21.4. РАССЕЯНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА АЛЬВЕНОВСКИХ И МАГНИТОЗВУКОВЫХ ВОЛНАХ

Эта тема вот уже 15 лет вызывает горячий интерес теоретиков. В результате ее разработки получены некоторые важные результаты, касающиеся распространения космических лучей в Галактике. Основной вопрос заключается в следующем. Рассмотрим частично ионизованную плазму в однородном магнитном поле и пусть имеется поток частиц, движущихся по винтовым траекториям вдоль магнитных силовых линий с очень большой скоростью. Как этот поток будет взаимодействовать с магнитоактивной плазмой?

Результаты исследований таковы: если плазма полностью ионизована, то на неоднородностях магнитного поля будет происходить резонансное рассеяние космических лучей по питч-углу, как в случае распространения космических лучей через плазму солнечного ветра (п. 13.3.2). Ситуация осложняется тем, что направленное движение приводит к генерации волн в плазме, поэтому даже если бы в поле изначально не было неоднородностей, то они должны были возникнуть под влиянием потока космических лучей.

Полная теория довольно сложна, поэтому мы не станем заниматься ее подробным обсуждением. Сжатое и четкое изложение существенных результатов дано Вентцелем в его обзоре, опубликованном в Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics [5]. Мы дадим некоторое представление о том, что происходит с помощью следующих упрощенных рассуждений.

Сначала необходимо полностью повторить сказанное в разд. 13.3.2. Если напряженность возмущающего поля равна рассеяние приводит к изменению питч-угла приблизительно на 90° в среднем на пути где Соответствующий коэффициент диффузии равен Очевидно, благодаря этому механизму направленный поток

частиц после прохождения им пути становится изотропным по питч-углам.

Усложнения возникают потому, что 1) волны, с которыми взаимодействуют частицы потока, являются альвеновскими и магнитозвуковыми, т.е. характерными низкочастотными «звуковыми» колебаниями замагниченной плазмы; особенно важны поляризованные по кругу гидромагнитные волны, поскольку могут находиться в резонансе с движущимися по винтовым траекториям частицами; и 2) возмущения поля возникают в результате направленного движения самих частиц. Физически ясно, почему это происходит. Продольный импульс пучка передается волнам и в результате нарастает их амплитуда.

Оказывается, этот механизм весьма эффективно препятствует распространению космических лучей в межзвездной среде. Многими авторами показано, что в полностью ионизованной плазме космические лучи не могут распространяться со скоростью, превышающей альвеновскую

Для типичных параметров ионизованной составляющей межзвездного газа см/с. Отсюда, казалось бы, следует, что вопрос о том, почему космические лучи изотропны, получил ясное решение. Если частицы начинают двигаться со скоростью, превышающей альвеновскую, то генерируются альвеновские и магнитозвуковые волны, поэтому

Однако ситуация не так проста, поскольку мы не учли затухание альвеновских волн. Описанный механизм будет работать, только если генерируемые волны не успевают затухать за время, необходимое для значительного увеличения их амплитуды. Оказывается, что при наличии в межзвездной плазме нейтральных частиц столкновения легко отбирают энергию у альвеновских волн за время, малое по сравнению с временем нарастания, поэтому амплитуда альвеновских волн не увеличивается. Роль нейтральных частиц состоит в том, что именно они обеспечивают потерю кинетической энергии волнами, тогда как заряженные частицы вынуждены колебаться вместе с волной.

Итог таков, что в областях с высокой плотностью нейтрального вещества частицы должны диффундировать быстро, но как только они попадают в полностью ионизованную плазму, их направленная скорость уменьшается до альвеновской. Это свидетельствует в пользу однородной модели распространения космических лучей в диске Галактики. Внутри плазма представляет собой смесь нейтрального и ионизованного вещества, тогда как снаружи газ полностью ионизован (рис. 21.4). Частицы могут свободно распространяться в диске, но вне его их движение ограничивается альвеновской скоростью. Поэтому по непрерывности на границе получим, что результирующий поток частиц из диска должен быть равен

Таким образом, если скорость оттока частиц от диска равна только характерное время пребывания частицы в диске равно лет.

Рис. 21.4. Распределение диффузного нейтрального и ионизованного газа в диске Галактики.

Это значение согласуется с датировкой космических лучей, основанной на

Изотропию космических лучей можно объяснить в модифицированной модели, так как частицы распространяются свободно в объеме диска. Поэтому по крайней мере для космических лучей низких энергий можно не беспокоиться о их высокой степени изотропии.

Другая сторона вопроса, касающаяся наблюдений, заключается в том, как космические лучи должны диффундировать от источников. Космические лучи, образовавшиеся при взрыве сверхновой, выбрасываются в межзвездную среду примерно через 105 лет. Следует ожидать, что вследствие описанных потоковых неустойчивостей космические лучи должны быть заключены в «пузырь», который расширяется в направлении локального магнитного поля. Такие пузыри благодаря распаду -мезонов могут наблюдаться как диффузные источники у-излучения на месте бывшей сверхновой. Не исключена также возможность, что мы находимся внутри одного из таких пузырей и поэтому получаем искаженное представление о том, каковы в действительности характерные свойства космических лучей в Галактике.