§ 9. Взаимодействие космических лучей с излучением

Космические лучи, которые проводят огромное время в межзвездном или межгалактическом пространстве, взаимодействуют с частицами и полями, заполняющими это пространство [Гинзбург, Сыроватский (1963)]. После открытия реликтового излучения в ряде работ было обсуждено взаимодействие космических лучей с реликтовыми фотонами. Краткое изложение основных результатов, дается ниже. Подробнее см. Березинский (1970), Хаякава (1973, 1974), Озерной, Розенталь, Прилуцкий (1973).

1. Взаимодействие электронов космических лучей с излучением. Торможение релятивистских электронов, дается формулой

где полная плотность энергии электромагнитного поля. Она включает энергию магнитного поля и энергию излучения еизл, которая, в свою очередь, состоит из энергии излучения звезд и энергии реликтового излучения Последняя для планковского спектра при Если то пренебрежимо мала, ужебольше, чем Внутри Галактики Вне ее порядка много меньше, чем

Уравнение (8.9.1) легко интегрируется:

Для каждого дается верхний предел на энергию. Взяв лет или лет и или получаем следующую таблицу.

ТАБЛИЦА IX (см. скан) Верхний предел энергии

Энергия, которая отбирается от электронов, зависит только от общей плотности излучения Но форма, в которую эта энергия преобразуется, зависит от структуры электромагнитного поля. В случае статического магнитного поля синхротронное излучение происходит с частотой (в максимуме)

Взаимодействие электронов с фотонами дает фотоны с энергией порядка

Этот процесс предлагается в качестве источника фонового рентгеновского излучения. Нужно указать, что все оценки сильно зависят от ситуации в коротковолновой области спектра реликтового излучения (см. § 6). Если бы сильное отличие от равновесного спектра с подтвердилось, то потери были бы много больше, и электроны в нашей Галактике, взаимодействуя с излучением, могли бы дать существенную часть рентгеновского фона. Однако последние измерения говорят в пользу так что более вероятно, что рентгеновский фон обусловлен внегалактическими источниками.

2. Взаимодействие гамма-лучей с излучением. Фотон-фотонное взаимодействие, несомненно, существует как следствие современной электродинамики, но сечение очень мало. Другое дело, если может происходить рождение пар Этот процесс обратен аннигиляции на лету, его сечение порядка

Чтобы вычислить нужную энергию, вспомним, что где масса покоя системы. Применим это соотношение к двум фотонам с энергией и импульсами в нашей системе координат (индекс «1» употребляется для -кванта, «2» — для реликтового фотона,

Полная энергия будет а полный импульс

таким образом,

Если рождается пара, то Следовательно, необходимо Взяв мы получим Гашение -лучей более энергичных, чем предел в очень резкое. Используя концентрацию реликтовых фотонов и сечение находим время жизни надпорогового -кванта: лет.

Экспериментальная ситуация не ясна. Не наблюдаются -кванты с энергией но мягких -квантов тоже мало, так что неизвестно, есть ли излом, предсказанный в районе

3. Взаимодействие тяжелых частиц, космических протонов и ядер с излучением. Прямое электромагнитное взаимодействие такого же типа, как и для электронов, уменьшается в « раз и, следовательно, пренебрежимо мало. Но, когда энергия фотона в системе покоя тяжелых частиц достаточно велика, имеют место новые процессы:

а) рождение пар в поле частицы: порог

б) фотоядерные процессы, ведущие к возбуждению развалу

(см. скан)

удержать их; в теории рассматриваются космические лучи внегалактического происхождения с возрастом порядка лет.

Подробное предсказание спектра космических лучей зависит от окончательных результатов измерения плотности энергии реликтового излучения. Путь для примирения существования космических лучей с большой энергией с большой плотностью излучения дается в цитированной работе Березинского, Зацепина (1969); по их представлению, такие космические лучи рождаются недалеко от наблюдателя из нейтрино с нейтрино же не теряет энергии при движении. Обратная проблема — взаимодействие космических лучей с реликтовыми нейтрино — обсуждалась Качаровым (1965). Плотность нейтрино во Вселенной можно ограничить по их гравитационному влиянию на расширение Вселенной [Зельдович, Смородинский из этой оценки следует, что их слабое взаимодействие с космическими лучами не существенно.

При обсуждении взаимодействия космических лучей, проведенном выше, предполагалось, что космические лучи инжектируются в течение времени порядка возраста нашей Галактики, т. е. около половины космологического времени. Если время взаимодействия больше, чем вышеупомянутое, то взаимодействие не существенно. Если же время взаимодействия короче, то концентрация космических лучей уменьшается в отношении Если зависит от энергии, то характеристическое значение при котором должно давать излом в спектре космических лучей. Не нужно знать эволюцию температуры и плотности энергии фона, потому что короче, чем космологическое время. Для заряженных частиц в космических лучах, задерживаемых галактическим магнитным полем, нельзя объяснить адиабатические потери импульса и энергии хаббловским расширением, потому что Галактика не расширяется.

Наконец, в последнее время выдвигается предположение о том, что самые энергичные частицы космических лучей рождаются близко, например в пульсаре Крабовидной туманности. Тогда возраст их мал и противоречия, связанные с потерей энергии, снимаются, но такие частицы должны приходить всегда из одного и того же участка неба.

Исследование космических лучей максимальной энергии необыкновенно увлекательно, но и очень трудно вследствие редкости событий. Нужно набрать достаточное число событий, чтобы проверить энергию и определить, нарушается ли изотропия.

Недавно было рассмотрено гипотетическое догалактическое космическое излучение и выдвинуто предположение, что -лучи являются остатками от аннигиляции антиматерии. В совершенно однородной Вселенной с однородно распределенным превышением барионов над антйбарионами аннигиляция завершается при (см. § 3 гл. 7). При огромной плотности в этот период устанавливается полное равновесие. Следовательно, аннигиляция является значительным источником -лучей, только если она задерживается; возможная причина задержки — это неоднородное распределение материи и антиматерии. Детальная теория неоднородной аннигиляции откладывается до раздела V, где будет рассмотрена неоднородная Вселенная. Здесь мы обсудим проблему распространения -лучей.

Прежде всего, температура барнонов и антибарионов низка по сравнению с идет аннигиляция практически покоящихся частиц. Первичные продукты состоят главным образом из мезонов, но они короткоживущие, так что выживают только -лучи и нейтрино. Энергия -лучей составляет 1/3 от общей; их спектр имеет максимум вблизи верхний предел энергии Если аннигиляция проходит при некотором энергия -лучей, которые избежали взаимодействия, на сегодня в раз меньше первичной. Стекер (1969), на основе результатов Ветте и др. (1970), обращает внимание на горб в спектре -лучей около (сегодня). Он приписывает его распаду -мезонов, проходившему . Ароне и Мак-Кри (1969) рассмотрели распространение энергичных -лучей с учетом их взаимодействия с плазмой и с учетом изменения энергии -лучей и плотности плазмы в ходе расширения Вселенной.

Когда энергия -фотонов больше, чем , сечение рассеяния уменьшается по сравнению с томсоновским

Приблизительно

т. е. жесткие -кванты рассеиваются слабее. Но при некоторой

энергии рождение пар на ядрах становится более важным, чем рассеяние на электронах. Для водорода этот порог лежит вблизи Результат вычислений таков, что сейчас могут быть зарегистрированы только те -кванты с которые образовались при

Полезно сравнить это обсуждение с косвенным методом обнаружения аннигиляции из-за выделения энергии и искажений в спектре. Этот метод будет работать вплоть до в широких пределах. Правда, здесь не будет специфических особенностей; любой процесс выделения энергии даст искажения спектра. Только обнаружение -квантов и измерение их спектра и углового распределения будет прямым указанием на аннигиляцию. Существующие же данные не убедительны.