20. ПРОТОНЫ И ЯДРА В КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ — РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ГАЛАКТИКЕ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЛЕГКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

20.1. НАБЛЮДЕНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЛАКТИКИ

Подобно тому как галактическое радиоизлучение позволяет строить карту распределения ультрарелятивистских электронов и магнитных полей в Галактике, -излучение несет информацию о протонах космических лучей и об общем распределении межзвездного газа. Известно, что -излучение генерируется при распаде нейтральных пионов, которые рождаются при столкновениях космических лучей с протонами и атомными ядрами межзвездного газа. При таких столкновениях рождаются пионы всех зарядов: и (разд. 5.17). Заряженные пионы превращаются в заряженные мюоны, которые в свою очередь распадаются на релятивистские электроны и позитроны. Последние вносят вклад в спектр электронов космических лучей низких энергий и наличие предсказанных позитронов — прямое свидетельство важной роли процесса рождения пионов в межзвездной среде. Нейтральные пионы практически сразу распадаются на два -кванта. Полное сечение этого процесса по порядку величины совпадает с геометрическим сечением протона или ядра, Спектр генерируемого при таких столкновениях -излучения показан на рис. 20.1, причем он всегда имеет максимум вблизи Зная локальные физические условия в Галактике, можно рассчитать темп генерации -излучения теми механизмами, которые могут вносить существенный вклад в наблюдаемый поток -квантов. На рис. 20.2 показаны результаты расчетов Стекера [2] для локальной концентрации и плотности излучения звезд Видно, что при энергиях, превышающих приблизительно распад -мезонов становится основным механизмом генерации -излучения.

20.1.1. НАБЛЮДЕНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ДИСКА ГАЛАКТИКИ. Мощное -излучение Галактики впервые было зарегистрировано в 1967 г. спутником Позже на борту спутников и COS-B были установлены детекторы с искровыми камерами, с помощью которых были построены карты распределения -излучения в Галактике с угловым разрешением около 3° (подробности об этом эксперименте см. в разд. 7.4).

Информацию о механизмах излучения дает спектр -квантов. Выше он круто падает, но вблизи имеется заметное уплощение. Такое поведение свидетельствует в пользу предположения о том, что большая часть -квантов с энергиями образуется при распаде -мезонов, а значит, по наблюдениям в этом диапазоне можно

(кликните для просмотра скана)

непосредственно определять распределение космических лучей, преимущественно протонов и межзвездного газа. Из некоторых данных следует, что на более низких энергиях спектр -излучения не такой плоский, как в случае распада -мезонов. Значит, в этом диапазоне существенный вклад в излучение вносит либо обратный эффект Комптона, либо тормозное излучение. Лучше всего изучено -излучение высоких энергий, поскольку детекторы с искровыми камерами более чувствительны в диапазоне

Распределение галактического -излучения в галактических координатах по наблюдениям на спутнике COS-B показано на рис. 20.3. Основные результаты таковы:

1. В направлении на центр Галактики в интервале галактических долгот от 310 до 45° имеется сильное повышение интенсивности излучения, тогда как в галактической плоскости в направлении на антицентр наблюдается значительно более слабое излучение.

2. На рис. 20.3 видно, что излучение Галактики имеет две составляющие. Одна из них очень узкая и едва разрешается телескопом COS-B в направлении на галактический центр, тогда как вторая значительно шире, ее полуширина составляет около 7°. Полуширина распределения -излучения в направлении на антицентр равна примерно 7°. Согласно интерпретации группы эти наблюдения показывают, что существует -излучение самого диска, такое же, как излучение в радиодиапазоне, и, кроме того, излучение локальных особенностей, таких, как локальный спиральный рукав и мощная концентрация звезд, называемая поясом Гулда.

3. Распределение -излучения обладает заметной тонкой структурой, которая частично связана с дискретными источниками. Сильные потоки наблюдаются в направлениях на Крабовидную туманность и остаток сверхновой в созвездии Парусов, причем были зарегистрированы импульсы учения с периодами, равными периодам соответствующих пульсаров. При энергиях выше фактически все -излучение Крабовидной туманности оказывается импульсным. Значительный импульсный поток зарегистрирован также от пульсаров и хотя на рис. 20.3 они не выявляются как дискретные источники. Группа отметила пять значительных максимумов в потоке -излучения в области повышенной яркости между галактическими долготами 310 и 45°. Природа этих источников не выяснена. Один из них совпадает с центром Галактики и является протяженным. Группа COS-B зарегистрировала 29 источников, большинство из которых находятся в плоскости Галактики. Исключением является квазар первый из этих объектов, зарегистрированный как источник -излучения.

20.1.2. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЛАКТИКИ. Чтобы определить светимость Галактики в -диапазоне, необходимо, исходя из распределения, представленного на рис. 20.3, построить в галактических координатах карту мощности излучения единицы объема. Эта процедура неоднозначна, но согласно результатам Стекера, который анализировал данные светимость Галактики в диапазоне составляет примерно

(кликните для просмотра скана)

При интерпретации приведенного на рис. 20.3 пространственного распределения -излучения полезно сравнить его с распределением космических лучей и межзвездного газа, полученным другими методами. К самым интересным результатам приводит сравнение с распределением нейтрального водорода, полученным по обзорам излучения Как уже обсуждалось в п. 17.2.2, в радиусе от центра Галактики в межзвездном газе преобладает молекулярный водород, причем максимум его плотности находится на расстоянии от центра. Из наблюдений получаются средние концентрации примерно Эти распределения удивительно похожи на распределение -излучения. Есть также указания на то, что распределения областей и остатков сверхновых имеют максимум на расстоянии от центра Галактики.

Проведем простой расчет светимости Галактики в -диапазоне за счет распада -мезонов. Вероятность того, что протон космических лучей испытает в течение секунды неупругое столкновение с атомным ядром межзвездного газа, равна

где сечение неупругого столкновения протона с протоном, равное приблизительно см концентрация межзвездного газа. Предполагается, что скорость частицы равна с. Примерно треть пионов, родившихся при столкновении, являются нейтральными. Они распадаются на два -кванта со средней энергией Поэтому, если предположить, что диск Галактики однородно заполнен межзвездным газом и космическими лучами, то полная энергия, преобразованная за секунду в у-излучение, будет равна

Здесь локальная плотность энергии космических лучей, V— объем межзвездного газа. Считая диск более тонким, чем следует из данных об электронной составляющей космических лучей, например, задаваясь полутолщиной получим Поэтому, принимая найдем в замечательном согласии с полной наблюдаемой светимостью Галактики в -диапазоне. Конечно, расчет можно сделать более точным, вычислив соответствующий интеграл по энергетическому спектру космических лучей с использованием представленного на рис. 20.2 спектра излучения при распаде -мезонов.

Согласно общепринятому мнению, если поток космических лучей во внутренних областях Галактики такой же, как в окрестностях Солнца, то -излучение с энергиями можно объяснить распадом -мезо-нов, рождающихся при взаимодействии космических лучей с ядрами атомов молекулярного водорода. Таким образом, существуют веские основания считать жесткое -излучение индикатором плотности космических лучей и межзвездного вещества в Галактике. Наблюдения убедительно свидетельствуют в пользу того, что распределение в диске Галактики протонно-ядерной составляющей космических лучей подобно распределению

электронов. Это дает заманчивую возможность наблюдать космические лучи в удаленных частях Галактики, исследовать их диффузию от источников, измерять отношение концентраций протонов и электронов в остатках сверхновых и т.д. Многие из этих экспериментов будут осуществимы только с помощью -телескопов следующего поколения, но перспективы поистине захватывающие. Будем надеяться, что средства на создание -телескопов следующего поколения для проектируемой НАСА -обсерватории GRO (Gamma Ray Observatory) будут отпущены в ближайшем будущем.