Основные механизмы ускорения частиц в астрофизических объектах
Наиболее широко признанным механизмом ускорения заряженных частиц в астрофизике является диффузионное ускорение на ударных волнах. Оно происходит вблизи ударных фронтов, возникающих, например, при взрывах сверхновых, в релятивистских джетах активных ядер галактик и в межгалактических средах.
Принцип действия: Заряженная частица многократно пересекает фронт ударной волны, двигающийся со сверхзвуковой скоростью. При каждом пересечении она взаимодействует со стохастическими магнитными неоднородностями по обе стороны фронта и получает приращение энергии пропорционально:
ΔE/E ∼ u/c
где u — скорость ударной волны, c — скорость света. Это ускорение называется ускорением первого порядка Ферми, поскольку прирост энергии линейно зависит от относительной скорости рассеивателей.
Спектр частиц: Этот механизм приводит к степенному спектру частиц:
N(E) ∝ E−γ
где γ ∼ 2 в наиболее идеализированных условиях, что хорошо согласуется с наблюдаемым спектром космических лучей на Земле.
Эффективность и ограничения: Механизм работает эффективно при наличии достаточно сильного магнитного поля, поддерживающего рассеяние частиц на магнитных неоднородностях. Однако он требует времени, и частица должна оставаться вблизи фронта достаточно долго. Максимальная энергия ограничена временем жизни источника, размером ускоряющей области и величиной магнитного поля:
Emax ∼ ZeBRβ
где Z — заряд частицы, B — магнитное поле, R — характерный размер, β = u/c.
Механизм: Частицы рассеиваются на движущихся магнитных неоднородностях (волнениях, турбулентности). В отличие от ускорения на ударной волне, здесь прирост энергии происходит за счёт случайных столкновений, и среднее приращение энергии на столкновение пропорционально квадрату скорости неоднородностей:
⟨ΔE⟩/E ∼ (v/c)2
где v — характерная скорость движущихся неоднородностей.
Особенности:
Магнитное пересоединение: Происходит, когда антипараллельные магнитные линии соприкасаются и перераспределяют свою топологию, высвобождая огромные количества энергии, как это наблюдается в солнечных вспышках. Частицы могут ускоряться в электрических полях, возникающих в зоне пересоединения, а также в результате выхода из ловушки, образованной конфигурацией полей.
Типы ускорения:
Контексты применения:
Ускорение в окрестностях чёрных дыр и нейтронных звёзд: Близ горизонта событий или вблизи поверхности нейтронной звезды могут существовать сильные электрические поля и экстремальные магнитные поля (B ∼ 1012 − 1015 Гс), способные ускорять частицы до ультрарелятивистских энергий.
Роль электродинамики кривизны поля: В магнитосферах пульсаров важную роль играет эффект потенциала вдоль открытых силовых линий, где возможно ускорение электронов и позитронов до энергии порядка 1015 эВ.
Астрофизические условия для экстремального ускорения: Для генерации частиц с энергиями выше 1019 эВ необходимы объекты, удовлетворяющие критерию Хилласа:
$$ R \cdot B \gtrsim \frac{E}{Ze} $$
где R — размер ускоряющей области, B — магнитное поле, E — энергия частицы. Из этого критерия следует, что только крупнейшие астрофизические структуры — радио-галактики, скопления галактик, гамма-всплески — могут быть источниками частиц сверхвысоких энергий.
Кандидаты:
Магнитное поле и плотность среды: Интенсивность и конфигурация магнитного поля играют решающую роль в удержании и ускорении частиц. В слишком плотной среде ускорение может быть ограничено частыми столкновениями, ведущими к потере энергии.
Потери энергии: При ускорении заряженные частицы могут терять энергию за счёт:
Особенно важны эти процессы при моделировании спектров ускоренных частиц и соответствующего электромагнитного излучения.
Ускоренные частицы являются источниками:
Таким образом, понимание механизмов ускорения частиц — ключ к интерпретации огромного количества астрофизических наблюдений, от остатка сверхновой до релятивистского джета в далёкой квазизвезде.