В отличие от таких форм материи, как вещество и магнитное поле, которые концентрируются в галакти­ках, реликтовое излучение заполняет равномерно всю Вселенную. Оно проникает как внутрь галактик, так и заполняет огромные пространства между ними. Наблю­дения показывают, что плотности энергий магнитного поля, космических лучей, турбулентных движений газа, света звезд внутри Галактики сравнимы с плотностью энергии реликтового излучения. Поэтому при рассмотре­нии ряда процессов взаимодействия, идущих в галакти­ках, мы должны учитывать и реликтовое излучение. Роль последнего становится еще более важной, когда мы переходим к изучению процессов, происходящих в межгалактической среде, в которой плотности энергий магнитного поля, турбулентных движений газа и другие параметры несравненно меньше их значений внутри га­лактик, в то время как плотность энергии реликтового излучения остается неизменной.

Одним из самых важных процессов такого рода яв­ляется процесс взаимодействия частиц и излучения вы­соких энергий с реликтовым излучением. Рассмотрим, например, взаимодействие релятивистских электронов с реликтовым излучением. Основным процессом такого взаимодействия является обратный Комптон-эффект, ко­торый мы подробно обсуждали в предыдущем разделе. Если раньше нас интересовало взаимодействие реликто­вого излучения с горячей нерелятивистской плазмой, то в рассматриваемом случае ситуация в количественном отношении иная. В релятивистском случае электрон с энергией Е передает фотону при каждом акте столкно­вения большую энергию, чем в нерелятивистском случае. При этом рассеянии частота фотона смещается в высо­кочастотную область и становится равной v_p ~ v(E/mc²)². В этом выражении v_p 2 • 10¹¹ Гц — частота, на которую приходится максимум интенсивности реликтового излу­чения. Из выражения видно, что релятивистские элект­роны с достаточно высокой энергией могут перевести часть реликтовых квантов в рентгеновский диапазон.

Например, при обсуждении радиофона мы видели, что большой вклад в наблюдаемое радиоизлучение дает синхротронное излучение релятивистских электронов га­лактических космических лучей, причем энергии этих электронов равны E ~ 2000 тс². Эти радиоэлектроны, сталкиваясь с реликтовыми фотонами, переводят их в рентгеновский диапазон v_p ~ 8 • 10¹⁷ Гц (длина волны около 4 А). Количественная оценка потока рентгенов­ского излучения Галактики в предположении, что реля­тивистские электроны, ответственные за ее синхротрон­ное радиоизлучение, дают рентгеновское излучение на­шей Галактики (при обратном Комптон-эффекте на ре­ликтовом излучении), согласуется с наблюдаемой вели­чиной рентгеновского потока. Так как при обратном Комптон-эффекте электрон теряет свою энергию, то важ­ную роль в построении количественных моделей внега­лактических рентгеновских и радиоисточников играет «время жизни» электронов при комптоновском рассея­нии. При этом электроны теряют энергию, по величине пропорциональную произведению плотности энергии излучения на квадрат энергии электронов. Радиоэлект­роны в Галактике потеряют всю свою энергию из-за Комптон-эффекта примерно за время 300 млн. лет. Это же время характерно и для потерь на синхротронное ра­диоизлучение. Полученные оценки времени жизни реля­тивистских электронов внутри нашей Галактики сильно понизятся, если мы учтем процессы комптоновского рас­сеяния в удаленных объектах (например, в источниках с красным смещением z = 2). Физические процессы в них характеризуются условиями, имевшими место во Вселен­ной во времена примерно 3 • 10⁹ лет с начала расшире­ния. В этот момент плотность реликтового излучения была в 81 раз выше современной, следовательно, время жизни релятивистских радиоэлектронов было уже в 81 раз короче — 4 млн. лет. Аналогично для источников, удаленных на расстояния, соответствующие z ~ 4, плот­ность реликтового излучения была настолько высока, что время жизни этих электронов уже всего 500 тыс. лет. Причем одновременно с уменьшением времени жизни электронов увеличивается мощность рентгеновского из­лучения, которая пропорциональна плотности энергии реликтового излучения.

Таким образом, мы видим, что уже только учет комп­тоновского взаимодействия релятивистских электронов в радиоисточниках с реликтовым излучением приводит к сильным эволюционным изменениям рентгеновской светимости далеких объектов. Если к тому же допустить эволюцию других параметров таких радиоисточников и эволюцию их числа, то тем самым можно объяснить наб­людаемый рентгеновский фон как суммарное излучение большого числа далеких источников. Сравнительно ма­лое время жизни релятивистских электронов из-за зна­чительных энергетических потерь на обратный Комптон-эффект на реликтовом излучении указывает на то, что релятивистские электроны существуют только внутри са­мих радиоисточников или в их окрестностях и, по-види­мому, не заполняют межгалактическое пространство.

В ряде случаев взаимодействие релятивистских элек­тронов с реликтовым излучением может привести к за­метным оптическим эффектам, которые позволяют су­дить о физических условиях внутри объектов. Как при­мер можно привести наблюдаемый в оптическом и ра­дио-диапазонах выброс от квазара 3С 273, который ясно виден на рис. 12. Этот выброс вытянут почти на 5″, что при расстоянии до квазара в 470 Мпс соответст­вует линейным размерам около 20 кпс (5 • 10²² см). По­пытки объяснить оптическое излучение как синхротронное излучение реля­тивистких электро­нов, с энергиями 500 ГэВ (10⁶mc²) в магнитном поле с напряженностью 10^-4—40^-5 Э сталки­ваются с трудностя­ми, связанными с малым временем жизни электронов. Действительно, по­тери энергии элект­ронами на синхро­тронное излучение в этом магнитном поле таковы, что время жизни элект­ронов составляет всего 10²—10³ лет, в то время как воз­раст выброса, оце­ненный из его размеров, соответствует десяткам и сотням тысяч лет. Ко­нечно, можно было бы предположить, что величина маг­нитного поля в выбросе на порядок или два меньше, но тогда возникают трудности, связанные с наблюдаемой устойчивостью выброса. По этой причине оптическое излучение можно объяснить за счет обратного компто­новского рассеяния на реликтовом излучении релятиви­стских электронов с энергиями всего 40 МэВ (80 тс²). При такой интерпретации не возникает трудностей с временем жизни электронов, так как оно на несколько порядков превышает приведенные ранее цифры. Прав­да, так как наблюдаемая устойчивость выброса требу­ет магнитных полей 10^-4—10^-5 Э, то следует предполо­жить, что это магнитное поле имеет вытянутую, в виде трубки, структуру и что релятивистские электроны прак­тически двигаются вдоль этой трубки.

Что касается протонной и более тяжелой компонент космических лучей, то следует отметить их малую эф­фективность взаимодействия с реликтовым излучением. Основным механизмом взаимодействия релятивистских протонов с реликтовым излучением будет уже не Комп­тон-эффект, а рождение при столкновении новых ча­стиц — пионов. При этом протоны эффективно теряют свою энергию, передавая ее вновь образовавшимся ча­стицам. Свойство этого взаимодействия таково, что оно начинается только с энергий протонов выше 10²⁰ эВ. По­этому следует ожидать уменьшения числа релятивист­ских протонов в области высоких энергий, начиная с этой пороговой энергии 10²⁰ эВ. Если окажется, что в спектре такого «завала» не наблюдается, то это будет говорить о малом возрасте жизни протонов (меньше 100 млн. лет) или о том, что эти протоны пришли к нам с расстояний, меньших 100 млн. св. лет. С другой сто­роны, если такой «завал» будет обнаружен, то это ука­жет на больший возраст релятивистских протонов с энергиями >10²⁰ эВ и на возможность их метагалактиче­ского происхождения. Современная техника , регистра­ции частиц с такими энергиями как раз стоит на поро­ге их обнаружения. Ближайшее будущее покажет нам, каковы природа и происхождение космических лучей сверхвысоких энергий.

Реликтовое излучение также оказывает существен­ное влияние на космическое гамма-излучение. Основным результатом взаимодействия реликтового фена с кван­тами гамма-излучения с энергиями, превышающими 2,5 • 10¹⁴ эВ, при их столкновении с реликтовыми кван­тами является рождение электрон-позитронных пар (вза­имодействие, обратное аннигиляции электрон-позитрон­ных пар). Это взаимодействие настолько эффективно, что гамма-квант не успевает пробежать путь и порядка размеров галактики, как он поглощается. Поэтому в спектрах излучения далеких объектов в диапазоне энер­гий, превышающем пороговую энергию 2,5 • 10¹⁴ эВ, дол­жен наблюдаться «завал».

comments powered by HyperComments

• ← Образование галактик и реликтовое излучение
• Взаимодействие молекулярных облаков в Галактике с реликтовым излучением →