КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ГАЛАКТИКЕ

Особую форму межзвездного вещества составляют космические лучи — заряженные частицы (протоны, а-частицы и более тяжелые ядра, а также электроны), обладающие огромной энергией 10 эВ и выше, вплоть до 10м, т. е. порядка 10 Дж — энергия, достаточная, чтобы поднять 1 кг на высоту 1 м. Как это указывалось в главе I, они движутся в пространстве изотропно, за исключением тех немногих, которые возникают на Солнце. Плотность их составляет приблизительно частиц/см3, а энергия , т. е. достигает того же значения, что и плотность энергии звездного излучения (см. выше с. 381). Если попадающие на Землю космические лучи приходят к нам прямолинейно из самых отдаленных глубин пространства, то из их изотропии можно заключить, что и плотность энергии их повсюду одинакова, как в Галактике, так и в пространстве между галактиками. Но в мета-галактическом пространстве плотность звездного излучения на три-четыре порядка ниже, чем в межзвездном пространстве, и энергия излучения космических лучей во Вселенной окажется поэтому на три-четыре порядка выше, чем энергия излучения звезд. Это странный результат, так как очень трудно себе представить механизм, выделяющий энергию в столь грандиозных масштабах в метагалактическом пространстве с его ничтожной плотностью вещества .

Наоборот, если считать, что частицы космических лучей и их энергия порождаются внутри Галактики, то все станет на свое место в предположении, что пути их не прямолинейны, а совершенно беспорядочно искривлены и запутаны. (Этот аргумент, очевидно, недействителен в случае фонового фотонного излучения.) Источником искривления путей для заряженных частиц служат магнитные поля (признаки существования которых мы уже встретили в явлении поляризации света звезд и Крабовидной туманности), к которым нам приходится прибегать и при объяснении нетеплового радиоизлучения Галактики.

Последнее получает естественное объяснение, если рассматривать его как результат того же синхротронного механизма, что и в случае Крабовидной туманности, только вышедшего на галактический простор. Оно касается только релятивистских электронов, притом с энергией, немногим превышающей . Как мы видели на примере Крабовидной туманности, число релятивистских электронов, обеспечивающих сильное радиоизлучение, сравнительно невелико (см. мелкий шрифт на с. 370), и потому можно не удивляться, что на Земле в первичном космическом излучении электроны почти не наблюдаются, тем более, что они задерживаюгся магнитными полями, связанными с солнечным ветром (§ 7). С другой стороны, их энергия при торможении постепенно высвечивается.

Необходим постоянный механизм, поставляющий в межзвездное пространство релятивистские электроны и вообще частицы высоких энергий. Таким механизмом служат, по-видимому, вспышки сверхновых, при которых происходит инжекция быстрых частиц в межзвездное пространство. Если судить по другим галактикам, то подобные вспышки внутри Галактики могут повторяться через несколько десятилетий (см. § 24). Будет ли этого достаточно, чтобы поддерживать космические лучи на существующем уровне, не вполне ясно, но такое заключение правдоподобно, если не говорить о самых быстрых частицах — их происхождение можно связывать с внегалактическими объектами — источниками нетеплового радиоизлучения (см. § 31).

Показатель степени зависимости яркостной температуры галактического излучения от частоты, равный —2,8, приводит к такой зависимости интенсивности излучения: , и если здесь применить формулу (28.18), т. е. приравнять спектральный индекс —0,8 величине , то Для степеннбй зависимости энергетического спектра релятивистских частиц в формуле (28.17) получится значение . Последнее свидетельствует об очень быстром убывании числа частиц с ростом их энергии, что подтверждается и прямыми наблюдениями космических лучей (см. дальше), среди которых частицы весьма высоких энергий встречаются очень редко.

Интенсивность электронной компоненты космических лучей в зависимости от энергии изменяется пропорционально при и пропорционально для .

С другой стороны, с течением времени высвечивание релятивистских электронов и другие энергетические потери приводят к еще большему обеднению частиц высокой энергии. Крутизна убыли числа частиц, т. е. возрастание показателя у. находит свое выражение в проявлении кривизны в зависимости от так как изменяется спектральный индекс . У Крабовидной туманности это и наблюдается, но только в инфракрасной области спектра, около 3—5 мкм, что соответствует оптическому высвечиванию частиц весьма высоких энергий. На этом рубеже спектральный индекс а изменяется от —0,28 до —1,5. Спектр сферической составляющей Галактики искривлен уже в радиодиапазоне, т. е. индекс а начинает слегка расти по абсолютной величине в области сравнительно низких частот, характерных для излучения релятивистских электронов с энергией . Явление можно понять как следствие вырождения спектра релятивистских электронов (28.17), после того как они были выброшены в межзвездное пространство и более не подвергались ускорению, а только торможению. Детали этого процесса разъяснены в § 31 и показаны на рис. 188.

По химическому составу входящих в космические лучи частиц первое место занимают протоны, на втором месте стоят а-частицы (в 15 раз беднее) и более тяжелые ядра — в пропорциях, плохо соответствующих тому, что содержится в звездах. Причина этому лежит, вероятно, в столкновениях космических лучей с ядрами элементов межзвездной среды, которые при этом разрушаются. Для получения таких результатов частица космических лучей должна пройти толщу межзвездного газа около 3 г/см2. Это очень много, но при запутанности траектории космических лучей возможно. Аномально высокое содержание изотойа тоже характерно для космических лучей. . Электроны в космических лучах немногочисленны — их не больше 5 %.