Атом позитрония в астрофизических условиях тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

•• и РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

, .ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П. Н,ЛЕБЕДЕВА АСТРОКОСМИЧЕСКИИ ЦЕНТР

на правах рукописи УДК 523.04 : 539.189.2

КАУЦ Владимир Леонидович

АТОМ ПОЗИТРОНИЯ В АСТРОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность - 01.03.02 - астрофизика и радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Астрокосмическом Центре ФИАН им. П. Н. Лебедева

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

В.В.Бурдюжа

-Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Я. Н. Истомин доктор физико-математических наук - В.М.Липунов

Ведущая организация: Санкт-Петербургский физико-технический институт им. А. Ф.Иоффе РАН Защита состоится fajjfft--- iggs г. в на

заседании специализированного Совета Д. 002.39.01 при Физическом институте им. П. Н. Лебедева Российской Академии Наук по адресу: 117924, Москва В-333, Ленинский проспект, 53, ФИАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН.

О Г' /7

Автореферат разослан »-^Ц^-лА 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета Д. 002.39.01 доктор физико-математических наук Щ-^С^С, М.В.Попов

ОБщАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ.

Актуальность темы :

Данная работа посвящена исследованию процесса образования позитрония в астрофизических объектах. Рассмотрен процесс формирования характеристических линий позитрония в астрофизических условиях и возможность их наблюдения.

Простейшая водородоподобная система - позитроний CPs) С связанная система, состоящая из электрона и позитрона) является уникальным квантовомеханическим объектом. Для ее описания требуется лишь знание электромагнитного взаимодействия и, естественно, соответствие расчетных.и экспериментальных характеристик " рассматривается как непосредственная проверка квантовой электродинамики.Несмотря на многолетние исследования и прекрасные согласия экспериментальных и теоретических результатов до сих пор остаются нерешенные проблемы. Так до настоящего времени существует различие в экспериментальном и расчетном значении ширины основного уровня ортопоэитрония. Таким образом, несмотря на успешные исследования в течение нескольких десятилетий атом позитрония остается интересным и уникальным объектом в современной физике.

Бурное развитие рентгеновской и гамма - астрономии за последнее десятилетие продемонстрировало исключительную важность аннигиляционных процессов в современной астрофизике. За последнее время были зарегистрированы многочисленные объекты, в спектрах которых присутствовала аннигиляционная

линия е+е~ в районе Sil KeV Срадиопульсары, х и у- источники, солнечные вспышки и другие}. Огромный интерес на протяжении последнего десятилетия вызывает обнаружение узкой аннигиляцион-ной линии 511 Кзв в направлении на Галактический Центр. Проводятся многочисленные наблюдения для выяснения природы процессов в Галактическом Центре, приводящих к формированию данной линии. Таким образом, несомненно существование во Вселенной процессов приводящих к множественному рождению позитронов и последующей их аннигиляции. Как показывает теоретический анализ, аннигиляция позитронов сопровождается образованием большого числа атомов Ps и формированием в спектрах объектов его характерных линий. Возможная регистрация этих особенностей в спектрах дала бы важную информации о процессах рождения е+е" пар, характеристиках объектов, где происходит рождение и аннигиляция таких пар, состоянии межзвездной среды куда возможны выбросы позитронов. Регистрация линий Ps в различных диапазонах Свплоть до радио) позволяет изучать высокоэнергичные процессы, приводящие к формировании х и у ~ спектров, с другой точки зрения. Несомненно, что будущие миссии с более чувствительными спектрометрами будут приводить к открытию все большего числа объектов, в спектрах которых присутствует аннигиляционнке особенности. Таким образом,спектральные особенности Ps в спектрах космических объектов являются важными источниками информации и их регистрация является важнейшей задачей, обусловленной быстрым развитием х , у и радио- астрономии.

Поэтому, теоретическое исследование процессов, приводящих к образованию позитрония и формированию его характерных линий

-5в спектрах астрофизических объектов , в настоящее время представляется актуальным.

Научная новизна работы.

1) Впервые рассмотрен процесс образования позитрония в возбужденных состояниях при различных состояниях межзвездной среды :

А) ионизованный водород, Б) атомарный водород, СЗ молекулярный водород.

2) Впервые получены распределения заселенностей состояний позитрония с учетом квантовых чисел N,1, для радиационной рекомбинации в широкой области начальных условий.

3) Впервые получены скорости столкновительных переходов внутри оболочки N = 2 позитрония Сс учетом тонкой структуры уровней ) для случая среды, состоящей из ионизованного водорода.

43 Впервые рассчитаны критические плотности ионизованного водорода для орто- и парапозитрония, выше которых необходим учет столкновительных переходов при рассмотрении процесса девозбуж-дения низколежащих уровней позитрония.

53 Впервые доказано отсутствие дополнительного подавления образования позитрония в возбужденных состояниях (из-за эндотер-мичности реакций ) при аннигиляции в атомарном и молекулярном водороде в типичных условиях межзвездной среды, 63 Впервые указано на возможность изменения режимов аннигиляции Содно- и двухквантовой) в постглитчевый период радиопульсаров.

83 Впервые рассчитаны потоки излучения в направлении на Галактический Центр, отвечающие :

А) переходам между низколекавдми уровнями Рэ

Б) радиорекомбинационным линиям Рэ

С) переходам между компонентами тонкой структуры.

Научная и практическая ценность работы.

Учет полученных в диссертационной работе результатов важен для планирования и проведения наблюдений линий позитрония в направлении на Галактический Центр, которые ведутся в настоящее время; для получения информации о состоянии межзвездной среды, физических условиях в астрофизических объектах по данным наблюдений характеристических линий позитрония; для построения моделей постглитчевого поведения радиопульсаров.

Апробация работы и публикации.

Отдельные результаты, полученные в диссертации, докладывались на семинарах в АКЦ ФИАН.ГАИШ ;на международных конференциях: Атомы, ионы и молекулы- новые результаты астрофизики спектральных линий (США, 1990) ; Астрохимия космических явлений СБразилия, 1993) ; Многоволновое приближение в гамма астрономии С Швейцария,. 1993); 17 Техасский симпозиум по релятивистской астрофизике СГермания, 1994). По теме диссертации опубликовано пять работ, одна работа послана в печать. С список работ приводится в конце автореферата ).

На защиту выносятся следующие результаты. 1) Найдены вероятности образования состояний позитрония С с учетом квантового числа I. ) при радиационной- рекомбинации при

различных энергиях налетавшего позитрона. Получено наиболее вероятное значение Ь внутри оболочки с данным N >> 1.

2) Вычислены сечения столкновительных переходов внутри оболочки N = 2 позитрония в случае ионизованной среды. Рассчитаны критические плотности ионизованного водорода , выше которых столкновения оказывают существенное влияние на формирование линий, отвечающих переходам между низколежавдми уровнями позитрония.

3) Доказательство того факта, что отсутствует дополнительное подавление образования позитрония в возбужденных состояниях (из-за эндотермичности реакций) при аннигиляции в атомарном-и молекулярном водороде в типичных условиях межзвездной среды.

4) Доказательство возможности появления переменности аннигиля-ционной линии в постглитчевый период радиопульсаров, связанной с изменением режима аннигиляции ( одно- и двухквантовой, в зависимости от величины магнитного поля 3.

3) Найдены потоки излучения в направлении на Галактический Центр, отвечающие :

АЗ переходам между низколежащими уровнями Рз

Б) радиорекомбинационным линиям Рэ

С) переходам между компонентами тонкой структуры.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения, четырех Приложений и списка цитированной литературы. Работа содержит 121 страницу, 4 рисунка, 2 таблицы, список литературы включает 101 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение.

Во Введении обосновывается актуальность выбранной темы, дается краткий обзор результатов, связанных с задачей о формировании различных линий позитрония, полученных ранее, дается краткий обзор содержания Глав и Заключения.

Первая глава.

В первой главе рассмотрены основные характеристики Ps, как простейшей водородоподобной системы. В #.1 обсуждается двух- и трехфотонная аннигиляция электрон- позитронных пар. Как известно в синглетном спиновом состоянии пары преимущественно происходит двухфотонная аннигиляция, а в триплетном -трехфотонная. Рассматриваются характерные особенности фотонного спектра, возникающего при данных процессах : появление узкой линии в районе 511 Кэв при двухфотонной аннигиляции позитронов малых энергий и континуума ниже 511 Кэв при трехфо-тонной. Так как вероятность двухфотонного процесса более вероятна, то при аннигиляции на лету в спектре возникает анни-гиляционная линия. В f.2 рассмотрена возможность аннигиляции через состояние позитрония. Приведена систематика уровней и вероятности радиационных переходов. Даны времена жизни состояний относительно аннигиляции для синглетного С парапозит-роний ) и триплетного С ортопозитроний 3 спиновых состояний. В Ф.З обсужсуждается тонкая структура уровней позитрония. Приведены энергии тонкого расщепления. Рассмотрены вероятно-

сти радиационных переходов, являющихся аналогами переходов между уровнями тонкой и сверхтонкой структуры в водороде.

Вторая глава.

Глава 2 посвящена аннигиляции позитронов в различных средах. В #.1 рассматривается аннигиляция позитронов в ионизованном водороде. В случае ионизованной среды образование позитрония начинает доминировать над процессом аннигиляции на лету при Ее+ ~ 100 эв.С Гоулд, 1989 3. Однако для высокоэнергичных позитронов, влетающих в ионизованную среду, сечение аннигиляции оказывается малым по сравнению с сечениями других характерных процессов и происходит эффективное торможение и термализация позитронов. Таким образом, аннигиляция позитронов при температурах Т < 100 эв идет преимущественно через состояние позитрония. Отмечается, что образованию позитрония отвечает появление в спектре трехфотонного континуума в результате аннигиляции ортопозитрония. Основным процессом, приводящим к образованию Ре в ионизованной среде, является радиационная рекомбинация. В #.2 рассчитаны коэффициенты радиационной рекомбинации с образованием позитрония в различных состояниях с квантовыми числами N и Ь С главное и орбитальное квантовые числа) для различных Т ионизованного водорода ( N = 1, 2, 3 }. Учет квантового числа Ь в данной задаче является принципиальным, так как девозбуждение атома позитрония аналогично хорошо изученному девозбуждению атома водорода, за исключением возможности аннигиляции с уровней I = 0. Обсуждаются качественные особенности указанных сечений. В 1.3 аналитически получено сечение рекомбинации на произ-

вольный уровень позитрония с учетом орбитального квантового числа. Рассмотрены асимптотические поведения сечений при различных энергиях налетающего позитрона. Детально исследован случай Ее+ << >> 1 : получены распределения заселеннос-тей по Ь внутри оболочки с данным N ; вычислено наиболее вероятное значение Ьмакс ~ Доказано степенное подавле-

ние образования позитрония в возбужденных состояниях. В $.4. изучено влияние столкновений на процессы девозбуждения и аннигиляции позитрония. Найдены критические плотности для случая ионизованного водорода, при которых происходит распад позитрония без аннигиляции даже для 1Б уровня. Например для Т 10 эв пСпара) ~ 1018 см-3, п (орто) ю15 см-3. С помощью метода параметра удара получены сечения столкно-вительных переходов внутри оболочки N = 2 с учетом тонкой структуры уровней. Причем С как было показано для атома водорода С Чибисов , 1969 ; Гуревич и др., 1970 Э ), вероятности переходов для больших прицельных параметров можно определять используя теорию возмущений, в случае же малого параметра удара необходимо точно решать нестационарное уравнение Шредингера для оболочки N = 2. Получены аналитические выражения для скорости столкновительных переходов для случая ионизованной среды. Для широкой области температур рассчитаны критические плотности среды при которых совпадают вероятности аннигиляции с уровня N = 2 и столкновительных переходов для пара- и ортопоэитрония. Показано, что при достижении данных плотностей возможно усиление образования Ь линии позитрония. В #.5. изучена аннигиляция по-

зитронов в атомарном водороде. Высокоэнергичный позитрон, влетающий в атомарную среду, эффективно замедляется за счет неупругих столкновений, ионизуя или возбуждая атомы водорода. После замедления начинается эффективное образование позитрония в реакции перезарядки е+ +■ H Ps + р. В силу эндо-термичности данной реакции позитроны с энергиями меньше пороговой не могут образовать позитроний. Таким образом,образование позитрония происходит в узкой области энергий, называемой "щель Ope", причем для образования позитрония в возбужденных состояниях порог, реакции существенно выше. В данном I показано, что при рассмотрении аннигиляции позитронов в атомарном водороде при типичных астрофизических условиях дополнительного подавления образования Ps в возбужденных состояниях С вследствие эндотермичности реакций ) не происходит. Рассмотрены вероятности образования позитрония в возбужденных состояниях в реакциях перезарядки. Доказано аналогичное случаю ионизованного водорода степенное подавление образования Ps в состоянии с главным квантовым числом N. Рассмотрено распределение возбужденных состояний по L внутри оболочки с данным N. В §, 6. рассматривается случай среды, состоящей из молекулярного водорода. Обсуждаются имеющиеся на сегодняшний день немногочисленные результаты по реакциям перезарядки в молекулярном водороде. Аналогично случаю с атомарным водородом доказано отсутствие подавления образования позитрония в возбужденных состояниях за счет пороговых эффектов, степенное подавление образования позитрония в возбужденном состоянии. Делается вывод о

слабой чувствительности вероятности образования возбужденных состояний позитрония по отношению к состоянию окружающей среди,

Третья глава.

Б Главе 3 рассмотрены аннигиляция электрон- позитрон-ных пар, образование и девозбуждение позитрония в присутствии сильных магнитных полей. В i.1.рассмотрены особенности

? я

аннигиляции в магнитном поле В Вкр С BRp = га с /eh = 4,41 10 Гс. Как извести^основной особенностью аннигиля-ционных процессбв в таком поле является возможность однофо-тонной аннигиляции. Обсуждаются спектральные и угловые характеристики одно- и двухфотонной аннигиляции. Как показано в работе С Дохерти и Буссард, 1980 } очень существенной чертой однофотонной аннигиляции является сильная анизотропия испущенных фотонов,. в то время как в области доминирования двухфотонного канала сохраняется приблизительная изотропия для нерелятивистских энергий. В Ф.2. рассмотрен

атом Ps в сверхсильных магнитных полях, не превышающих р о о о

критическое. С В<-, = m се /4ft 6 10° Гс ). Детальные расчеты энергетических уровней, вероятностей электромагнитных переходов и аннигиляции были проведены в работе С Вюнер и др., 1981). В работе показано, что существенное отличие позитрония С связанное с равенством масс е" и е+ ) от атома водорода в сверхсильных полях,это появление только одного тесносвязанного уровня С то есть такого , энергия которого логарифмически зависит от величины магнитного поля) вблизи основного уровня Ландау. Что приводит к существен-

ному изменению характеристических линий позитрония в сверхсильных полях. В данном,§ также обсуждаются особенности процесса девозбуждения Рз в данных условиях, определяющиеся существенно большей энергией испущенных фотонов при переходе в тесносвязанное состояние. В §.3. рассмотрена аннигиляция частиц, осуществляющих замыкание токов,текущих в магнитосфере радиопульсара. Так как поверхностное поле радиопуль-

1 ч

сара может достигать значений В 10 Гс, то небольшие его вариации могут вызывать изменения режимов аннигиляции Сдвух-фотонной и однофотоннойЗ. С точки зрения наблюдателя, в силу сильной анизотропии испущенных-при-одноквантовой-аннигиляции— фотонов и гравитационного красного смещения, это приводит к переменности аннигиляционной линии в районе 450 Кэв. В данном $ возможные вариации поля рассматриваются как результат движения участков высокопроводящей коры нейтронной звезды в -сильном магнитном поле. Очень существенную роль играет магнитное поле в течение постглитчевого периода, связанного с перераспределением энергии вращения между нормальной и сверхтекучей компонентой, приводя к более тесной связи кора и внешней коры нейтронной звезды С Алпар и др., 1984 ). Доказывается возможность вариаций поля в период постглит-чевой релаксации, приводящая к переменности линии в районе 450 Кэв. В 1.4. рассмотрена возможность образования позитрония на поверхности радиопульсаров. Отмечается, что для замедлившихся позитронов, образование Рз в возбужденных состояниях оказывается подавленным по отношению к основному состоянию вследствие существенного влияния магнитного поля

на энергию основного состояния позитрония.

Четвертая глава.

В Главе 4 рассмотрены наблюдательные астрофизические следствия обсуждавшихся ранее задач. В #.1. кратко суммированы имеющиеся на сегодняшний день результаты по наблюдениям Галактического Центра. Рассмотрены точечная и диффузная компоненты, наблюдаемые особенности от источника 1Е 1740.72942. В <.2. обсуждается возможность наблюдения линий, отвечающих переходам между низколежащими уровнями позитрония. Получены потоки фотонов, энергий и спектральные плотности потоков энергий для основных низколежащих переходов для Галактического Центра. Ввиду большого поглощения в ультрафиолетовой области спектра( в направлении на Галактический Центр надежд обнаружить линию Ьа позитрония от этого источника нет, хотя возможно проведение наблюдений от внегалактических источников. Наиболее оптимальной для обнаружения в направлении на Галактический Центр представляется линия На позитрония С X = 1,3 мкм ; Г =7,8 10"^ эрг/Ссм2сек) ). В 3. рассматривается возможность наблюдения радиореком-бинационных линий позитрония в Галактическом Центре. Получены величины спектральной плотности потоков энергий и потоки для радиорекомбинационных линий. Обсуждаются наблюдательные возможности и данные наблюдений С верхние пределы потоков, полученные в работе САнактарамаях и др., 1993) ). Рассматриваются наиболее оптимальные для наблюдений линии. В #.4. вычислены интенсивности линий, отвечающих переходам между уровнями тонкой структуры и показана ненаблюдаемость

данных линий при «современном уровне развития наблюдательных возможностей. В обсуждаются возможности регистрации аннигиляционных особенностей, во&никамцих вблизи поверхности радиопульсаров и рате»отренннх в 1.3 Глаьн Интенсивность процесса аннигиляции определяется множественность» процесса рождения частиц в вакуумном зазоре вблизи полярной шапки. Регистрация линии лри Е 0,44 Мэв в Крабе С Маееаро и Др., 3991 ), «зоотвдаствующей N 10^ сек подтверждает возможность регистрации аннигиляцион-ных особенностей вблизи поверхности радиопульсара вплоть до—расстояний порядка нескольких килопарсек. Отмечается что за последнее время были открыты несколько иоточнмко*', в спектрах которых присутствует переменная линия, которая может быть интерпретирована как результат дьу >: Фотонной аннигиляции е^е" иар.

Заключение,

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы Диссертации.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. Алпар - Alpar М.А., Langer S.A., Sauls J.А. - Astrophys.J.-1984.- v. 282.-p. 533.

Анантарамаях и др, - Anantharamaiah K.R., DwaraJcanaih К. S., Morris D. et al,- Astrophys. J. - 1993,- v. 410.- p.110. Вюнер и др. - Wunner G. , Ruder H., Herold H.- J.Phys.B.; At, Mol.Phys. - 1981.- v.14,N4.- p.765.

Гоулд - Gould R.J. - Astrophys.J. - 1989.- v.344.- p.232. Гуревич А. И. , Дубовик B.M., Сатаров Л.М. -сб.Вопросы теории атомных столкновений.- Москва:Атомиздат- 1970.- с.83. Дохерти и Буссард -Daugherty J.K., Bussard R.W. - Astrophys. J. - 1980.- v. 238. - p.296.

Maccapo и др. - Massaro E., Matt G. ; Salvatt M. et al. -

Astrophys.J.Lett.~ 1991.- v,376.- p. 11.

Чибисов М.И.- Оптика и спектроскопия.-1969.-т.27,в.1.-с.9.

СПИСОК РАБОТ ГО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1.. Burdyuzha V.V. , Kauts V.L., Yudin H.P. Leptonic atoms ( positronium and muonium ) in astrophysical objects// Proc. Third Haystack observatory conference on atoms, ions and molecules : new results in spectral line astrophysics, eds. A.D. Haschiclc and P, Т.Н. Ho.-Massachusetts : USA. - 1991,- p. 399-402.

2. Burdyuzha V.V. , Kauts V.L.. Yudin H.P. The possibility of observation of the La - line of positronium Ce+,e~) from astronomical objects// Astron.Astrophys. - 1992,-v.253.- p.459-461.

3. Burdyuzha V.V. , Kauts V.L., Yudin N. P. Positronium in astrophysical condition// Proc. conf. Astrochemistry of cosmic phenomena, ed.P.D.Singh.- IAU: Netherlands.- ' 1992,- p. 41-45.

4. Burdyuzha V.V. , Kauts V.L. Recombinational lines of Ps ( positronium ) as tracer of annihilation processes// Astrophys. J. Suppl.- 1994.- v.92. - p.549-550.

5. Бурдюжа В. В., Кауц В. Л. Можно ли наблвдать позитроний в астрофизических условиях?// ПАЖ. - 1995. - т. 21,N. 3.-с. 1-5.

6. Kauts V. L., Wallyn P. Deexitation lines of positronium in the interstellar medium// submitted to Astrophys.J.