройти — а для этого нужно время, примерно в десять раз превышающее возраст Вселенной. Поэтому, даже если космические лучи двигаются в плотном межгалактическом газе, им не удастся превысить предел

Таким образом, с точки зрения образования наблюдаемого химического состава никаких свидетельств против внегалактической гипотезы нет.

23.3.3. Спектры источников космических лучей. Имеются лишь косвенные данные о наблюдаемых радиоспектрах потенциальных источников космических лучей — сверхновых и двойных радиоисточников. Конечно, радиоданные позволяют судить только о свойствах электронной составляющей космических лучей в источнике и ничего не говорят непосредственно о протонах и ядрах. Спектральные индексы молодых остатков сверхновых и внегалактических радиоисточников близки и равны Заметим, что это значение соответствует спектру электронов космических лучей в источнике

который очень близок к спектру протонов и ядер космических лучей. Таким образом, как галактические, так и внегалактические источники могут генерировать электроны и протоны с наблюдаемым спектром.

23.3.4. Хронология космических лучей. В разд. 21.3 были описаны результаты недавних наблюдений изотопов бериллия. На рис. 21.3 был приведен измеренный спектр масс. Исследователи сделали вывод, что темп образования много меньше предсказанного и требует характерного времени распространения космических лучей примерно лет. Если этот результат подтвердится, это будет означать, что значительная часть наблюдаемых космических лучей должна возникать на расстояниях, не превышающих Как указывалось в разд. 21.3, этот результат согласуется как с моделью гало, так и с дисковой моделью происхождения космических лучей.

Однако, прежде чем отбрасывать внегалактические модели, следует обратить внимание на то, что результаты, показанные на рис. 21.3, дают ненулевое содержание только с точностью до 2 о. Мы подчеркивали, что изотопный состав измерять очень трудно, поэтому, пока этот результат не подтвержден независимыми экспериментами, следует иметь в виду возможность полного отсутствия Конечно, согласно внегалактическим гипотезам, содержание должно быть очень мало. К счастью, на борту спутника должно быть проведено очень точное измерение изотопных отношений и их энергетического спектра.

Другой важный момент состоит в том, что этот результат еще не исключает возможности внегалактического происхождения основной доли наблюдаемых космических лучей. Рассмотрим предельно упрощенный пример. Пусть только 25% наблюдаемых космических лучей генерируются в близких взрывах сверхновых, а остальные имеют внегалактическое происхождение. Тогда, если время движения космических лучей, образованных вблизи нас, меньше 106 лет, то содержание в них будет примерно таким же, как и в начальный момент. Поскольку внегалактическая составляющая практически не будет содержать в итоге мы получим состав, приведенный на рис. 21.3.

Обычный аргумент против такой модели состоит в том, что одинаковый и примерно солнечный химический состав галактической и внегалактической составляющих был бы странным совпадением, если учесть, что их происхождение совершенно различно. Можно также возразить, что это неизящное решение. Подобная аргументация может вызвать сочувствие, но она не является физической. Нам необходимы надежные свидетельства для отказа от конкретных моделей, и есть различие между неопровержимыми фактами и общими рассуждениями. Именно в спорных вопросах, таких, как этот, довлеют субъективные мнения.

23.3.5. Трансурановые элементы. Согласно некоторым ранним результатам Фаулера, в космических лучах могут присутствовать трансурановые элементы, такие, как или Поскольку их период полураспада всего лет, их можно использовать для датировки вместо

гистрация этих элементов свидетельствовала бы о том, что оки приходят к нам из относительно небольшой области пространства. Сейчас, однако, никаких прямых свидетельств их существования нет. Из последних наблюдений Фаулера частное сообщение) на спутнике «Ариэль-6» следует, что этих элементов среди тяжелых ядер в космических лучах нет. Поэтому предложенный тест следует считать отрицательным.

23.3.6. -ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ РАСПАДЕ МЕЗОНОВ. Гинзбург часто приводит следующий аргумент. В результате взаимодействия космических лучей с межзвездным газом образуются -мезоны, распад которых приводит к свечению диска Галактики в -диапазоне. Если космические лучи заполняют все пространство, то такой же процесс должен идти в межгалактической среде. Наблюдения фонового -излучения позволяют наложить ограничения на метагалактический поток космических лучей, если известна средняя плотность межгалактического газа. Для иллюстрации основных положений проведем простой расчет, такой же, как и при вычислении светимости Галактики в -лучах (разд. 20.1).

Вероятность того, что протон космических лучей испытает неупругое столкновение с ядром межзвездного газа (здесь считается, что это чистый водород), равна

где сечение неупругого рассеяния протона на протоне, плотность межгалактического газа в единицах критической плотности, концентрация ядер, Подставляя численные значения, получим Примерно каждый третий пион, образующийся при неупругом столкновении, является нейтральным. Такой пион распадается на два -кванта со средней энергией Поэтому, если плотность энергии космических лучей в межгалактическом пространстве равна то фоновое -излучение должно иметь плотность энергии

Наблюдения на дают верхний предел в рассматриваемом диапазоне следовательно,

Таким образом, если плотность межгалактического газа высока, то верхний предел на порядок меньше плотности энергии косических лучей в нашей области Галактики. Однако никаких свидетельств существования газа между скоплениями галактик нет, т.е. и, следовательно, этот аргумент не позволяет судить о справедливости космологической гипотезы.

Есть, однако, интересный вариант этой темы. Согласно метагалактической гипотезе всюду во Вселенной плотность энергии космических лучей составляет примерно Следовательно, если смотреть в

направлении, где как мы знаем, есть диффузный газ, должен регистрироваться определенный поток у-излучения. Гинзбург [2] оценил этот поток от газа, находящегося в наших ближайших соседях — Магеллановых Облаках. Для -излучения с энергией он получил около . Такой поток недоступен современным у-телескопам. Однако если бы такие наблюдения удалось провести с у-телескопами следующего поколения, то это имело бы важнейшее значение. Если поток окажется значительно меньше предсказанного, то можно будет с уверенностью сказать, что наблюдаемые на Земле космические лучи образуются в нашей Галактике.

Согласно внегалактической гипотезе, поток космических лучей должен быть постоянным по всей Галактике и в ее окрестостях. Поэтому, зная распределение газа в Галактике, можно предсказать интенсивность у-излучения во всех направлениях. Дархэмская группа показала, что в области антицентра градиенты интенсивности у-излучения не соответствуют градиентам плотности холодного вещества в том смысле, что в случае метагалактического происхождения космических лучей в этом направлении должен был бы наблюдаться больший поток лучения. Трудности при таком подходе связаны с определением надежного нижнего предела на плотность холодного вещества во внешних областях Галактики. Таким образом, хотя имеются свидетельства против метагалактической гипотезы, окончательными их считать трудно. Общая идея всех этих тестов состоит в том, что если космические лучи имеют метагалактическое происхождение, любая область, в которой высока плотность холодного вещества, должна быть источником у-излучения.

23.3.7. ИЗОТРОПИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ. В этом случае именно галактические модели сталкиваются с трудностями. Очевидно, если космические лучи имеют метагалактическое происхождение, то не возникает проблем с объяснением изотропии их распределения. Рассмотрим отдельно случаи низких и высоких энергий.

Низкие энергии Мы касались этого вопроса, когда рассматривали диффузию космических лучей в Галактике (разд. 21.1). Распределение космических лучей с энергией изотропно с точностью до Это несколько противоречит некоторым представлениям о распространении космических лучей в Галактике, но мы нашли способ обойти эту трудность. В рамках однородной модели изотропия космических лучей представляется весьма естественной (рис. 21.1). Поэтому рассуждения о характере распространения нельзя использовать против галактической гипотезы, хотя они и накладывают важные ограничения на физические модели удержания космических лучей в диске. Изотропия, несомненно, согласуется с моделями гало космических лучей, поскольку предполагается, что частицы заключены в значительно большем объеме. Эта аргументация свидетельствует в пользу гало космических лучей и внегалактических моделей, но не исключает галактические дисковые модели.

Высокие энергии, При более высоких энергиях аргументация более четкая. При рассмотрении потоков частиц диффузионный подход больше неприменим, так как частиц слишком мало, чтобы генерировать

Таблица 20.23 (см. скан)

альвеновские волны. Поэтому нам нужно рассмотреть только движение отдельных частиц и оценить, как магнитное поле искривляет их траектории. Как показано в п. 13.1.1, гирорадиус частицы равен где жесткость. В релятивистском случае жесткость протона в вольтах равна его энергии в электронвольтах. Подставим типичное для галактического магнитного поля значение напряженности (табл. 23.1). Толщина диска Галактики составляет приблизительно а радиус гало примерно равен Поэтому в дисковой модели гирорадиус протона с энергией равен толщине диска.

Следует сделать несколько замечаний об этих числах. Спектр космических лучей становится круче примерно вблизи Много лет назад Гинзбург и Сыроватский указали, что гирорадиус протона с энергией равен характерному размеру неоднородностей, на которых рассеиваются космические лучи (разд. 21.1). Естественно, предположить, что для более высоких энергий диффузионное приближение неприменимо и частицы более свободно могут выходить из Галактики. Единственная сложность состоит в том, что тогда распределение космических лучей в галактических координатах должно быть анизотропным. Значения изотропии, приведенные в разд. 10.3, показывают, что космические лучи на этих энергиях удивительно изотропны. Однако это не должно нас беспокоить, поскольку, хотя диффузионная модель и не обязательно верна, однородная модель на этих энергиях все еще гарантирует изотропию космических лучей по всем направлениям.

Сверхвысокие энергии, Однако переходя к сверхвысоким энергиям, мы сталкиваемся с серьезными трудностями. Как видно из табл. 23.1, гирорадиус протонов с жесткостью 1018 В равен полутолщине диска, т.е. размеру области с сильным магнитным полем, поэтому удержать их в диске Галактики невозможно. Даже в гало они оставаться не могут, поскольку магнитное поле там еще на порядок слабее. Космические лучи сверхвысоких энергий слабо отклоняются магнитным полем Галактики,

Рис. 23.1. Распределение космических лучей сверхвысоких энергий по направлениям прихода в сферических координатах. Сплошной линией показан галактический экватор; соответственно северный и южный галактические полюса; центр Галактики, антицентр. Маленькими кружками, квадратами и ромбами отмечены ливни с энергией выше зарегистрированные соответственно в Сиднее, Гавера-Парке и Волкано-Рэнч. Значками большого размера отмечены ливни с энергией, превышающей Карта построена в равновеликой проекции, поэтому изотропному распределению соответствует случайное распределение [4].

поэтому они должны двигаться более или менее прямолинейно от источников к Земле. Отсюда следует, что космические лучи указанной жесткости должны приходить в основном из области галактического диска.

Что же касается космических лучей самых высоких энергий — до то они, наверняка, должны двигаться от источников по прямой, если источники расположены в Галактике. На рис. 23.1 показано распределение по направлениям прихода космических лучей сверхвысоких энергий. По поводу этого распределения ведутся споры. Изотропно оно или нет? Некоторые авторы находят в нем максимум вблизи но он не связан с каким-либо конкретным источником, таким, скажем, как центр Галактики. С моей точки зрения, точки разбросаны довольно хаотично.

В приведенной аргументации остается одна лазейка для галактических теорий. Космические лучи сверхвысоких энергий могут полностью состоять из ядер железа В этом случае их жесткость была бы в 26 раз меньше, чем приведенные в табл. 23.1 значения. Тогда гирорадиус ядра железа с энергией был бы равен т.е. примерно толщине диска Галактики. В случае диска такой толщины также следует ожидать некоторой анизотропии в распределении по направлениям прихода, но ее точное значение можно определить, только проследив траектории частиц в конкретных моделях галактического магнитного поля. Точное значение

ожидаемой анизотропии зависит от характера траекторий в различных моделях конфигурации поля.

Предположение о том, что самые энергичные космические лучи представляют собой ядра железа, не противоречит никаким известным данным. Два факта свидетельствуют в пользу этой гипотезы. Хотя они не являются решающими, но указывают направления, в которых могут развернуться дальнейшие исследования. Во-первых, энергетический спектр ядер железа более плоский, чем вообще у космических лучей (п. 20.2.3). Во-вторых, ряд ливней, вызываемых космическими лучами, являются многостержневыми, а это может объясняться тем, что ливень вызывается тяжелым ядром.

Несмотря на эти соображения, изотропия космических лучей сверхвысоких энергий является сильным аргументом в пользу внегалактической гипотезы. С моей точки зрения, это самый сильный аргумент. Чтобы сохранить галактическую гипотезу, необходимо придумывать какие-либо особые оправдания, хотя, как мы видели, это и можно сделать.

23.3.8. Образование пионов и электрон-позитронных пар при взаимодействии космических лучей сверхвысоких энергий с фотонами. Можно наложить еще два ограничения на происхождение космических лучей сверхвысоких энергий. Их фактор Лоренца так велик, что фотоны микроволнового фонового излучения обладают в их системе покоя энергией, достаточной для фоторождения пионов и электрон-позитронных пар. Это приводит к уменьшению энергии космических лучей.

Проведем простой расчет, который покажет, насколько существен этот процесс. Порог образования пионов фотонами составляет приблизительно 200 МэВ, поэтому, облучая протон у-квантами с энергией 200 МэВ, можно получать пионы в реакциях

Сечение этого процесса составляет приблизительно 250 мкбарн. Поскольку микроволновое фоновое излучение заполняет все пространство, космические лучи все время движутся сквозь него. Реликтовые фотоны со средней энергией в собственной системе отсчета космических лучей обладают энергией

Порогу рождения пионов соответствует фактор Лоренца, удовлетворяющий соотношению

т.е. что соответствует энергии протонов В действительности нам следовало бы проинтегрировать по планковскому спектру микроволнового фонового излучения и по всем углам. Тогда мы получили бы, что пороговая энергия уменьшилась до Средняя

длина свободного пробега относительно рассеяния равна

Подставляя концентрацию реликтовых фотонов и сечение получим что соответствует времени лет. Поскольку в этом процессе рождается пион с энергией , доля энергии, потерянной протоном космических лучей, равна Отсюда ясно, что время, за которое протон потеряет всю свою энергию и уйдет под порог реакции, равно 108 лет. Если космические лучи с такой энергией заполняли все пространство приблизительно в течение то в их спектре должен быть резкий обрыв вблизи однако он не наблюдался. Значит, космические лучи сверхвысоких энергий приходят с расстояния не более Этот результат говорит в пользу варианта внегалактической гипотезы, рассматривающего в качестве области захвата Местное сверхскопление. Вполне допустимо считать, что космические лучи таких энергий образуются в сверхскоплении в созвездии Девы.

Следует добавить, что этот результат зависит от фактора Лоренца космических лучей. Если окажется, что космические лучи сверхвысоких энергий состоят из ядер железа, обрыва в их спектре быть не должно. В этом заключается возможный выход из положения.

Такой же расчет можно провести и для фоторождения электрон-позитронных пар. В разд. 4.4 мы указывали, что сечение этого процесса равно

Оно больше, чем сечение фоторождения пионов, но пары уносят значительно меньше энергии, чем пионы. Отношение масс покоя электрона и пиона равно . Следовательно, потери на рождение пар у космических лучей с энергией меньше, чем на рождение пионов, в раз.

Ясно, что наблюдения космических лучей сверхвысоких энергий весьма важны. Сложность заключается в том, что регистрируется всего одна частица за два или три года, причем даже для этого нужны очень большие площади. Однако в таком эксперименте количество данных растет линейно со временем (если вы не демонтировали прибор или не построили новый). Это учитывалось при проектировании установки в Сиднее.

23.3.9. ЭНЕРГЕТИКА ИСТОЧНИКОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ. Мы показали, что в рамках дисковой модели и гало космических лучей наблюдаемую плотность энергии космических лучей можно объяснить вспышками сверхновых при разумных предположениях о величине выделяющейся энергии и частоте вспышек.

Обратимся теперь к внегалактическим моделям. Сначала рассмотрим крайний случай, предположив, что протоны и ядра имеются всюду во Вселенной. Пусть плотность источников космических лучей равна и полная энергия, выделившаяся в каждом из них, равна Тогда в однородном

случае, очевидно, плотность энергии космических лучей должна удовлетворять соотношению Требуется получить значение Покажем на двух примерах, какая энергия для этого нужна. Для сильных радиогалактик поэтому Для нормальных галактик

Сразу ясно, что это очень много. Энергия покоя галактики массой составляет Приведенные цифры кажутся слишком большими. Например, нужно, чтобы радиогалактики были почти в 100 раз массивнее нормальных. Не исключено, что так оно и есть. В последнее время накоплены данные, свидетельствующие о том, что массы галактик до сих пор занижались. В частности, это касается и радиогалактик, которые обычно являются наиболее массивными галактиками в скоплениях, поэтому их массы могут достигать Даже если закрыть глаза на эту трудность, то, очевидно, еще нужно придумать механизм ускорения, способный превратить 10% энергии покоя объекта в энергию космических лучей. Не исключено, что такие объекты существуют. Опыт показывает, что не следует отбрасывать такую возможность только потому, что мы не знаем примеров столь высокой эффективности преобразования энергии.

Один из способов представления энергетических требований к внегалактической гипотезе (его часто использует Гинзбург) состоит в том, чтобы сравнить среднюю плотность энергии космических лучей со средней плотностью энергии покоя вещества во Вселенной. Количество наблюдаемого в галактиках вещества соответствует всего примерно или менее от критической космологической плотности. Переходя к плотности энергии, получим

Гинзбург утверждает, что совершенно невозможно представить себе механизм ускорения, обладающий такой эффективностью. Он не знает ни одного физически разумного способа получить эффективность порядка Мне кажется, что это опасный подход. В истории физики и астрономии немало примеров, когда подобные рассуждения приводили к ошибочным результатам. В частности, пульсар в Крабовидной туманности превращает гравитационную энергию коллапса нейтронной звезды в энергию релятивистских частиц с эффективностью, значительно превышающей 1%. Поэтому все-таки существуют механизмы превращения энергии массы покоя в энергию космических лучей с высокой эффективностью.

Нельзя сказать с определенностью, что существует аналог Крабовидной туманности галактических размеров, но есть гипотезы о «спинарах», вращающихся и невращающихся черных дырах, релятивистских дисках и т.д.

Модель галактического ядра, включающего черную дыру, стала неотъемлемой частью теоретического изучения ядер галактик, а эффективность генерации энергии 40% кажется вполне приемлемой. На мой взгляд, это значение слишком велико, но я, возможно, консервативен. Составьте себе собственное мнение на этот счет.

Быть может, стоит принять менее экстремальный вариант внегалактической теории, согласно которому космические лучи заполняют не все пространство, а лишь сверхскопления.

Если предположить, что сверхскопления занимают лишь полного пространства, то средняя энергия, выделяемая радиогалактикой, соответственно уменьшится до за полное время существования Вселенной. Какое из этих значений принять, зависит от наших представлений о минимальном объеме, в котором могут быть замкнуты космические лучи и в котором находится достаточное количество радиогалактик. Как крайний случай, пусть областью захвата космических лучей является Местная группа галактик. Сколько энергии могли выделить за последние лет ярчайшие члены Галактика и Пусть Местная группа занимает сферу радиусом Тогда в объеме плотность энергии составляет следовательно, необходимо, чтобы за 10 лет выделилось Это уже не так плохо. Это показывает, что расчеты сильно зависят от объема, который нужно заполнить космическими лучами. Заметим, однако, что этот вариант внегалактической модели возвращает нас назад к тому же гало космических лучей, только больших размеров, поэтому не исключено, что в качестве источников энергии здесь также можно принять сверхновые. Уменьшение масштабов модели приводит к тому, что она теряет сходство с первоначальной метагалактической моделью. Вспомним, однако, что мы практически лишены возможности узнать, что происходило в нашей области Вселенной 108 лет назад. Возможно, источниками космических лучей служили галактические взрывы.

Стоит также попытаться ответить на вопрос, какой энергией должны обладать внегалактические источники, чтобы обеспечить только наблюдаемый поток космических лучей сверхвысоких энергий, т.е. с энергией и выше. Вид спектра космических лучей таков, что большая часть энергии приходится на наименее энергичные частицы. Интегрируя по спектру, получим, что выше заключено в раз меньше энергии, чем в области низких энергий. Вполне возможно, что частицы сверхвысоких энергий генерируются во внегалактических источниках, поскольку энергетические трудности для них существенно облегчаются. Например, из энергетических соображений было бы трудно опровергнуть утверждение, что космические лучи сверхвысоких энергий образуются в Местном сверхскоплении. Поэтому вполне возможно, что космические лучи сверхвысоких энергий имеют внегалактическое происхождение и приходят к нам от еще действующих или уже угасших радиогалактик, находящихся в Местном сверхскоплении.