21.2. ГАЛО ГАЛАКТИКИ — ОБЛАСТЬ УДЕРЖАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ?

Вы, конечно, заметите, что вопрос об области, внутри которой космические лучи диффундируют от источника из Галактики, не так уж прост. Чтобы сделать обсуждение конкретным, рассмотрим подробнее две модели того, что принято называть областью удержания космических лучей. Назовем их дисковой моделью и моделью гало. Существенного упрощения можно достичь, предположив, что частицы свободно диффундируют внутри области удержания, а оказавшись вне ее, беспрепятственно улетают, т.е. это область, внутри которой движение частиц имеет диффузионный характер. В дисковой модели радиус области захвата равен примерно а толщина В модели гало в качестве области захвата можно взять, скажем, сферу радиусом с центром в ядре Галактики. Важное различие между этими двумя моделями состоит в том, что частицы покидают диск значительно быстрее, чем гало.

Конечно, можно провести строгий количественный анализ этих предельных случаев, если задаться конкретными значениями коэффициентов диффузии в диске и гало и т.д. Однако ясно, что физически важное различие между ними состоит в том, что, согласно дисковой модели, средний возраст, регистрируемых на Земле частиц существенно короче, чем в модели гало.

Для иллюстрации предположим, что концентрация частиц в гало равна значение не слишком высокое. Тогда ничто не мешает частицам провести лет, диффундируя из области удержания. За это время они пройдут сквозь толщу вещества примерно и произведут наблюдаемое количество легких элементов. Если электроны заполняют тот же объем, они будут эффективно терять энергию за счет обратного комптоновского рассеяния на фотонах реликтового излучения (см. п. 19.1.3), поэтому в энергетическом спектре впрыскиваемых электронов возникает излом, движущийся к энергии где он действительно наблюдается (см. п. 19.2.4). Таким образом, a priori этот тип моделей заслуживает серьезного внимания.

Каковы свидетельства существования гало вокруг нашей Галактики? Как уже упоминалось в разд. 18.3, сейчас имеются серьезные основания утверждать, что вокруг Галактики существует радиогало, хотя вопрос и считался весьма спорным в течение многих лет. Вот, что писал Болдуин в своем обзоре [6] в 1975 г.: «До сих пор я избегал пользоваться понятием «радиогало». Оно вызывало враждебное отношение у обычно неагрессивных астрономов, и многие пытались отрицать его существование». Гало типа, описанного в разд. 18.3, конечно, совместимо со всеми имеющимися данными. Оно представляет собой несколько сплющенный эллипсоид, подобный гало других спиральных галактик, видимых с ребра (рис. 18.11). Весьма важную информацию дают ультрафиолетовые наблюдения голубых звезд гало и звезд спектрального класса В в Магеллановых Облаках. В их спектрах видны линии поглощения и ширина которых соответствует скорости около Газ, в котором возникают эти широкие абсорбционные детали, связан с нашей Галактикой, так как свет от звезд

Рис. 21.2. Образование магнитных петель и выталкивание космических лучей из диска Галактики вследствие описанной Паркером неустойчивости. Часто эти петли называют паркеровскими [7].

проходит через окружающее ее гало. Предполагается, что линии возникают в горячем газе, из которого состоит гало [8]. Показано, что если газ гало вращается синхронно с газом в галактической плоскости, то он должен заполнять слой толщиной до [8]. Естественно, что этот газ должен быть горячим, иначе он удерживался бы в диске Галактики. Определяемые из этих наблюдений температура и размеры облака газа удовлетворяют условию гидростатического равновесия в гравитационном поле Галактики.

Кроме того, высказывались превосходные теоретические аргументы в пользу существования гало космических лучей вокруг Галактики. Прежде всего Гинзбург последовательно и верно указал, что гало космических лучей должно существовать, так как в любом случае космические лучи должны диффундировать из галактической плоскости и создавать вокруг Галактики обширную область со значительным потоком космических лучей.

Кроме того, Паркер [7] в своем классическом анализе устойчивости газового диска Галактики показал, что диск неустойчив относительно возмущений магнитных силовых линий, расположенных преимущественно параллельно его плоскости. Этот анализ основан на примерном равенстве между плотностью энергии космических лучей и галактического магнитного поля. Плотность энергии магнитного поля при равна Лучшая оценка, полученная нами для плотности энергии космических лучей (разд. 9.6), была около Поскольку эти величины тесно связаны между собой, едва ли является случайным совпадением то, что они оказались одного порядка.

В выполненном Паркером анализе устойчивости газового диска Галактики невозмущенное состояние представляет собой газ космических лучей и параллельное плоскости диска магнитное поле, пронизывающее холодный частично ионизованный газ (рис. 21.2). Ключевым для понимания причин неустойчивости такой системы является тот факт, что магнитное поле привязано к холодному газу и газу космических лучей. Его связь. с ионизованной составляющей очевидна, она объясняется вмороженностью потока

(разд. 12.4). Но холодный и ионизованный компоненты также связаны посредством столкновений частиц, поэтому магнитное поле связано и с холодным газом, а так как в нем заключена основная масса системы, то он «держит» магнитное поле.

Пусть магнитные силовые линии выгнулись наружу от плоскости Галактики. Тогда холодное вещество, температура которого очень низка, будет стремиться собраться в местах, где потенциал минимален, в то время как газ космических лучей будет заполнять область выпуклости. В конце концов в этой области образуется «пузырь» горячей (релятивистской) плазмы, который благодаря плавучести выталкивается вдоль градиента потенциала из плоскости Галактики. Газ космических лучей, пронизанный магнитным полем, естественно, стремится расшириться, если ничто этому не препятствует. Именно этот тип неустойчивости Паркер считает ответственным за образование галактических петель, но, что для нас важнее, она может стать причиной образования гало космических лучей.

Описанная неустойчивость также указывает причину локального равенства плотности энергии космических лучей и магнитного поля. Если то преобладает давление магнитного поля, которое остается крепко привязанным к холодному веществу. Если выполняется противоположное неравенство то локальное давление определяется газом космических лучей, который «надувает» пузырь, а развивающаяся неустойчивость приводит к выталкиванию локального избытка энергии в гало. Поэтому ожидается, что плотности энергии магнитного поля и космических лучей должны быть, вообще говоря, сравнимы. Преобладающий масштаб неустойчивости, вероятно, порядка толщины диска, т.е. около

Эти теоретические соображения представляются мне весьма убедительными и существование гало космических лучей кажется неизбежным. Поэтому важны любые наблюдения, которые бы позволили определить его физические свойства. Один из возможных путей состоит в изучении хронологии космических лучей.