Космические лучи и реликтовое излучение
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 vp ~ v(E/mc2)2. В этом выражении vp 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 vp ~ 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.
Фотография (негатив) квазара
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».