Введение к работе
Актуальность темы
К настоящему времени в астрономии были достигнуты значительные успехи. Современные инструменты позволяют производить наблюдения фотонов космического излучения в широком диапазоне энергий - начиная с радиоволн, заканчивая гамма-квантами с энергиями в несколько ТэВ. Основной интерес представляют наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазоне, поскольку они позволяют отслеживать высокоэнергетичные процессы. На данный момент обнаружено довольно большое количество как точечных, так и протяженных источников рентгеновского и гамма-излучения, причем природа некоторых из них на данный момент является загадкой.
Элементарные физические процессы, приводящие к испусканию фотонов рентгеновского и гамма-диапазонов известны и довольно хорошо изучены, в-основном, они сводятся к взаимодействию частиц высокой энергии или жестких фотонов со средой. Основной проблемой является определение процессов, ответственных за формирование нужного спектра первичных частиц, источников, снабжающих их энергией, механизмов распространения в межзвездной среде.
Спектр теплового излучения может быть хорошо воспроизведен в предположении о некоторых источниках, ответственных за разогрев среды до наблюдаемой температуры. Однако значительная часть рентгеновского излучения и все гамма-излучение носит нетепловой характер. Таким образом, актуальной становится задача об исследовании процессов формирования нетепловых спектров частиц в объектах, ярких в указанных диапазонах. Все объекты можно разделить на два типа: компактные объекты, такие как звезды, пульсары, двойные системы, аккреционные диски черных дыр и т.п., и протяженные объекты. Критерием протяженности можно считать сопоставление характерного размера системы с длиной свободного пробега заряженной частицы в межзвездной среде.
Нас будут интересовать протяженные объекты, расположенные в нашей Галактике. Большая часть из описанных здесь объектов располагается вблизи галактического центра:
-
Аннигиляционная линия 511 кэВ. Несмотря на относительно долгую историю изучения этого объекта, вопрос о происхождении позитронов, формирующих данное излучение, остается открытым. По современным данным линия должна быть сформирована тепловыми позитронами с энергиями около 1 эВ, однако, как мы покажем в соответствующем разделе, процесс охлаждения с формированием излучения, порожденного нетепловым спектром позитронов, позволяет установить жесткие ограничения на происхождение позитронов.
-
Рентгеновское излучение из галактического центра. Есть все основания предполагать, что оно является следствием теплового излучения горячей плазмы. Если эта теория верна, то актуальным становится вопрос об источнике энергии, снабжающем эту плазму. Помимо этого, из той же самой области обнаружена нетепловая компонента, для описания которой возможно использование процессов излучения частиц с нетепловым спектром.
-
Излучение из молекулярных облаков. Наблюдения показывают, что данные объекты проявляют себя в рентгеновском диапазоне, как в непрерывном спектре, так и в линейчатом. Характерная энергия одной из самых ярких линий составляет 6.4 кэВ. Поскольку температура облаков порядка 100 К, возбуждение данной линии не может осуществляться путем столкновений тепловых частиц, и, как следствие, необходимо сделать предположение о частицах, проникающих в облака извне.
Последним объектом нашего исследования являются шаровые скопления, входящие в состав нашей Галактики. Гамма-излучение этих объектов обнаружено сравнительно недавно
Цель работы
Целью работы является построение моделей излучения из указанных объектов в предположениях об определенных источниках быстрых частиц и свойствах среды, в которой происходит их распространение.
Основные задачи, решаемые в диссертационной работе
-
Определение условий, при которых аннигилирующие в центре Галактики позитроны могут быть рождены при энергиях, превышающих 10 МэВ.
-
Определение условий, при которых возможна генерация позитронов за счет протон-протонных столкновений.
-
Исследование взаимодействия субрелятивистской компоненты с веществом, оценка темпа разогрева вещества в центре Галактики и построение спектра жесткого рентгена из галактического центра.
-
Исследование взаимодействия частиц с молекулярными облаками и оценка темпа возбуждения линии нейтрального железа, а также ее свойств, таких как полуширина, эквивалентная ширина и переменность.
-
Оценка интенсивности ядерных линий, возбуждаемых при взаимодействии субрелятивистской компоненты со средой и анализ возможности их детектирования на текущих и будущих аппаратах.
-
Построение модели генерации гамма-излучения из шаровых скоплений за счет обратного комптоновского рассеяния.
-
Применение модели к двум ярким в гамма-диапазоне скоплениям: Terzan-5 и 47 Tucanae. Анализ вклада в излучение различных компонент.
-
Анализ излучения в других диапазонах. Установка ограничений на текущую модель и поиск способов ее экспериментальной верификации.
Научная новизна работы
В диссертации получены следующие новые результаты:
-
Ограничения по начальной энергии, установленные ранее для позитронов, аннигилирующих в центре Галактики, могут быть смягчены, если мы принимаем во внимание нестационарность процесса инжекции и предполагаем, что в центре Галактики присутствует сильное магнитное поле.
-
Была построена модель адронного происхождения позитронов, ответственных за аннигиляцию из центра Галактики.
-
Было показано, что если наблюдаемое из окрестности галактического центра тепловое рентгеновское излучение является излучением горячей плазмы, то субрелятивистская компонента в состоянии обеспечить компенсацию энергии, теряемой за счет оттока вещества из центральной области.
-
Получаемое при столкновении протонов из субрелятивистской компоненты с электронами среды обратное тормозное излучение может объяснить происхождение нетеплового хвоста в жестком рентгене, наблюдаемого из окрестности центра Галактики.
-
Было показано, что субрелятивистская компонента в состоянии возбуждать линии железа, воспроизводя наблюдаемые на данный момент интенсивности. Полученная нами эквивалентная ширина линий полностью соответствует наблюдениям.
-
В рамках нашей модели мы оценили интенсивности ядерных линий, получаемых при возбуждении ядер среды субрелятивистскими протонами. Обнаружение данных линий будет являться серьезным доводом в пользу того, что в среде присутствует субрелятивистская протонная компонента. На данный момент единственный телескоп, работающий в интересующем нас диапазоне, INTEGRAL, не в состоянии обеспечить необходимую чувствительность. Однако будущие миссии, возможно, будут способны произвести измерения с достаточной точностью.
-
Было показано, что наблюдаемый спектр гамма-излучения из шаровых скоплений может быть воспроизведен при рассеянии фоновых фотонов межзвездной среды релятивистскими электронами (обратное комптоновское рассеяние). Исчерпывающий ответ на вопрос о происхождении гамма-излучения из шаровых скоплений смогут дать лишь будущие наблюдения в диапазоне высоких (свыше 10 ГэВ) энергий.
В диссертационной работе защищаются следующие положения
-
Энергия инжекции позитронов окрестности галактического центра может превышать сотни МэВ при нужном выборе магнитного поля и времени, прошедшего с момента инжекции. При этом экспериментальные данные в радио и гамма-диапазоне не нарушаются.
-
Релятивистские протоны способны обеспечить необходимый темп инжекции позитронов без нарушений экспериментальных данных в гамма-диапазоне.
-
Субрелятивистские протоны способны обеспечить необходимый темп разогрева среды и могут быть источником нетеплового рентгеновского излучения среды.
-
Взаимодействие субрелятивистских протонов с молекулярными облаками способно обеспечить возбуждение линий железа с наблюдаемыми интенсивностями и свойствами.
-
Субрелятивистские протоны могут быть обнаружены по ядерным линиям. Телескопы с необходимой чувствительностью появятся в ближайшее время.
-
Гамма-излучение из шаровых скоплений может быть объяснено в рамках модели обратного комптоновского рассеяния.
-
Вклад каждой из компонент межзвездного излучения в наблюдаемый спектр может быть выяснен путем наблюдений на высоких энергиях (свыше 10 ГэВ).
Научная и практическая ценность
Модель адронного происхождения позитронов является серьезным вкладом в решение одно из наиболее известных проблем гамма-астрономии: проблемы происхождения аннигиляционного излучения из центра Галактики. Также несравненным достоинством нашей модели является то, что она описывает все упомянутые высокоэнергетичные процессы в центре Галактики как следствие одного процесса – захвата звезд центральной черной дырой. Тем самым естественным образом объясняется локализация обнаруженных явлений в окрестности галактического центра. Построенная нами модель возбуждения линий нейтрального железа является указанием на направление дальнейших экспериментальных исследований в данной области. Найденные нами потоки в гамма-линиях составляют значительные величины и могут служить темой будущих экспериментальных исследований центра Галактики.
В исследования излучения из шаровых скоплений нами была предложена альтернативная модель, дающая иные предсказания относительно пространственной локализации излучения, чем более ранняя. Также нами были даны указания на присутствие высокоэнергетичной компоненты гамма-излучения, которая может быть обнаружена экспериментально.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на астрофизическом семинаре отделения теоретической физики ФИАН под руководством академика РАН А.В.Гуревича, а также на конференциях:
-
«Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра (HEA-2005)», Москва, ИКИ РАН, 26-28 декабря 2005 г., доклад «Природа аннигиляционного излучения из центра Галактики».
-
7th INTEGRAL Workshop «An INTEGRAL view of compact objects», Дания, Копенгаген, Eigtveds Pakhus, 8-11 сентября 2008 г., стендовый доклад «Restrictions on the injection energy of positrons annihilating near the Galactic center».
-
7th INTEGRAL Workshop «An INTEGRAL view of compact objects», Дания, Копенгаген, Eigtveds Pakhus, 8-11 сентября 2008 г., стендовый доклад «Origin of thermal and non-thermal hard X-ray emission from the Galactic center».
-
«Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра (HEA-2008)», Москва, ИКИ РАН, 24-26 декабря 2008 г., стендовый доклад «Природа теплового и нетеплового излучения из центра Галактики».
-
A Science workshop to celebrate seven years of INTEGRAL «The Extreme sky: Sampling the Universe above 10 keV», Италия, Отранто, Castello Aragonese, 13-17 октября 2009 г., доклад «Restrictions on the injection energy of positrons annihilating near the GC».
-
A Science workshop to celebrate seven years of INTEGRAL «The Extreme sky: Sampling the Universe above 10 keV», Италия, Отранто, Castello Aragonese, 13-17 октября 2009 г., стендовый доклад «De-Excitation Gamma-ray Line Emission from the Galactic Center».
-
«Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра (HEA-2009)», Москва, ИКИ РАН, 21-24 декабря 2009 г, доклад «Линия нейтрального железа из молекулярных облаков»
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 9 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК РФ. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора
Автор внес решающий вклад в результативную часть диссертационной работы. Автором были произведены вычисления спектров частиц (протонов и электронов) и частично спектров излучения, вызываемого данными частицами. К описанным автором спектрам относятся: спектр прямой аннигиляции, тормозного и радиоизлучения позитронов и электронов, спектр обратного тормозного излучения субрелятивистских протонов, спектр гамма-излучения релятивистских протонов, спектр излучения за счет обратного комптоновского рассеяния. Автором были выдвинуты требования к среде, в которой должны происходить вышеуказанные процессы, а также получены экспериментальные ограничения на используемую нами модель.
Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 99 страницах, состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 24 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 141 наименования.
