Центробежный механизм ускорения

редактировать

Механизм ускорения космических лучей

Центробежное ускорение астрочастиц до релятивистских энергий может потребовать место во вращающихся астрофизических объектах (см. также ускорение Ферми ). Считается, что активные ядра галактик и пульсары имеют вращающиеся магнитосферы, следовательно, они потенциально могут разгонять заряженные частицы до высоких и сверхвысоких энергий. Это предлагаемое объяснение для космических лучей сверхвысоких энергий (КЛУВЭ) и космических лучей сверхвысоких энергий (КЛЭ), превышающих предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина.

Содержание

1 Ускорение до высоких энергий
2 Ускорение до очень высоких и сверхвысоких энергий
3 Ссылки
4 Дополнительные ссылки

Ускорение до высоких энергий

Хорошо известно, что магнитосферы AGN и пульсары характеризуются сильными магнитными полями, которые заставляют заряженные частицы следовать за силовыми линиями. Если магнитное поле вращается (что имеет место для таких астрофизических объектов), частицы неизбежно будут испытывать центробежное ускорение. Новаторская работа Machabeli Rogava была мысленным экспериментом, в котором шарик движется внутри прямой вращающейся трубы. Динамика частицы была проанализирована как аналитически, так и численно, и было показано, что если жесткое вращение сохраняется в течение достаточно длительного времени, энергия шарика будет асимптотически увеличиваться. В частности, Rieger Mannheim, опираясь на теорию Мачабели и Рогавы, показали, что фактор Лоренца шарика ведет себя как

γ = γ 0 1 - Ω 2 r 2 / c 2 {\ displaystyle \ gamma = {\ frac {\ gamma _ {0}} {1- \ Omega ^ {2} r ^ {2} / c ^ {2}}}}

{\ displaystyl е \ gamma = {\ frac {\ gamma _ {0}} {1- \ Omega ^ {2} r ^ {2} / c ^ {2}}}}

(1)

где $γ 0 {\ displaystyle \ gamma _ {0}}$ $\ gamma _ {0}$ - начальный коэффициент Лоренца, Ω - угловая скорость вращения, $r {\ displaystyle r}$ $р$ - радиальная координата частицы, а $c {\ displaystyle c}$ $c$ - скорость света. Из этого поведения видно, что радиальное движение будет иметь нетривиальный характер. В процессе движения частица достигнет поверхности светового цилиндра (гипотетическая область, где линейная скорость вращения в точности равна скорости света), что приведет к увеличению полоидальной составляющей скорости. С другой стороны, полная скорость не может превышать скорость света, поэтому радиальная составляющая должна уменьшаться. Это означает, что центробежная сила меняет знак.

Как видно из (1), фактор Лоренца частицы стремится к бесконечности, если сохраняется жесткое вращение. Это означает, что на самом деле энергия должна быть ограничена определенными процессами. Вообще говоря, существует два основных механизма: обратное комптоновское рассеяние (ICS) и так называемый механизм разрушения бусинки на проволоке (BBW). Для струйных структур в AGN было показано, что для широкого диапазона углов наклона силовых линий относительно оси вращения ICS является доминирующим механизмом, эффективно ограничивающим максимально достижимые факторы Лоренца электроны $γ ICS max ∼ 10 8 {\ displaystyle \ gamma _ {ICS} ^ {max} \ sim 10 ^ {8}}$ ${\ displaystyle \ gamma _ {ICS} ^ {max} \ sim 10 ^ {8}}$ . С другой стороны, было показано, что BBW становится доминирующей при относительно низкой светимости AGN $L < 8 × 10 40 e r g / s {\displaystyle L<8\times 10^{40}\mathrm {erg} /\mathrm {s} }$ ${\ displaystyle L <8 \ раз 10 ^ {40} \ mathrm {эрг} / \ mathrm {s}}$ , что приводит к $γ BBW max ∼ 10 7 {\ displaystyle \ gamma _ {BBW} ^ {max} \ sim 10 ^ {7}}$ ${\ displaystyle \ gamma _ {BBW} ^ {max} \ sim 10 ^ {7}}$ .

Центробежные эффекты более эффективны в миллисекундах пульсаров, поскольку скорость вращения довольно высока. Османов и Ригер рассмотрели центробежное ускорение заряженных частиц в области светового цилиндра крабоподобных пульсаров. Было показано, что электроны могут достигать факторов Лоренца $γ KN max ∼ 10 7 {\ displaystyle \ gamma _ {KN} ^ {max} \ sim 10 ^ {7}}$ ${\ displaystyle \ gamma _ {KN} ^ {max} \ sim 10 ^ {7}}$ через обратное комптоновское рассеяние вверх по Клейну – Нишиной.

Ускорение до очень высоких и сверхвысоких энергий

Хотя прямое центробежное ускорение имеет ограничения, как показывает анализ, эффекты вращения все же могут играть важную роль в процессах ускорения заряженных частиц. Вообще говоря, считается, что центробежные релятивистские эффекты могут вызывать плазменные волны, которые при определенных условиях могут быть нестабильными, эффективно накачивая энергию из фонового потока. На втором этапе энергия волновых мод может быть преобразована в энергию частиц плазмы, что приведет к последующему ускорению.

Во вращающихся магнитосферах центробежная сила действует по-разному в разных местах, приводя к генерации ленгмюровских волн или плазменных колебаний через параметрическую нестабильность. Можно показать, что этот механизм эффективно работает в магнитосферах AGN и пульсаров.

. Рассматривая крабоподобных -подобных пульсаров, было показано, что с помощью затухания Ландау центробежно индуцированные электростатические волны эффективно теряют энергию, передавая ее электронам. Установлено, что выигрыш в энергии электронами определяется как

ϵ ≈ np F reac δ rn GJ {\ displaystyle \ epsilon \ приблизительно {\ frac {n_ {p} F_ {reac} \ delta r} {n _ {_ { GJ}}}}}

{\ displaystyle \ epsilon \ приблизительно {\ frac {n_ {p} F_ {reac} \ delta r} {n _ {_ {GJ}}}}}

(2)

где $δ r ∼ c / Γ {\ displaystyle \ delta r \ sim c / \ Gamma}$ ${\ displaystyle \ delta r \ sim c / \ Gamma}$ , $Γ {\ displaystyle \ Gamma}$ $\ Gamma$ - приращение нестабильности (подробности см. В цитированной статье), $F reac ≈ 2 мкОм ξ (r) - 3 {\ displaystyle F_ {reac} \ приблизительно 2mc \ Omega \ xi (r) ^ {- 3}}$ ${\ displaystyle F_ {reac} \ приблизительно 2mc \ Omega \ xi (r) ^ {- 3}}$ , $ξ (r) = (1 - Ω 2 r 2 / c 2) 1/2 {\ displaystyle \ xi (r) = \ left (1- \ Omega ^ {2} r ^ {2} / c ^ {2} \ right) ^ {1/2}}$ ${\ displaystyle \ xi (r) = \ left (1- \ Omega ^ {2} r ^ {2} / c ^ {2} \ right) ^ { 1/2}}$ , $np {\ displaystyle n_ {p}}$ $n_p$ - числовая плотность плазмы, $m {\ displaystyle m}$ $m$ - масса электрона, а $n GJ {\ displaystyle n _ {_ {GJ}}}$ ${\ displaystyle n _ {_ {GJ}}}$ - плотность Голдрейха-Юлиана. Можно показать, что при типичных параметрах крабоподобных -подобных пульсаров частицы могут набирать энергии порядка $100 с {\ displaystyle 100s}$ ${\ displaystyle 100s}$ из $T e V s {\ displaystyle TeVs}$ ${\ displaystyle TeVs}$ или даже $P e V s {\ displaystyle PeVs}$ ${\ displaystyle PeVs}$ . В случае миллисекундных новорожденных пульсаров электроны могут быть ускорены до еще более высоких энергий $10 18 e V {\ displaystyle 10 ^ {18} eV}$ ${\ displaystyle 10 ^ {18} eV}$

путем исследования магнитосферы AGN, ускорение протонов происходит за счет ленгмюровского коллапса. Как показано, этот механизм достаточно силен, чтобы гарантировать эффективное ускорение частиц до сверхвысоких энергий за счет ленгмюровского затухания

ϵ p (e V) ≈ 6,4 × 10 17 × M 8 - 5/2 × L 42 5 / 2 {\ displaystyle \ epsilon _ {p} \ left (eV \ right) \ примерно 6,4 \ раз 10 ^ {17} \ раз M_ {8} ^ {- 5/2} \ раз L_ {42} ^ {5 / 2}}

{\ displaystyle \ epsilon _ {p } \ влево (эВ \ вправо) \ примерно 6,4 \ раз 10 ^ {17} \ раз M_ {8} ^ {- 5/2} \ раз L_ {42} ^ {5/2}}

где $L 42 ≡ L / 10 42 эрг / с {\ displaystyle L_ {42} \ Equ L / 10 ^ {42} \ mathrm {erg} / \ mathrm {s}}$ ${\ displaystyle L_ {42} \ Equiv L / 10 ^ {42} \ mathrm {erg} / \ mathrm {s} }$ - нормализованная светимость AGN, $M 8 ≡ M / (10 8 M ⊙) {\ displaystyle M_ {8} \ Equiv M / (10 ^ {8} M_ { \ odot})}$ ${\ displaystyle M_ {8} \ Equiv M / (10 ^ {8} M _ {\ odot})}$ - его нормализованная масса, а $M ⊙ {\ displaystyle M _ {\ odot}}$ $М _ {\ odot}$ - масса Солнца. Очевидно, что при удобном наборе параметров можно достичь огромных энергий порядка $10 21 e V {\ displaystyle 10 ^ {21} эВ}$ ${\ displaystyle 10 ^ {21} eV}$ , поэтому AGN стать космическими зеватронами.

Ссылки

Дополнительные ссылки

Гудавадзе, Ираклий; Османов, Заза; Рогава, Андрия (2015). «О роли вращения в истечениях пульсара в Крабовике». Международный журнал современной физики D. 24 (6): 1550042. arXiv : 1411.7241. Bibcode : 2015IJMPD..2450042G. doi : 10.1142 / S021827181550042X. CS1 maint: ref = harv (ссылка )
Османов, Заза (2013). «О роли дрейфа кривизны Неустойчивость в динамике электронов в активных ядрах галактик ». Международный журнал современной физики D. 22 (13): 1350081. arXiv : 0907.4268. Bibcode : 2013IJMPD..2250081O. doi : 10.1142 / S0218271813500818. CS1 maint: ref = harv (link )
Османов, З. (2010). «Является ли очень высокое излучение энергии от BL Lac 1ES 0806 + 524 центробежным?». New Astronomy. 15 (4): 351–355. arXiv : 0901.1235. Bibcode : 2010NewA... 15..351O. doi : 10.1016 / j.newast.2009.10.001. CS1 maint: ref = harv (ссылка )
Османов, З.; Шапакидзе, Д.; Мачабели, Г. (2009). «Динамический обратная связь нестабильности дрейфа кривизны на процесс ее насыщения » (PDF). Астрономия и астрофизика. 503 (1): 19–24. arXiv : 0711. 0295. Полномочный код : 2009AA... 503... 19O. doi : 10.1051 / 0004-6361 / 200912113. CS1 maint: ref = harv (ссылка )
З. Османов (2008). «Эффективность центробежно-индуцированной неустойчивости дрейфа кривизны в ветрах АЯГ» (PDF). Астрономия и астрофизика. 490 (2): 487–492. arXiv : 0803.0395. Bibcode : 2008AA... 490..487O. doi : 10.1051 / 0004-6361: 200809710. CS1 maint: ref = harv (ссылка )
Османов, З.; Далакишвили, Г.; Мачабели, Г. (2008). «О реконструкции магнитосферы пульсаров вблизи света поверхность цилиндра ". Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 383 (3): 1007–1014. Bibcode : 2008MNRAS.383.1007O. doi : 10.1111 / j.1365-2966.2007.12543.x. CS1 maint: ref = harv (ссылка )
Рогава, Андрия; Далакишвили, Георгий; Османов, Заза (2003). "Центробежно-управляемая релятивистская динамика на искривленных траекториях". Общая теория относительности и гравитации. 35 (7): 1133–115 2. arXiv : astro-ph / 0303602. Bibcode : 2003GReGr..35.1133R. doi : 10.1023 / A: 1024450105374. CS1 maint: ref = harv (ссылка )