Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема происхождения космических лучей (КЛ) является одной из наиболее актуальных задач современной астрофизики. Суть проблемы состоит в выявлении источников и механизмов генерации (ускорения) КЛ. Идея о том, что вспышки сверхновых генерируют основную долю наблюдаемых КЛ, значительное время была основана только на соображениях энергетического характера. Согласно современным представлениям, в Галактике в среднем каждые 30 лет взрываются сверхновые звезды. Существенная доля энергии ~ 1061эрг выделяется при взрыве звезды в форме кинетической энергии, выбрасываемой в окружающее пространство массы вещества оболочки. Выделяющаяся в Галактике при этом мощность ~ 1042эрг/с достаточна для восполнения потерь энергосодержания галактических КЛ ~ 1041эрг/с, обусловленных их выходом из Галактики.
Предположение о том, что остатки сверхновых являются главным источником КЛ в Галактике, в последнее время было подкреплено исследованиями процесса регулярного ускорения на ударных волнах. Набор энергии частицами в данном механизме ускорения происходит в процессе их многократного рассеивания на неоднородностях магнитного поля перед и за фронтом ударной волны. В результате формируется степенной спектр частиц по импульсу с показателем, величина которого определяется степенью сжатия среды на ударном фронте. Многочисленные исследования показали, что ускорение КЛ ударной волной от сверхновой способно сформировать спектр КЛ требуемой формы и амплитуды до энергии 10й — 1015эВ при разумных предположениях о темпе ннжекщш частиц в режим ускорения и о коэффициенте диффузии КЛ.
Жесткий характер спектра КЛ, ускоряемых сильной ударной волной, и высокий темп их ускорения являются причиной того, что очень скоро (с момента начала процесса ускорения) КЛ становятся важным динамическим фактором, существенно влияющим на структуру ударного фронта. Обратное влияние КЛ приводит к значительному ушнрению толщины ударного фронта: наряду с обычным тепловым фронтом в модифицированной ударной волне образуется плавный участок — предфронт. Чем выше энергосодержание КЛ, тем большую
в ударном переходе долю по амплитуде составляет предфронт и соответственно меньшую — тепловой фронт. При достаточно больших числах Маха ударная волна полностью модифицируется давлением КЛ, тепловой фронт исчезает, газ остается холодным после прохождения фронта, вся свободная энергия в ударной волне передается КЛ. Это фундаментальное свойство бесстолкновительной ударной волны воспроизводится не только в случае плоской стационарной волны, но также в процессе эволюции сферической расширяющейся в однородной межзвездной среде (МЗС) ударной волны от сверхновой. Однако исследования эволюции сферической ударной волны были выполнены в рамках упрощенных вариантов теории, существенным образом использующих результаты, полученные в плосковолновом приближении. Это прежде всего касается величины среднего коэффициента диффузии КЛ, который в двужидкостном (газ + КЛ) гидродинамическом описании является параметром, который не может быть определен в рамках самой теории. Заранее, однако, не очевидно, в какой мере те пли иные закономерности, установленные для случая плоской ударной волны, могут воспроизводиться в случае нестационарной волны конечных размеров. Последовательное решение этого вопроса состоит во включении в рассмотрение функции распределения КЛ, определяемой самосогласованным образом совместно с параметрами газа.
Одна из основных характеристик процесса ускорения КЛ — суммарный спектр КЛ, произведенных ударной волной от сверхновой за все время ее эволюции. На ее основе определяется эффективность процесса ускорения — доля выделившейся при взрыве сверхновой энергии, переданная КЛ. Этот и два других важных аспекта процесса ускореши — форма энергетического спектра КЛ и их максимальная энергия — не могут быть корректно воспроизведены в рамках упрощенных подходов, в которых КЛ трактуются как жидкость, характеризующаяся определенной плотностью энергии и давлением.
Таким образом, ряд важных характеристик процесса ускорения КЛ в остатках сверхновых может быть исследован только на основе кинетического описания, которое, в свою очередь, может быть реализовано только численно.
Основная цель диссертации состоит в систематическом исследовании про-
цесса ускорения КЛ сферической ударной волной от сверхновой, основанном на кинетическом подходе и последовательном учете реальной геометрии ударной волны и ее модификации обратным воздействием ускоренных КЛ.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые рассмотрен и детально исследован процесс эволющш остатка сверхновой п ускорения КЛ с учетом сильной энергетической зависимости коэффициента диффузии КЛ, что обеспечивает эффективное ускорение КЛ и сильную степень модификации ударной волны.
Установлено, что именно в случае, когда существенны эффекты нелинейного взаимодействия КЛ со средой эволюция сферической ударной волны от сверхновой протекает принципиально по-иному, чем это предсказывалось в плосковолновом приближении или упрощенными моделями.
Впервые установлено, что влияние геометрических факторов приводит к тому, что ударная волна не может стать полностью модифицированной обратным влиянием ускоряемых КЛ: структура ударного фронта всегда является смешанной, состоящей из теплового фронта (разрыва) и плавного протяженного предфронта, обусловленного давлением КЛ.
Показано, что процесс ускорения КЛ в остатках сверхновых способен сформировать спектр КЛ требуемой формы и амплитуды вплоть до энергии ~ 1015 эВ.
Научная и практическая ценность работы.
Развитая в диссертации теория и разработанный алгоритм численного счета позволяют делать детальные количественные предсказания о процессе ускорения КЛ в остатках сверхновых, а также о характере эволющш самого остатка.
Расчеты энергетического и пространственного распределения КЛ в остатках сверхновых будут использованы и уже используются при изучении свойств радио, рентгеновского и гамма-получения остатков сверхновых.
Автор защищает:
1. Разработанный метод численного решения диффузионного уравнения пе
реноса КЛ совместно с системой газодинамических уравнений, позволя
ющий изучать процесс ускорения КЛ в остатках сверхновых при произ
вольной зависимости коэффициента диффузии КЛ от энергии.
Результаты исследования задачи ускорения КЛ в остатках сверхновых заключающиеся в следующем:
-
Процесс ускорения КЛ ударной волной от сверхновых характеризуется высокой эффективностью: энергосодержание ускоренных ударной волной от сверхновой КЛ превышает 50% выделившейся при взрыве энергии.
-
Ударная волна не может быть полностью модифицирована обратным воздействием ускоренных КЛ; структура ударного фронта всегда является смешанной, состоящей из теплового фронта (разрыва) и плавного протяженного предфронта, обусловленного давлением КЛ.
-
Теория удовлетворительно воспроизводит наблюдаемый спектр КЛ в области энергий вплоть до ~ 1015эВ.
Апробация. Результаты вошедшие в диссертацию докладывались и обсуждались на 22-ой (Дублин, 1991), 23-ей (Калгари, 1993), 24-ой (Рим, 1995) Международных конференциях по космическим лучам, на 14-ом (Балатонфю-ред, 1994) Европейском симпозиуме по космическим лучам, на научных семинарах Института ядерной физики пм.Макса Планка (Гейдельберг, Германия), ИКФИА и НИИЯФ МГУ.
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 10 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения; содержит 94 страницы, 17 рисунков, 2 таблицы и библиографический список литературы из 133 названий.
