ТОРМОЗНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ КАК ИСТОЧНИК СВЕЧЕНИЯ КРАБОВИДНОЙ ТУМАННОСТИ

Очевидно, что свечение всей Крабовидной туманности в целом не может быть тепловым. Наиболее вероятным источником этого свечения является. синхротронное излучение релятивистских электронов. Движущийся в магнитном поле электрон, как известно, будет иметь поступательное движение вдоль магнитной силовой линии и одновременно вращаться вокруг нее с частотой «ларморовской прецессии» — составляющая напряженности, перпендикулярная к движению электрона), в результате чего он будет излучать как диполь с частотой . Электрон, движущийся со скоростью, близкой к скорости света (релятивистский электрон) излучает строго направленно в пределах конуса с углом растворения , где Е — энергия электрона. Наблюдатель, находящийся в плоскости движения такого электрона, будет замечать повторяющиеся с круговой частотой , вспышки, которые длятся, пока упомянутый конус излучения проходит через наблюдателя, т. е. в течение времени

Излучение такого рода будет подобно звучанию на частоте с многочисленными обертонами, которые образуют непрерывный спектр с максимумом излучения на частоте [ср. формулу (6.2)]

Распределение интенсивности излучения по частотам таково: интенсивность быстро падает в частотах, меньших , т. е. в сторону длинных волн, и медленно убывает в коротковолновую сторону от . У релятивистских электронов энергия во много раз превосходит энергию покоя . Например, при второй множитель в выражении (28.16) равен , т. е. во столько раз частота максимального излучения релятивистского электрона превосходит ларморовскую частоту. При очень скромном значении напряженности поля нерелятивистский электрон излучает с частотой , тогда как у релятивистского электрона с , т. е. приходится на наблюдаемый радиодиапазон космического излучения.

Фактически у Крабовидной туманности излучение при частотах, меньших 100 МГц, значительно больше, т. е. максимум приходится на меньшие частоты, а это скорее всего вызвано меньшими значениями энергии светящихся электронов. Другая возможность — меньшее значение напряженности поля — маловероятна, так как в бурно движущихся массах газа, составляющих Крабовидную туманность, магнитное поле должно быть много больше, чем в межзвездной среде, а там оно, как мы видели в § 26, имеет порядок или меньше.

Если распределение релятивистских электронов по значениям энергии Е в пространстве (и, в частности, в туманности) удовлетворяет закону

    (28.17)

оправдывающему для космических лучей, падающих на Землю, то интенсивность синхронного излучения их

    (28.18)

где — медленно меняющаяся функция , а r — протяженность туманности. Как видно из рис. 161, для Крабовидной туманности поток . Приравнивая показатель —0,27 величине найдем Тогда оказывается, что основная доля излучения приходится на электроны с энергией от до . Интегрируя выражение (28.17) между этими пределами (значение ), находят из наблюдаемого излучения с помощью формулы (28.18) общее количество релятивистских электронов, участвующих в излучении Крабовидной туманности: , а все их количество в туманности, принимая грубо объем ее равным , получается равным среднее значение энергии электронов , найдем полную энергию их или .

Компактный источник в Тельце А имеет гораздо более крутой спектр , откуда , и его излучение можно понять, если полагать, что магнитное поле , порядка 50 Э, а полный запас энергии только в нем равен .

Полная энергия релятивистских электронов, ответственных за радиоизлучение Крабовидной туманности, полученная нами, а именно , есть лишь нижний предел. В оптическом диапазоне светят в основном гораздо более энергичные релятивистские электроны, с энергией больше , и их общая энергия составляет не меньше .

Но заатмосферные наблюдения показали, что Крабовидная туманность является также источником мягкого и жесткого рентгеновского излучения с энергией фотонов до нескольких сотен кэВ (от 12,5 до 0,02 А). Это — протяженный источник, со спектральным индексом в интервале частот от до около —1,2, как и у компактного источника радиоизлучения. Синхротронное излучение подобного состава порождается электронами с энергией до при напряженности магнитного поля около .

Если объединить все диапазоны излучения Крабовидной туманности, то окажется, что на границу земной атмосферы от Крабовидной туманности падает , а все ее излучение составляет (неопределенность возникает главным образом из-за неточно определенного расстояния — от 1 до , полная же энергия релятивистских частиц в Крабовидной туманности достигает . Но масса всех релятивистских частиц в туманности очень невелика — , остальное составляет газ, достаточно разреженный всюду, кроме волокон, где благодаря высокой плотности (около ) свечение газа хорошо заметно. Общая масса аморфной части Крабовидной туманности получается около — в разительном противоречии с тем, что принималось ранее, до открытия роли релятивистских электронов.

Рис. 162. Поляризация света в Крабовидной туманности. Черточками нанесены направления преимущественных колебаний электрического вектора, наложенные на соответствующие места ваображения туманности. Длина черточки пропорциональна степени поляризации

Тем более удивительно, что такая ничтожная масса излучает огромное количество энергии — до , что на четыре порядка превышает излучение Солнца и соответствует излучению весьма горячих звезд главной последовательности с той, однако, разницей, что у Крабовидной туманности половина излучения приходится также на длины волн больше 3 мкм.

Наша уверенность в том, что оптическое излучение Крабовидной туманности есть то же тормозное излучение, покоится также на факте сильной поляризации этого излучения, а тормозное излучение релятивистских электронов действительно должно быть поляризовано. Направление поляризации должно быть таково, что плоскость колебаний электрического вектора совпадает с соприкасающейся плоскостью движения электрона. Если бы магнитное поле внутри туманности было однородно, то все эти плоскости были бы параллельны друг другу и поляризация была бы почти полной. Фактически этого нет, но все же поле довольно хорошо упорядочено, как это видно из рис. 162. Направление магнитных силовых линий должно быть перпендикулярно к направлению электрического вектора на этом рисунке. Детальный анализ позволяет заключить, что магнитное поле Крабовидной туманности на периферии ее замкнуто. Радиоизлучение туманности показывает ощутимую поляризацию только в самом коротковолновом диапазоне (1420 МГц); при меньших частотах становится активным эффект Фарадея — поворот плоскости поляризации магнитными полями, встречающимися вдоль луча зрения.

Поворот может быть разным в разных частотах полосы пропускания приемника, так что излучение кажется неполяризованным. Поляризация света радиально по отношению к волокнам указывает на то, что последние огибаются магнитными силовыми линиями.

В далекой инфракрасной области (100—60 мкм) Крабовидная туманность дает избыточное излучение, исходящее от нагретой до 70 К пыли.