1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ВВЕДЕНИЕ В АСТРОФИЗИКУ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

1.1. ВВЕДЕНИЕ

Эта книга посвящена выдающимся достижениям астрономии и астрофизики за последние двадцать лет. Цель этой книги — познакомить читателя с современными результатами, среди которых наиболее интересные получены в рамках астрофизики высоких энергий. Обобщая достаточно широко, можно сказать, что до 1950 г. астрономия изучала главным образом звезды и звездные системы — галактики и горячие облака газа. С 1945 г. стали возможны астрономические наблюдения во многих новых диапазонах длин волн, поэтому радиоастрономия, ультрафиолетовая, инфракрасная, рентгеновская и гамма-астрономия выросли в самостоятельные дисциплины. Благодаря новым методам наблюдений были открыты источники, излучающие огромную энергию в перечисленных диапазонах. Кроме того, эти наблюдения свидетельствуют о том, что во Вселенной очень широко распространено релятивистское вещество и что оно рождается в ходе исключительно бурных событий. Вновь открытые классы объектов; радиогалактики, квазары, пульсары, рентгеновские двойные, источники -всплесков — связаны с астрофизикой высоких энергий значительно сильнее, чем считалось до сих пор. Эти объекты ставят перед физиком совершенно новые проблемы и даже позволяют ему проверять справедливость открытых им законов в экстремальных условиях, не достижимых ни в лаборатории, ни даже в Солнечной системе. Вот несколько примеров: в недрах нейтронных звезд, иногда проявляющих себя как пульсары, плотность ядерного вещества может превышать Большие количества вещества такой плотности ставят совершенно новые задачи перед физикой твердого тела и ядерной физикой. В 1975 г. был открыт пульсар в тесной двойной системе, это позволило с высокой точностью проверить следствия общей теории относительности в гравитационных полях, значительно превосходящих гравитационные поля в пределах Солнечной системы. И последний пример: постепенно накапливаются свидетельства того, что основным источником энергии активных ядер галактик, ответственных за все крупномасштабные явления астрофизики высоких энергий, вероятнее всего являются сверхмассивные черные дыры, генерирующие очень сильные гравитационные поля.

Проникновение в сущность этих явлений в недалеком будущем может принести некоторую практическую пользу. Например, рентгеновские двойке, квазары и радиогалактики способны преобразовывать значительную Долю своей массы покоя в релятивистское вещество. Именно такое превращение пытаются осуществить специалисты по физике плазмы в

термоядерных реакторах. Ведь многие задачи исследования протяженных внегалактических радиоисточников связаны с динамикой и устойчивостью пучков релятивистского вещества, что очень напоминает проблемы, стоящие перед физикой плазмы.

Итак, частицы сверхвысоких энергий — важная составляющая явлений астрофизики высоких энергий. Кроме того, мы располагаем прямой информацией о более близких источниках таких частиц, наблюдаемых в виде потока космических лучей, падающих на верхнюю границу земной атмосферы. Они обладают такими же свойствами, как космические лучи в более экзотических системах, чем наша Галактика. Глубже поняв происхождение и распространение космических лучей в нашей Галактике, мы сможем больше узнать об этих более экзотических системах.

1.1.1. Почему космические лучи? Я посвятил введение в астрофизику высоких энергий вопросу о происхождении космических лучей, поскольку это позволит осветить очень широкий круг тем и результаты можно применять во многих астрофизических приложениях. Дело в том, что о космических лучах известно множество достоверных фактов, которые могут иметь прямое отношение к интересующим нас разделам физики. Разумеется, можно было бы прочитать курс, посвященный, например, квазарам, однако предмет обсуждения определен не столь четко и еще большее расстояние до ответов на возникающие фундаментальные вопросы. Я надеюсь, что к концу книги вы сможете использовать большинство полученных результатов к изучению квазаров, и если вы правильно решите задачу, то много узнаете о них.

Проблема происхождения космических лучей особенно привлекательна тем, что важную информацию о их происхождении дает весь диапазон электромагнитного спектра. Это позволяет описать разнообразные методы, которые можно использовать для изучения этой проблемы. Я делаю упор на методы, поскольку в большинстве случаев приходится выполнять наблюдения на пределе возможностей инструментов. Во всех астрофизических задачах инструментальные и наблюдательные ограничения играют решающую роль, и искусство исследователя состоит либо в том, чтобы придумать, как преодолеть эти ограничения, либо с помощью воображения и интуиции физика найти способ, как использовать великолепные данные наблюдений, чтобы установить более удобные ограничения на изучаемую проблему.

Вы заметите, что мои личные интересы будут отчетливо проявляться в ходе изложения материала. Я не специалист по физике космических лучей, и может показаться, что мне они интересны лишь потому, что помогают лучше понять природу квазаров. Это совершенно неверно. Космические лучи — увлекательная область физики, и это станет ясно из большого числа исследовательских задач, с которыми мы встретимся. Раз в два года собирается представительная Международная конференция по физике космических лучей, посвященная целиком космическим лучам, причем собрание трудов каждой конференции занимает свыше десяти томов.

1.1.2. План курса. На протяжении всей книги прослеживаются две отдельные темы. Первая главная тема — происхождение космических лучей — проходит непрерывной нитью через всю книгу. Она подразделяется на три части:

1) методы наблюдений космических лучей и их свойства;

2) распространение и явления, происходящие с ними на пути к Земле;

3) их источники и механизмы ускорения.

Вторая тема — физический и астрофизический аспекты этих проблем. Необходимо понять физические процессы, происходящие при взаимодействиях частиц высоких энергий и фотонов с веществом, излучением и магнитными полями, а также ввести все необходимые астрономические понятия и, в частности, те аспекты современной астрофизики высоких энергий, которые особенно важны для нашей задачи.

С учетом этих двух требований материал был связан в непрерывное повествование. В табл. 1.1 перечислены основные разделы книги и важнейшие темы, обсуждаемые в каждом оазделе.

Таблица 1.1 (см. скан) Содержание курса

(см. скан)

(см. скан)

1.1.3. АСТРОФИЗИКА КАК НАУКА. Важное различие между физикой и астрофизикой состоит в том, что астрофизика — наука наблюдательная и только в ограниченном смысле можно экспериментировать с изучаемым объектом. При изучении космических лучей иногда возможны эксперименты с космическими явлениями, но при рассмотрении физических явлений, происходящих за пределами Солнечной системы, остается полагаться на тщательную интерпретацию наблюдений. Кроме того, невозможно избавиться от таких помех, как поглощение света, ограниченное разрешение радио- и оптических телескопов, неоднородное распределение вещества в газовых туманностях. Необходимо либо объяснить эти явления теоретически, чтобы правильно учесть их при анализе наблюдательных данных, либо разработать более совершенные методы наблюдений. Все эти препятствия не повергают астрофизика в отчаяние, а скорее бросают ему вызов.

1.1.4. Стиль изложения. До сих пор вам, по-видимому, не приходилось использовать свои знания физики на практике в ситуациях, когда верных ответов не знает никто. Меня интересует только мыслительный аспект. Физика — это точная наука, и в ней, особенно в теоретической физике, есть удивительные вещи, которые всегда будут поражать своей глубиной и простотой. Такая точность и стройность редко достигаются в реальных исследованиях. У большинства теоретических задач нет простых и красивых решений. Более того, далеко не всегда нужны точные теоретические решения задач. К примеру, в исследованиях космических лучей для некоторых процессов чаще всего используют лабораторные измерения сечений, которые, несмотря на то что их нельзя получить теоретически, соответствуют действительности.

Каждую тему можно было бы изложить гораздо подробнее, но это было бы слишком скучно и не соответствовало тому, как проводятся исследования на практике. Хороший пример — синхротронное излучение, для его точного изложения требуется большой объем математики. Я постараюсь использовать более простые методы, дающие результат с точностью 50%, Но можно было бы повысить точность до 10%, однако часто игра не стоит свеч, поскольку в другом месте все равно придется прибегать к некоторым приближениям. В тексте будут даны ссылки на работы, в которых приветны более полные доказательства.

Итак, я буду придерживаться практики научного исследования: что-то докажете вы сами, что-то известно из других работ и используется готовый результат. Проведя соответствующие выкладки, можно убедиться, что этот результат правильный.