24.2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ УСКОРЕНИЯ
Предложенные процессы можно разделить на динамические, гидродинамические и электромагнитные. Строгого различия между ними нет,
поскольку космические лучи как заряженные частицы неразрывно связаны с электрическими и магнитными полями. Однако в некоторых моделях ускорение является чисто динамическим, поскольку происходит в результате столкновений, которые можно описывать с помощью простых динамических рассуждений. Гидродинамические модели предполагают ускорение всего слоя плазмы до ультрарелятивистских скоростей. Электромагнитные процессы ускорения частиц действуют в лабораторных экспериментах, но могут проявляться в несколько измененном виде и в астрофизических условиях.
Остановимся кратко на некоторых основных аспектах электромагнитных процессов. Общее выражение для ускорения заряженной частицы имеет вид
В большинстве рассмотренных объектов не может поддерживаться статическое электрическое поле, поскольку среда является эффективно сверхпроводящей и любое электрическое поле сразу уничтожается перемещением зарядов к точкам, где произошло нарушение нейтральности. Поэтому механизмы ускорения могут быть связаны только с нестационарным электрическим полем, например, с мощными электромагнитными волнами либо с магнитными полями. Один очень интересный пример механизма первого типа мы рассмотрим ниже.
Основное внимание уделялось моделям, использующим магнитное поле. Конечно, статическое магнитное поле не может совершать работу над частицей, но, если оно меняется со временем, работа может совершаться индукционным полем, пропорциональным Делались попытки найти способы использовать непосредственно бетатронный эффект. Например, при сжатии магнитного поля в некоторой области частицы будут набирать энергию вследствие сохранения адиабатического инварианта. Однако эти механизмы кажутся слишком искусственными и неприменимыми в астрофизических условиях.
Интересным вариантом электромагнитного процесса является ускорение частиц в нейтральных слоях. Считается, что этот процесс играет важную роль в геомагнитном хвосте Земли (разд. 12.5) и в солнечных вспышках. Нейтральные слои возникают в областях, где магнитные силовые линии направлены в противоположные стороны. Условие баланса давлений требует, чтобы сумма теплового давления плазмы и магнитного давления оставалась постоянной. Если плазма выходит из области нейтрального слоя, то устанавливается стационарный поток, который переносит магнитные силовые линии к нейтральному слою. Там происходит «перезамыкание» противоположно направленных силовых линий, сопровождающееся диссипацией энергии магнитного поля в результате омических потерь. В действительности происходит следующее. Изменение напряженности магнитного поля приводит к возникновению в нейтральном слое индукционного электрического поля, которое может разгонять заряженные частицы до высоких энергий. Этот механизм был детально разработан в связи с
солнечными вспышками. Основополагающая работа принадлежит Петчеку
Рассмотрим некоторые механизмы более подробно.