Обратным комптоновским рассеянием называют процесс, при котором высокоэнергетические заряженные частицы, главным образом электроны космических лучей, передают значительную часть своей энергии низкоэнергетическим фотонам, резко повышая их энергию. В отличие от обычного комптоновского рассеяния, когда фотон теряет энергию при взаимодействии с покоящимся электроном, в обратном случае именно электрон играет роль ускорителя для фотона.
В условиях космоса это явление особенно важно, поскольку оно обеспечивает одно из ключевых звеньев преобразования энергии частиц в высокоэнергетическое электромагнитное излучение — от рентгеновского диапазона до гамма-квантов.
Пусть электрон с энергией Ee = γmec2 (γ — лоренцевский фактор) сталкивается с фотоном исходной энергии ε. После рассеяния фотон приобретает энергию
$$ \varepsilon' \approx \frac{4}{3} \gamma^2 \varepsilon, $$
если выполняется условие γ ≫ 1 и энергия фотона в системе покоя электрона остаётся много меньше энергии покоя электрона. Таким образом, обратное комптоновское рассеяние способно усиливать энергию фотонов на несколько порядков величины.
Полный дифференциальный сечение описывается формулой Клейна–Нишины, но в ультрарелятивистском пределе обычно используют приближённые выражения.
Обратное комптоновское рассеяние играет ключевую роль в различных космических процессах:
Микроволновое реликтовое излучение и космические электроны. При взаимодействии высокоэнергетических электронов галактических и внегалактических источников с фотонами реликтового фона возникают гамма-кванты в диапазоне сотен МэВ и выше. Это лежит в основе формирования диффузного гамма-излучения.
Сверхновые остатки. В ударных волнах сверхновых разгоняются электроны, которые затем рассеивают как оптические, так и инфракрасные фотоны межзвёздной среды. Это объясняет наличие наблюдаемого в ряде остатков сверхновых интенсивного гамма-излучения.
Активные галактические ядра и джеты. В релятивистских струях квазаров и блазаров обратное комптоновское рассеяние доминирует в спектральной области высоких энергий. Фотонами-мишенями служат либо собственное синхротронное излучение электронов (SSC-механизм, synchrotron self-Compton), либо излучение аккреционного диска и окружающих облаков (EC-механизм, external Compton).
Пульсарные ветры и туманности. В системах типа Крабовидной туманности электронно-позитронная плазма, ускоренная до энергий γ ∼ 106, усиливает фотоны до гамма-диапазона, что фиксируется современными обсерваториями.
Интенсивность обратного комптоновского излучения зависит от плотности фотонов-мишеней и распределения электронов по энергиям. Если электронный спектр имеет степенной закон N(Ee) ∼ Ee−p, то спектр обратного комптоновского излучения будет иметь сходный степенной характер в высокоэнергетической области.
Таким образом, обратное комптоновское рассеяние позволяет напрямую диагностировать распределение релятивистских электронов в космических источниках. Совмещение данных по синхротронному и комптоновскому излучению даёт возможность определять как энергетический спектр частиц, так и магнитное поле в области их распространения.
Выделяют два режима:
Томсоновский предел (γε ≪ mec2): энергия фотона после рассеяния растёт как ε′ ∼ γ2ε. Это характерно для взаимодействия реликтовых фотонов с электронами с энергией до десятков ТэВ.
Режим Клейна–Нишины (γε ≳ mec2): сечение резко падает, а передача энергии становится менее эффективной. При этом наблюдается «жёсткость» спектра гамма-излучения на самых высоких энергиях.
Таким образом, спектральная форма обратного комптоновского излучения содержит информацию о переходе между режимами и позволяет прослеживать энергетические пределы ускоренных частиц.
Современные гамма-обсерватории, такие как Fermi-LAT, HESS, MAGIC, VERITAS, регистрируют обратное комптоновское излучение от широкого класса астрофизических объектов. В частности: