Потери энергии при распространении

При движении космических лучей сквозь межзвёздную и межгалактическую среду частицы теряют энергию различными путями. Эти механизмы зависят от природы частиц (протоны, тяжёлые ядра, электроны), их энергии, плотности окружающего вещества, а также характеристик магнитных и радиационных полей. Потери энергии играют фундаментальную роль в формировании спектра космических лучей, их пространственного распределения и во времени жизни частиц в галактике.

Ионизационные потери

Для заряженных частиц низких и средних энергий (от нескольких МэВ до нескольких ГэВ) основным каналом потерь является ионизация и возбуждение атомов вещества.

  • При прохождении через межзвёздный газ частица передаёт энергию электронам атомов и молекул, вызывая их выбивание или возбуждение.
  • Закон, описывающий скорость потерь энергии, задаётся формулой Бете–Блоха. Потери энергии обратно пропорциональны квадрату скорости частицы, поэтому наиболее существенны при субрелятивистских энергиях.
  • Для протонов и тяжёлых ядер характерные потери составляют порядка нескольких МэВ на грамм/см² вещества, что приводит к значительному ограничению времени жизни низкоэнергичных частиц.

Таким образом, ионизационные процессы формируют нижнюю границу наблюдаемого спектра космических лучей.

Потери на кулоновское рассеяние

Помимо прямой ионизации, существенную роль играют кулоновские столкновения заряженных частиц с электронами плазмы.

  • При рассеянии на медленных электронах плазмы космический луч теряет часть энергии, передавая её тепловому фону.
  • Данный процесс особенно важен для электронов космических лучей, поскольку их масса мала и они эффективнее тормозятся в среде.
  • Кулоновские потери заметно сокращают время жизни электронов с энергиями до сотен МэВ.

Радиативные потери электронов

Для электронов высоких энергий основным механизмом становится излучение в электромагнитных полях.

  1. Синхротронное излучение

    • Электроны, двигающиеся в межзвёздных магнитных полях, теряют энергию за счёт излучения фотонов в радиодиапазоне.
    • Мощность излучения пропорциональна квадрату энергии электрона и квадрату магнитного поля.
    • Этот процесс особенно важен в областях с сильными магнитными полями, например, около пульсаров и в остатках сверхновых.

  2. Тормозное излучение (Bremsstrahlung)

    • Электроны теряют энергию, взаимодействуя с кулоновскими полями ионов газа.
    • При этом происходит испускание фотонов вплоть до гамма-диапазона.
    • Потери особенно заметны в плотных облаках межзвёздного газа.

  3. Обратное комптоновское рассеяние

    • Высокоэнергичные электроны передают энергию низкоэнергичным фотонам (например, реликтовому излучению или инфракрасному фону), повышая их энергию до гамма-квантов.
    • Это один из ключевых процессов формирования высокоэнергичного гамма-излучения в галактике.

Эти три механизма совместно определяют энергетический баланс космических электронов. Их время жизни оказывается существенно меньше, чем у протонов, что объясняет меньший радиус распространения электронов в галактике.

Адриатические потери

Космические лучи могут испытывать потери энергии вследствие адриатического расширения среды.

  • При расширении газа или плазмы, в котором заключены частицы, их энергия уменьшается пропорционально изменению объёма.
  • В частности, при распространении в солнечном ветре или при выходе из галактических источников в расширяющуюся оболочку сверхновой, космические лучи теряют часть энергии без столкновений.
  • Этот процесс особенно важен для частиц умеренных энергий при их транспортировке на большие расстояния.

Фоторазрушение и фотопотери для ядер

Для тяжёлых ядер космических лучей существует особый канал потерь – фоторазрушение.

  • При взаимодействии с фотонами космического микроволнового фона или излучения звёзд ядра могут возбуждаться и распадаться, теряя нуклоны.
  • В результате образуются более лёгкие ядра и изменяется химический состав космических лучей на больших расстояниях.
  • Фоторазрушение особенно важно для объяснения ограничений на распространение ядер ультравысоких энергий.

Потери при взаимодействии с фоновым излучением (эффект ГЗК)

Для протонов сверхвысоких энергий (выше 1019 эВ) главным ограничивающим фактором становится взаимодействие с фотонами реликтового излучения.

  • При столкновениях протонов с микроволновыми фотонами возможна генерация пионов (процесс фотопроизводства пионов).
  • Это приводит к быстрому уменьшению энергии протонов при их движении на расстояния свыше 50–100 Мпк.
  • Ограничение носит название предела Грайзена–Зацепина–Кузьмина (ГЗК).

Таким образом, космические лучи ультравысоких энергий не могут свободно распространяться на космологических масштабах.

Сравнительный вклад различных механизмов

  • Для протонов доминируют ионизационные потери при низких энергиях и взаимодействие с реликтовым излучением на ультравысоких энергиях.
  • Для электронов решающую роль играют радиационные процессы: синхротронное и комптоновское излучение.
  • Для тяжёлых ядер определяющим становится фоторазрушение в межгалактическом излучении.

Комбинация этих эффектов формирует наблюдаемый спектр космических лучей, их анизотропию и химический состав.

Оглавление