Вплив низькочастотних коливань у вакуумному зазорі на радіовипромінювання і гамма-випромінювання пульсарів - Автореферат

Як вважається в даний час, активність пульсарів тісно повязана з процесами прискорення частинок в вакуумному зазорі поблизу магнітних полюсів зірки, випромінювання жорстких фотонів релятивістськими частками і народження електронно-позитронної плазми гамма-квантами у магнітному полі. Актуальними також є інші наслідки наявності потужних коливань у зазорі-резонаторі, що досліджуються у дисертації, у тому числі, їх вплив на прискорення частинок у вакуумному зазорі і на умови виключення пульсарів, вплив на форму енергетичного спектру вторинної плазми, відповідальну за виникнення нестійкостей. Метою роботи є побудова теоретичної моделі формування гамма-випромінювання та його звязку з радіовипромінюванням у вакуумному зазорі пульсару, який розглядається як резонатор для низькочастотних коливань радіодіапазону. Вперше отримано звязок між гамма-випромінюванням і радіовипромінюванням пульсару: знайдена кореляція інтенсивностей випромінювання в радіодіапазоні і гамма-променях і звязок спектральних розподілів потужності випромінювання в обох діапазонах. Запропонована теоретична модель дозволяє описати процеси прискорення частинок у вакуумному зазорі пульсару з урахуванням комптонівських втрат енергії на розсіювання потужного низькочастотного випромінювання у резонаторі, яким є вакуумний зазор, формування жорсткого гамма-випромінювання за рахунок комптонівського розсіювання і народження електронно-позитронної плазми комптонівськими гамма-квантами.Найважливішу роль у теорії магнітосфери пульсару грає вакуумний зазор [6*] - область над магнітним полюсом зірки, де є сильне електричне поле, спрямоване вздовж магнітного поля пульсару. Електрони з поверхні зірки, потрапляючи в електричне поле вакуумного зазору, прискорюються до енергій порядку 106 - 107 МЕВ [7*]. Електрони і позитрони, що породжуються, випромінюють гамма-кванти за рахунок синхротронного випромінювання, які також породжують електронно-позитронні пари, що екранують електричне поле, яке прискорює частки у вакуумному зазорі. Що стосується гамма-випромінювання пульсару, то у літературі розглядається його виникнення у вакуумному зазорі за рахунок випромінювання кривизни [12*], або зворотного комптонівського розсіяння теплових фотонів полярної шапки на прискорених електронах [13*]. Як прийнято вважати, вимкнення пульсарів зумовлено припиненням генерації електронно-позитронної плазми у магнітосфері зірки [7*] і може визначатися різними механізмами втрат енергії у вакуумному зазорі - випромінюванням кривизни і розсіянням теплових фотонів.У дисертації розвинена теоретична модель формування гамма-випромінювання і його звязку з радіовипромінюванням у вакуумному зазорі пульсару, який розглядається як резонатор для низькочастотних хвиль, що відповідають радіодіапазону. Комптонівське розсіяння низькочастотних квантів на електронах стає важливим механізмом втрат енергії, а також джерелом гамма-випромінювання, яке формується в області полярної шапки пульсару. Вперше отримано оцінки густини енергії електромагнітних коливань у вакуумному зазорі пульсару, що являється резонатором. Оцінка по потужності радіовипромінювання пульсарів дає інтервал значень U ~ 1010-1013ерг/см3. Знайдено залежність комптонівських втрат енергії частинки у вакуумному зазорі від потужності низькочастотних коливань, магнітного поля пульсару і спектра радіовипромінювання.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації розвинена теоретична модель формування гамма-випромінювання і його звязку з радіовипромінюванням у вакуумному зазорі пульсару, який розглядається як резонатор для низькочастотних хвиль, що відповідають радіодіапазону. Потужне когерентне випромінювання може виходити через порожнини у магнітосферній плазмі (наприклад, через «хвилевід» поблизу магнітної осі та щілиний зазор) і просочуватися через неї. Комптонівське розсіяння низькочастотних квантів на електронах стає важливим механізмом втрат енергії, а також джерелом гамма-випромінювання, яке формується в області полярної шапки пульсару.

Основні результати дисертаційної роботи полягають у наступному.

1. Вперше отримано оцінки густини енергії електромагнітних коливань у вакуумному зазорі пульсару, що являється резонатором. Оцінка по потужності радіовипромінювання пульсарів дає інтервал значень U ~ 1010 -1013ерг/см3. Урахування хвиль, які не можуть вийти з резонатору (замкнені моди), може суттєво підвищити цю величину при спектральних індексах AR > 2. У цьому випадку оцінка густини енергії може досягати 1016 ерг/см3 і більше.

2. Отримано обмеження для значень частот низькочастотних коливань, що збуджуються у вакуумному зазорі. Частоти цих коливань обмежені знизу часом прольоту електроном зазору і умовою виходу випромінювання через «хвилевід» поблизу магнітної осі пульсару. Ці обмеження частот корелюють зі спостереженим низькочастотним обривом у спектрах радіовипромінювання пульсарів, який зазвичай припадає на частоти n ~ 10 МГЦ.

3. Вперше досліджено прискорення частинок у вакуумному зазорі з урахуванням комптонівських втрат енергії на розсіяння низькочастотних фотонів. Знайдено залежність комптонівських втрат енергії частинки у вакуумному зазорі від потужності низькочастотних коливань, магнітного поля пульсару і спектра радіовипромінювання. Отримано оцінки двожини прискорення і максимальної енергії частинки, показано, що вони зменшуються зі зростанням густини енергії коливань.

4. Вперше отримано спектральний розподіл і оцінку повної потужності гамма-випромінювання, що виникає при розсіянні низькочастотних квантів на частинках у вакуумному зазорі. Показано, що має місце кореляція між потужностями випромінювання пульсару у радіодіапазоні і гамма-променях. Розсіяння фотонів з частотами, забагато меншими циклотронної частоти, послаблено сильним магнітним полем. Тому для того, щоб потужність виникаючого комптонівського гамма-випромінювання була порівнянної з потужностями гамма-випромінювання пульсарів, потрібні досить великі значення густини енергії коливань U ~ 1016 ерг/см3, які можуть досягатися з урахуванням замкнених мод. Отримано звязок спектрів випромінювання у радіодіапазоні і гамма-променях: різниця відповідних спектральних індексів повинна бути рівною 2. Порівняння з даними EGRET за спектрами гамма-випромінювання пульсарів показує, що серед відомих гамма-пульсарів три джерела зі спектральними індексами радіовипромінювання AR > 2 відповідають отриманому звязку спектрів. Отримані оцінки потужності гамма-випромінювання також відповідають даним EGRET. Виникаюче гамма-випромінювання сильно анізотропне через ефект аберації і спрямоване переважно уздовж магнітної осі пульсару, що необхідно враховувати при пошуку цього випромінювання.

5. Вперше досліджено вплив індукованого розсіяння на формування гамма-випромінювання у вакуумному зазорі і втрати енергії електронів. Показано, що через послаблення розсіяння низькочастотних фотонів у сильному магнітному полі ці ефекти сильно ослаблені і для звичайних пульсарів можуть виявлятися лише при надвисоких значеннях густини енергії коливань. Зі зменшенням магнітного поля індуковане розсіяння може виявлятися в області малих енергій гамма-квантів, що веде до спадання спектрального розподілу при перевазі самопоглинання над індукованим випромінюванням, або до його зростання у зворотному випадку. Показано, що конкуренція між індукованим випромінюванням і поглинанням визначається шириною розподілу електронів у вакуумному зазорі.

6. Вперше досліджено вимкнення пульсарів з урахуванням низькочастотних коливань у вакуумному зазорі. Отримано умову, при якої низькочастотні моди визначають вимкнення пульсарів, а також умову ефективного народження плазми з урахуванням комптонівських втрат. Знайдено оцінку густини енергії коливань для пульсарів, які знаходяться поблизу лінії вимкнення. Побудовано інтерполяцію густини енергії коливань як функції періоду пульсару та його похідної. Ця інтерполяція веде до кореляції між потужністю радіовипромінювання і густиною енергії коливань, а також до сильної залежності густини енергії коливань від спектру радіовипромінювання пульсару. випромінювання пульсар вакуумний радіодіапазон

1*. Young M. D. T. A resonant model of pulsar radio emission / M. D. T. Young // Young Neutron Stars and Their Environments: 218-th IAU Symposium. Sydney, 14-17 July,2003. - V. 218. - P. 1-4.

2*. Kontorovich V. M. Dice and pulsars / V. M. Kontorovich // Problems of Atomic Science & Technology. - 2007. - № 3. - P.195-199.

3*. Манчестер Р. Пульсары / Р. Манчестер, Дж. Тейлор. - М.: Мир, 1980. - 292 с.

4*. Малов И. Ф. Радиопульсары / Малов И. Ф. - М.: Наука, 2004 - 192 с.

5*. Goldreich P. Pulsar Electrodynamics / P. Goldreich, W. H. Julian // Astrophys. J. - 1969. - V. 157. - P. 869-880.

6*. Ruderman M. A. Theory of pulsars: polar gaps, sparks, and coherent microwave radiation / M. A. Ruderman, P. G. Sutherland // Astrophys. J. - 1971. - V. 164. - P. 51-72.

7*. Sturrock P. A. A model of pulsars / P. A. Sturrock // Astrophys. J. - 1971. - V. 164. - P. 529-556.

8*. Бескин В. С. Осесимметричные стационарные течения в астрофизике / В. С. Бескин - М.: Физматлит, 2006. - 384 с.

9*. Бескин В. С. Физика магнитосферы пульсара / В. С. Бескин, А. В. Гуревич, Я. Н. Истомин // УФН. - 1986. - Т. 150. - С. 257-298.

10*. Смит Ф.Г. Пульсары / Смит Ф. Г. - М.: Мир, 1979. - 232 с.

11*. Usov V. V. On two-stream instability in pulsar magnetospheres / V. V. Usov // Astrophys. J. - 1987. - V. 320. - P. 333-335.

12*. Daugherty J. K. Gamma-ray pulsars: emission from extended polar cap cascades / J.K. Daugherty, A. K. Harding // Astrophys. J. - 1996. - V. 458. - P. 278-292.

13*. Кардашев Н. С. Взаимодействие электронов и позитронов с фотонами в магнитосферах нейтронных звезд / Н. С. Кардашев, И. Г. Митрофанов, И.Д. Новиков // Астрон. Журнал. - 1984. - Т. 61. - С. 1113-1120.

14*. Cheng K. S. Energetic radiation from rapidly spinning pulsars. I. Outer magnetosphere gaps / K. S. Cheng, C. Ho, M. Ruderman // Astrophys. J. - 1986. - V. 300. - P. 500-521.

15*. Blandford R. D. On the scattering and absorption of electromagnetic radiation within pulsar magnetospheres / R. D. Blandford, E. T. Scharlemann // Monthly Not. R. Astron. Soc. - 1976. -V. 174. - P. 56-85.

16*. Истомин Я. Н. Генерация электронно-позитронной плазмы в магнитосфере нейтронных звезд / Я. Н. Истомин // УФН. - 2008. - Т. 178. - С. 880-884.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Конторович В. М. О связи гамма-излучения и радиоизлучения в пульсарах / В. М. Конторович, А. Б. Фланчик // Письма в ЖЭТФ. - 2007. - Т. 85. - С. 323-327.

2. Конторович В. М. О связи спектров гамма-излучения и радиоизлучения пульсаров / В. М. Конторович, А. Б. Фланчик // ЖЭТФ. - 2008. - Т. 133. - С. 996-1004.

3. Kontorovich V. M. On the pulsar secondary electron-positron plasma production in low-energy region / V. M. Kontorovich, A. B. Flanchik // Problems of Atomic Science & Technology. - 2007. - №3. - P. 312-316.

4. Конторович В. М. Образование аннигиляционной линии 255 КЭВ вблизи магнитных полюсов пульсаров / В.М. Конторович, А. Б. Фланчик // Письма в ЖЭТФ. - 2004. - Т. 79. - С. 299-302.

5. Фланчик А. Б. Вклад электронов с максимальным гамма-фактором в индуцированное комптоновское рассеяние в вакуумном зазоре пульсара / А. Б. Фланчик // Радиофизика и радиоастрономия - 2008. - Т. 13. - С. 229-235.

6. Конторович В. М. Влияние индуцированного рассеяния на ускорение электронов в вакуумном зазоре пульсара / В. М. Конторович, А. Б. Фланчик // ВАНТ. - 2008. - № 4. - С. 123-127.

7. Kontorovich V. M., Flanchik A. B. Induced Compton gamma radiation formed in the pulsar vacuum gap: Physics of neutron stars - 2008. St. Petersburg, June 24 - 27 - St. Petersburg, 2008 - P. 32.

8. Фланчик А. Б. Корреляция радиоизлучения пульсара с низкочастотными колебаниями в вакуумном зазоре: Актуальные проблемы внегалактической астрономии - 2009. Пущино, 21 - 23 апреля 2009 г. - С. 12.

Размещено на .ru