Формирование нетепловых спектров в астрофизических объектах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

004603989 На правах рукописи

ЧЕРНЫШОВ ДМИТРИЙ ОЛЕГОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ НЕТЕПЛОВЫХ СПЕКТРОВ В АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ

Специальность 01.04.02 - теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2010

1 7 ИЮН 2010

004603989

Работа выполнена на кафедре проблем физики и астрофизики (Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН) Московского физико-технического института (государственного университета)

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук, профессор Догель Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, член-корр. РАН Чуразов Евгений Михайлович

доктор физ.-мат. наук, профессор Быков Андрей Михайлович

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт ядерных исследований РАН

Защита состоится « 18 » июня 2010 года в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 212.156.07 в Московском физико-техническом институте по адресу: 141700, г. Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., д. 9, в 119 аудитории главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан « /5 » _ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.156.07 кандидат физико-математических наук

Коршунов С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

К настоящему времени в астрономии были достигнуты значительные успехи. Современные инструменты позволяют производить наблюдения фотонов космического излучения в широком диапазоне энергий - начиная с радиоволн, заканчивая гамма-квантами с энергиями в несколько ТэВ. Основной интерес представляют наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазоне, поскольку они позволяют отслеживать высоко-энергетичные процессы. На данный момент обнаружено довольно большое количество как точечных, так и протяженных источников рентгеновского и гамма-излучения, причем природа некоторых из них на данный момент является загадкой. Элементарные физические процессы, приводящие к испусканию фотонов рентгеновского и гамма-диапазонов известны и довольно хорошо изучены, в-основном, они сводятся к взаимодействию частиц высокой энергии или жестких фотонов со средой. Основной проблемой является определение процессов, ответственных за формирование нужного спектра первичных частиц, источников, снабжающих их энергией, механизмов распространения в межзвездной среде. Спектр теплового излучения может быть хорошо воспроизведен в предположении о некоторых источниках, ответственных за разогрев среды до наблюдаемой температуры. Однако значительная часть рентгеновского излучения и все гамма-излучение носит нетепловой характер. Таким образом, актуальной становится задача об исследовании процессов формирования нетепловых спектров частиц в объектах, ярких в указанных диапазонах. Все объекты можно разделить на два типа: компактные объекты, такие как звезды, пульсары, двойные системы, аккреционные диски черных дыр и т.п., и протяженные объекты. Критерием протяженности можно считать сопоставление характерного размера системы с длиной свободного пробега заряженной частицы в межзвездной среде.

Нас будут интересовать протяженные объекты, расположенные в нашей Галактике. Большая часть из описанных здесь объектов располагается вблизи галактического центра:

1. Аннигиляционная линия 511 кэВ. Несмотря на относительно долгую историю изучения этого объекта, вопрос о происхождении позитронов, формирующих данное. излучение, остается открытым. По современным данным линия должна быть сформирована тепловыми позитронами с энергиями около 1 эВ, однако, как мы покажем в соответствующем разделе, процесс охлаждения с формированием излучения, порожденного нетепловым спектром позитронов, позволяет установить жесткие ограничения на происхождение позитронов.

2. Рентгеновское излучение из галактического центра. Есть все основания предполагать, что оно является следствием теплового излучения горячей плазмы. Если эта теория верна, то актуальным становится вопрос об источнике энергии, снабжающем эту плазму. Помимо этого, из той же самой области обнаружена нетепловая компонента, для описания которой возможно использование процессов излучения частиц с нетепловым спектром.

3. Излучение из молекулярных облаков. Наблюдения показывают, что данные объекты проявляют себя в рентгеновском диапазоне, как в непрерывном спектре, так и в линейчатом. Характерная энергия одной из самых ярких линий составляет 6.4 кэВ. Поскольку температура облаков порядка 100 К, возбуждение данной линии не может осуществляться путем столкновений тепловых частиц, и, как следствие, необходимо сделать предположение о частицах, проникающих в облака извне.

Последним объектом нашего исследования являются шаровые скопления, входящие в состав нашей Галактики. Гамма-излучение этих объектов обнаружено сравнительно недавно

Цель работы

Целью работы является построение моделей излучения из указанных объектов в предположениях об определенных источниках быстрых частиц и свойствах среды, в которой происходит их распространение.

Основные задачи, решаемые в диссертационной работе

1. Определение условий, при которых аннигилирующие в центре Галактики позитроны могут быть рождены при энергиях, превышающих 10 МэВ.

2. Определение условий, при которых возможна генерация позитронов за счет протон-протонных столкновений.

3. Исследование взаимодействия субрелятивистской компоненты с веществом, оценка темпа разогрева вещества в центре Галактики и построение спектра жесткого рентгена из галактического центра.

4. Исследование взаимодействия частиц с молекулярными облаками и оценка темпа возбуждения линии нейтрального железа, а также ее свойств, таких как полуширина, эквивалентная ширина и переменность.

5. Оценка интенсивности ядерных линий, возбуждаемых при взаимодействии субрелятивистской компоненты со средой и анализ возможности их детектирования на текущих и будущих аппаратах.

6. Построение модели генерации гамма-излучения из шаровых скоплений за счет обратного комптоновского рассеяния.

7. Применение модели к двум ярким в гамма-диапазоне скоплениям: Теггап-5 и 47 Тисапае. Анализ вклада в излучение различных компонент.

8. Анализ излучения в других диапазонах. Установка ограничений на текущую модель и поиск способов ее экспериментальной верификации.

Научная новизна работы

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. Ограничения по начальной энергии, установленные ранее для позитронов, аннигилирующих в центре Галактики, могут быть смягчены, если мы принимаем во внимание нестационарность процесса инжекции и предполагаем, что в центре Галактики присутствует сильное магнитное поле.

2. Была построена модель адронного происхождения позитронов, ответственных за аннигиляцию из центра Галактики.

3. Было показано, что если наблюдаемое из окрестности галактического центра тепловое рентгеновское излучение является излучением горячей плазмы, то субрелятивистская компонента в состоянии обеспечить компенсацию энергии, теряемой за счет оттока вещества из центральной области.

4. Получаемое при столкновении протонов из субрелятивистской компоненты с электронами среды обратное тормозное излучение может объяснить происхождение нетеплового хвоста в жестком рентгене, наблюдаемого из окрестности центра Галактики.

5. Было показано, что субрелятивистская компонента в состоянии возбуждать линии железа, воспроизводя наблюдаемые на данный момент интенсивности. Полученная нами эквивалентная ширина линий полностью соответствует наблюдениям.

6. В рамках нашей модели мы оценили интенсивности ядерных линий, получаемых при возбуждении ядер среды субрелятивистскими протонами. Обнаружение данных линий будет являться серьезным доводом в пользу того, что в среде присутствует субрелятивистская протонная компонента. На данный момент единственный телескоп, работающий в интересующем нас диапазоне, INTEGRAL, не в состоянии обеспечить необходимую чувствительность. Однако будущие миссии, возможно, будут способны произвести измерения с достаточной точностью.

7. Было показано, что наблюдаемый спектр гамма-излучения из шаровых скоплений может быть воспроизведен при рассеянии фоновых фотонов межзвездной среды реляти-

вистскими электронами (обратное комптоновское рассеяние). Исчерпывающий ответ на вопрос о происхождении гамма-излучения из шаровых скоплений смогут дать лишь будущие наблюдения в диапазоне высоких (свыше 10 ГэВ) энергий.

В диссертационной работе защищаются следующие положения

1. Энергия инжекции позитронов окрестности галактического центра может превышать сотни МэВ при нужном выборе магнитного поля и времени, прошедшего с момента инжекции. При этом экспериментальные данные в радио и гамма-диапазоне не нарушаются.

2. Релятивистские протоны способны обеспечить необходимый темп инжекции позитронов без нарушений экспериментальных данных в гамма-диапазоне.

3. Субрелятивистские протоны способны обеспечить необходимый темп разогрева среды и могут быть источником нетеплового рентгеновского излучения среды.

4. Взаимодействие субрелятивистских протонов с молекулярными облаками способно обеспечить возбуждение линий железа с наблюдаемыми интенсивностями и свойствами.

5. Субрелятивистские протоны могут быть обнаружены по ядерным линиям. Телескопы с необходимой чувствительностью появятся в ближайшее время.

6. Гамма-излучение из шаровых скоплений может быть объяснено в рамках модели обратного комптоновского рассеяния.

7. Вклад каждой из компонент межзвездного излучения в наблюдаемый спектр может быть выяснен путем наблюдений на высоких энергиях (свыше 10 ГэВ).

Научная и практическая ценность

Модель адронного происхождения позитронов является серьезным вкладом в решение одно из наиболее известных проблем гамма-астрономии: . проблемы происхождения

аннигиляционного излучения из центра Галактики. Также несравненным достоинством нашей модели является то, что она описывает все упомянутые высокоэнергетичные процессы в центре Галактики как следствие одного процесса - захвата звезд центральной черной дырой. Тем самым естественным образом объясняется локализация обнаруженных явлений в окрестности галактического центра. Построенная нами модель возбуждения линий нейтрального железа является указанием на направление дальнейших экспериментальных исследований в данной области. Найденные нами потоки в гамма-линиях составляют значительные величины и могут служить темой будущих экспериментальных исследований центра Галактики.

В исследования излучения из шаровых скоплений нами была предложена альтернативная модель, дающая иные предсказания относительно пространственной локализации излучения, чем более ранняя. Также нами были даны указания на присутствие высокоэнергетичной компоненты гамма-излучения, которая может быть обнаружена экспериментально.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на астрофизическом семинаре отделения теоретической физики ФИАН под руководством академика РАН А.В.Гуревича, а также на конференциях:

1. «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра (НЕА-2005)», Москва, ИКИ РАН, 26-28 декабря 2005 г., доклад «Природа аннигиляционного излучения из центра Галактики».

2. 7th INTEGRAL Workshop «An INTEGRAL view of compact objects», Дания, Копенгаген, Eigtveds Pakhus, 8-11 сентября 2008 г., стендовый доклад «Restrictions on the injection energy of positrons annihilating near the Galactic center».

3. 7th INTEGRAL Workshop «An INTEGRAL view of compact objects», Дания, Копенгаген, Eigtveds Pakhus, 8-11

сентября 2008 г., стендовый доклад «Origin of thermal and non-thermal hard X-ray emission from the Galactic center».

4. «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра (НЕА-2008)», Москва, ИКИ РАН, 24-26 декабря 2008 г., стендовый доклад «Природа теплового и нетеплового излучения из центра Галактики».

5. A Science workshop to celebrate seven years of INTEGRAL «The Extreme sky: Sampling the Universe above 10 keV», Италия, Отранто, Castello Aragonese, 13-17 октября 2009 г., доклад «Restrictions on the injection energy of positrons annihilating near the GC».

6. A Science workshop to celebrate seven years of INTEGRAL «The Extreme sky: Sampling the Universe above 10 keV», Италия, Отранто, Castello Aragonese, 13-17 октября 2009 г., стендовый доклад «De-Excitation Gamma-ray Line Emission from the Galactic Center».

7. «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра (НЕА-2009)», Москва, ИКИ РАН, 21-24 декабря 2009 г, доклад «Линия нейтрального железа из молекулярных облаков»

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 9 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК РФ. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора

Автор внес решающий вклад в результативную часть диссертационной работы. Автором были произведены вычисления спектров частиц (протонов и электронов) и частично спектров излучения, вызываемого данными частицами. К описанным автором спектрам относятся: спектр прямой аннигиляции, тормозного и радиоизлучения позитронов и электронов, спектр обратного тормозного излучения субрелятивистских протонов, спектр гамма-излучения релятивистских протонов, спектр излучения за счет обратного комптоновского рассеяния. Автором были выдвинуты требо-

вания к среде, в которой должны происходить вышеуказанные процессы, а также получены экспериментальные ограничения на используемую нами модель.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 99 страницах, состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 24 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 141 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и практическая ценность темы исследования, описаны решаемые проблемы и цели исследования. Также во введении описывается структура диссертации, и приводятся выдвигаемые на защиту утверждения.

Вторая глава посвящена теоретическим основам, используемым в данной работе. В пункте 2.1 мы рассмотрим общее уравнение распространения и эволюции частиц. В пункте 2.2 будут описаны основные процессы энергетических потерь, характерных для частиц. В пункте 2.3 мы опишем процессы катастрофических потерь, актуальных для исследуемых нами частиц.

Третья глава посвящена излучению объектов центра Галактики. В пункте 3.1 мы даем краткое описание состояния вещества в окрестности галактического центра по данным наблюдений. В пункте 3.2 высказывается гипотеза об источнике частиц, ответственных за формирование наблюдаемых спектров излучения. В качестве кандидата на такой источник нами рассматривается центральная черная дыра, а в качестве процесса мы используем периодические захваты звезд. Выделяются релятивистская и субрелятивистская компоненты протонов, рожденных центральной черной дырой. Пункт 3.3 посвящен аннигиляционному излучению, наблюдаемому из центра Галактики. В начале пункта мы указываем

основные модели происхождения позитронов, рассматриваемые в настоящее время. В первом подпункте нами рассматриваются ограничения, накладываемые на источник позитронов, установленные для максимально общего случая. Нами используется широко известный метод оценки интенсивности прямой аннигиляции по интенсивности аннигиля-ционной линии. Полученный спектр сравнивается с экспериментальными данными. Второй подпункт своей целью ставит модификацию данных ограничений на случай сильного магнитного поля, предположительно присутствующего в центре Галактики. Мы показываем, что, поскольку времена охлаждения в магнитном поле становятся меньше, то интенсивность прямой аннигиляции падает. Излучение в радио-диапазоне удовлетворяет наблюдением за счет нестационарности процесса. В третьем подпункте описывается выбранная нами модель происхождения позитронов, в которой источником предполагаются релятивистские протоны. Предполагается, что позитроны рождены в прошлом, поэтому на данный момент интенсивность гамма-излучения от распада нейтральных пионов упала на несколько порядков. Тем самым поток в гамма-излучении оказывается не выше наблюдаемого. Заключительный подпункт используется для обсуждения полученных результатов.

Пункт 3.4 описывает рентгеновское излучение из центра Галактики. Первый подпункт суммирует проведенные на данный момент наблюдения излучения из межзвездного газа и молекулярных облаков, а также модели, описывающие данное излучение. Во втором подпункте мы рассматриваем процесс формирования нетеплового спектра рентгеновского излучения, а также производим оценки той энергии, которая передается межзвездной плазме. Третий подпункт ставит своей задачей исследование влияния быстрых частиц на молекулярные облака: возбуждение в них непрерывных и линейчатых спектров. Мы оцениваем интенсивность линии железа, а также такие ее характеристики, как полуширина и эквивалентная ширина. Результаты получаются в соответст-

вии с наблюдениями. Заключительный подпункт используется для обсуждения полученных результатов. Пункт 3.5 посвящен незатронутым выше процессам формирования гамма-излучения из центра Галактики. В начале пункта приводятся результаты наблюдений. Первый подпункт описывает гамма-излучение в диапазоне выше 100 МэВ в рамках нашей модели. Во втором подпункте в рамках нашей модели делается предсказание относительно потоков в гамма-линиях. Заключительный подпункт используется для обсуждения полученных результатов и возможностей обнаружения предсказанных нами линий.

Четвертая глава посвящена процессам, происходящим в шаровых скоплениях. Пункт 4.1 ставит своей задачей описание свойств шаровых скоплений и основных моделей, описывающих происхождение гамма-излучения. В пункте 4.2 мы рассматриваем миллисекундные пульсары как возможные источники релятивистских частиц. Нами показано, что пульсары способны генерировать электрон-позитронные пары в диапазоне энергий от десятков ГэВ до ТэВа. Пункт 4.3 описывает применяемую нами модель. Мы рассматриваем распространение электронов в окрестности шарового скопления и вычисляем спектр излучения, получаемого за счет обратного комптоновского рассеяния. В пункте 4.4 мы производим расчеты в рамках нашей модели для двух скоплений: 47 Тисапае и Теггап-5. 47 Тисапае хорошо описывается рассеянием всех трех компонент межзвездного излучения: реликтовым, ИК и оптическим. Теггап-5, однако, не может быть описан рассеянием реликтового излучения. В пункте 4.5 производятся оценки излучения в других диапазонах, помимо наблюдаемого в настоящий момент, и выдвигаются ограничения, следующие из полученных оценок. Показано, что, в принципе, радиоизлучение укладывается в экспериментальные ограничения. Заключительный пункт 4.6 используется для обсуждения полученных результатов. В заключении мы приводим общие результаты данной работы. Пункт 5.1 предназначен для описания полученных нами

результатов, а пункт 5.2 описывает апробацию полученных результатов путем докладов на конференциях и семинарах, а также публикаций в журналах.

Основные результаты:

1. Мы сделали предположение, что центральная черная дыра может являться источником энергии для интенсивных процессов, происходящих в центре Галактики. Были рассмотрены две формы выделения энергии - в виде релятивистского протонного джета и в виде субрелятивистской незахваченной части.

2. Нами было показано, что ограничения по начальной энергии, установленные ранее для позитронов, аннигилирующих в центре Галактики, могут быть смягчены, если мы принимаем во внимание нестационарность процесса инжек-ции и предполагаем, что в центре Галактики присутствует сильное магнитное поле. В частности, для магнитного поля интенсивностью около 0.4 мГс и характерном времени, прошедшем с момента инжекции, равном 100 тыс. лет, энергия инжекция позитронов может быть около 100 МэВ.

3. С учетом вышеописанного мы построили модель ад-ронного происхождения позитронов, ответственных за аннигиляцию из центра Галактики. Нами предполагается, что позитроны рождены при взаимодействии протонного джета со средой. При этом, с учетом разных процессов взаимодействия с молекулярными облаками протонов и позитронов, характерное время жизни последних значительно превышает характерное время жизни первых. Таким образом, к моменту наступления максимума аннигиляционного излучения все остальное излучение, такое как фотоны от распада нейтральных пионов, гамма-излучение от прямой аннигиляции, радиоизлучение релятивистских позитронов и электронов, будут подавлены. Тем самым, экспериментальные ограничения из радио и гамма-диапазонов будут удовлетворены.

4. Мы оценили влияние субрелятивистской компоненты на состояние вещества в центре Галактики. Было показано,

что если наблюдаемое из окрестности галактического центра тепловое рентгеновское излучение является излучением горячей плазмы, то субрелятивистская компонента в состоянии обеспечить компенсацию энергии, теряемой за счет оттока вещества из центральной области.

5. Мы показали, что получаемое при столкновении протонов из субрелятивистской компоненты с электронами среды обратное тормозное излучение может объяснить происхождение нетеплового хвоста в жестком рентгене, наблюдаемого из окрестности центра Галактики. Из энергетических соображений нами были получены ограничения на коэффициент диффузии, получаемые в рамках данной модели. Было также воспроизведено пространственное распределение нетеплового рентгеновского излучения.

6. Было рассмотрено взаимодействие частиц с молекулярными облаками. Нами было показано, что субрелятивистская компонента в состоянии возбуждать линии железа, воспроизводя наблюдаемые на данный момент интенсивности. Полученная нами эквивалентная ширина линий полностью соответствует наблюдениям в предположении, что распространенность железа в молекулярных облаках в центре Галактики лежит в диапазоне от одной до двух солнечных. Эта оценка соответствует современным представлениям о химическом составе вещества в галактическом центре.

7. Нами было показано, что экспериментальная проверка нашей модели сводится к двум основным измерениям. Во-первых, изменение интенсивности линии железа с течением времени может дать ответ на вопрос, какая доля излучения образована постоянной по времени компонентой. Только постоянная компонента может быть сформирована взаимодействием субрелятивистских протонов с молекулярными облаками. Во-вторых, получаемые в рамках нашей модели линии обладают довольно большой шириной по сравнению с моделями электронного и рентгеновского возбуждения линий. Таким образом, в будущем данные рентгеновской спек-

троскопии смогут дать исчерпывающий ответ на вопрос о природе линии нейтрального железа.

8. В рамках нашей модели мы оценили интенсивности ядерных линий, получаемых при возбуждении ядер среды субрелятивистскими протонами. Обнаружение данных линий будет являться серьезным доводом в пользу того, что в среде присутствует субрелятивистская протонная компонента. Ширина линий, их интенсивность и пространственное распределение могут обогатить наши знания о распространении субрелятивистских частиц в межзвездной среде. На данный момент единственный телескоп, работающий в интересующем нас диапазоне, INTEGRAL, не в состоянии обеспечить необходимую чувствительность. Однако будущие миссии, возможно, будут способны произвести измерения с достаточной точностью.

9. Мы произвели исследования гамма-излучения из шаровых скоплений. Было показано, что наблюдаемый спектр гамма-излучения может быть воспроизведен при рассеянии фоновых фотонов межзвездной среды релятивистскими электронами (обратное комптоновское рассеяние). Нами были рассмотрены два наиболее ярких в гамма-диапазоне скопления: 47 Tucanae и Terzan-5. Было установлено, что гамма-излучение может образовывать как в случае рассеяния оптических, так и инфракрасных фотонов. Для 47 Tucanae возможно еще рассеяние и реликтовых фотонов. Хотя данные косвенно указывают на инфракрасные фотоны, исчерпывающий ответ на вопрос о происхождении гамма-излучения из шаровых скоплений смогут дать лишь будущие наблюдения в диапазоне высоких (свыше 10 ГэВ) энергий.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Cheng, К. S. High energy radiation from the direction of the galactic black hole Sgr A* / K. S. Cheng, D. O. Chernyshov, V. Dogiel // Advances in Space Research. - 2008. - Vol. 42. - Pp. 538-543, ISSN: 0273-1177.

2. Cheng, K. S. High Energy Radiation from the Galactic Black Hole Sgr A* / K. S. Cheng, D. 0. Chernyshov, V. Dogiel // Nuclear Physics В Proceedings Supplements. - 2008. - Vol. 175. -Pp. 383-388.

3. Cheng, K. S. Annihilation Emission from the Galactic Black Hole / K. S. Cheng, D. O. Chernyshov, V. A. Dogiel // As-trophysical Journal. - 2006. - Vol. 645. - Pp. 1138-1151, ISSN: 0004-637X

4. Cheng, K. S. Diffuse gamma-ray emission from the Galactic center - a multiple energy injection model / K. S. Cheng, D. O. Chernyshov, V. A. Dogiel // Astronomy & Astrophysics - 2007. -Vol.473. - Pp. 351-356, ISSN: 0004-6361

5. Chernyshov, D. Restrictions on the injection energy of positrons annihilating near the Galactic center / D. Chernyshov, K. S. Cheng, V. A. Dogiel // Proceedings of the 7th INTEGRAL Workshop.-2008.

6. De-excitation С and О lines and the 511 keV annihilation line from Sgr A* / V. A. Dogiel, K. Cheng, D. O. Chernyshov et al. // New Astronomy Review. - 2008 - Vol. 52. - Pp. 460-462, ISSN: 1387-6473.

7. Origin of 6.4keV Line Emission from Molecular Clouds in the Galactic Center / V. Dogiel, K. Cheng, D. Chernyshov et al. // Publications of the Astronomical Society of Japan. - 2009. - Vol. 61. -Pp.901, ISSN: 0004-6264

8. Origin of thermal and non-thermal hard X-ray emission from the Galactic center. /V. Dogiel, K. S. Cheng, D. O. Chernyshov et al. // Proceedings of the 7th INTEGRAL Workshop. -2008.

9. Origin of Thermal and Non-Thermal Hard X-Ray Emission from the Galactic Center /V. A. Dogiel, D. O. Chernyshov, T.

Yuasa et al. // Publications of the Astronomical Society of Japan -2009. - Vol. 61. - Pp. 1099, ISSN: 0004-6264

10. Particle Propagation in the Galactic Center and Spatial Distribution of Non-Thermal X-Rays / V. A. Dogiel, D. Cherny-shov, T. Yuasa et al. // Publications of the Astronomical Society of Japan - 2009. - Vol. 61. - Pp. 1093, ISSN: 0004-6264

11. Restrictions on the injection energy of positrons annihilating near the Galactic Centre fD.O. Chernyshov, K. Cheng, V. A. Dogiel et al. I ! Mon. Not. Roy. Astron. Soc. - 2010. - Vol. 403. -Pp. 817-825, ISSN: 0035-8711

12. Nuclear interaction gamma-ray lines from the Galactic center region / V. A. Dogiel, V. Tatischeff, K. S. Cheng et al. // Astronomy & Astrophysics - 2009. - Vol. 508. - Pp. 1-7, ISSN: 0004-6361

Чернышов Дмитрий Олегович

ФОРМИРОВАНИЕ НЕТЕПЛОВЫХ СПЕКТРОВ В АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 28.04.10. Формат 60 х 84 1/|б-Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 60 экз. Заказ № ф-085.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» Отдел автоматизированных издательских систем «ФИЗТЕХ-ПОЛИГРАФ» 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9

1. Введение.

2. Распространение заряженных частиц в межзвездной среде.

3. Излучение из центра Галактики.

4. Излучение из шаровых скоплений

1.1. Актуальность темы

К настоящему времени в астрономии были достигнуты значительные успехи. Современные инструменты позволяют производить наблюдения фотонов космического излучения в широком диапазоне энергий - начиная с радиоволн, заканчивая гамма-квантами с энергиями в несколько ТэВ. Основной интерес представляют наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазоне, поскольку они позволяют отслеживать высокоэнергетичпые процессы. На данный момент обнаружено довольно большое количество как точечных, так и протяженных источников рентгеновского и гамма-излучения, причем природа некоторых из них на данный момент является загадкой.

Элементарные физические процессы, приводящие к испусканию фотонов рентгеновского и гамма-диапазонов известны и довольно хорошо изучены: в-основном, они сводятся к взаимодействию частиц высокой энергии или жестких фотонов со средой. Основной проблемой является определение процессов, ответственных за формирование нужного спектра первичных частиц, источников, снабжающих их энергией, механизмов распространения в межзвездной среде.

Спектр теплового излучения может быть хорошо воспроизведен в предположении о некоторых источниках, ответственных за разогрев среды до наблюдаемой температуры. Однако значительная часть рентгеновского и все гамма-излучение носит нетепловой характер. Таким образом, актуальной становится задача об исследовании процессов формирования петепловых спектров частиц в объектах, ярких в указанных диапазонах. Все объекты можно разделить на два типа: компактные объекты, такие как звезды, пульсары, двойные системы, аккреционные диски черных дыр и т.п., и протяженные объекты. Критерием протяженности можно считать сопоставление характерного размера системы с длиной свободного пробега заряженной частицы в межзвездной среде.

В данной работе нас будут интересовать протяженные объекты, расположенные в нашей Галактике. Большая часть из описанных здесь объектов располагается вблизи галактического центра. К ним относятся

• Аннигиляционная линия 511 кэВ. Несмотря на относительно долгую историю изучения этого объекта, вопрос о происхождении позитронов, формирующих данное излучение остается открытым. По современным данным линия должна быть сформирована тепловыми позитронами с энергиями около 1 эВ, однако, как мы покажем в соответствующем разделе, процесс охлаждения с формированием излучения, порожденного нетепловым спектром позитронов, позволяет установить жесткие ограничения на происхождение позитронов.

• Рентгеновское излучение из галактического центра. Есть все основания предполагать, что оно является следствием теплового излучения горячей плазмы. Если эта теория верна, то актуальным становится вопрос об источнике энергии, снабжающем эту плазму. Помимо этого, из той же самой области обнаружена нетепловая компонента, для описания которой возможно использование процессов излучения частиц с нетепловым спектром.

• Излучение из молекулярных облаков. Наблюдения показывают, что данные объекты проявляют себя в рентгеновском диапазоне как в непрерывном спектре, так и в линейчатом. Характерная энергия одной из самых ярких линий составляет 6.4 кэВ. Поскольку температура облаков порядка 100 К, возбуждение данной линии не может осуществляться путем столкновений тепловых частиц, и, как следствие, необходимо сделать предположение о частицах, проникающих в облака извне.

Отметим, что для каждого из вышеуказанные объектов существует несколько моделей, описывающих наблюдаемое излучение, при этом процессы, ответственные за формирование спектров частиц предполагаются имеющими совершенно разную природу. В данной работе мы попробуем связать всю активность центра Галактики с одним процессом: захватом и последующим разрушением звезд центральной черной дырой.

Последним объектом нашего исследования являются шаровые скопления, входящие в состав нашей Галактики. Гамма-излучение этих объектов обнаружено сравнительно недавно. На данный момент существует по крайней мере одна модель, хорошо описывающая спектры излучения, полученные в результате наблюдений. Нами будет рассмотрена альтернативная модель и будут предложены экспериментальные методы, позволяющие оценить, какой из типов излучения является доминирующим.

1.2. Структура диссертации

Охарактеризуем общую структуру диссертации. Работа состоит из четырех глав (включая введение) и заключения. Каждая глава делится на пункты, характеризующие различные задачи в рамках главы, а пункты, при необходимости, на подпункты, в которых производится последовательный анализ проблем, возникающих при решении данной задачи. Описание каждого астрофизического объекта начинается с обзора наблюдательных данных, а также описания основных моделей, способных описать спектр его излучения.

Вторая глава посвящена теоретическим основам, используемым в данной работе. В пункте 2.1 мы рассмотрим общее уравнение распространения и эволюции частиц. В пункте 2.2 будут описаны основные процессы энергетических потерь, характерных для частиц. В пункте 2.3 мы опишем процессы катастрофических потерь, актуальных для исследуемых нами частиц.

Третья глава посвящена излучению объектов центра Галактики. В пункте 3.1 мы даем краткое описание состояния вещества в окрестности галактического центра по данным наблюдений. В пункте 3.2 высказывается гипотеза об источнике частиц, ответственных за формирование наблюдаемых спектров излучения. В качестве кандидата на такой источник нами рассматривается центральная черная дыра, а в качестве процесса мы используем периодические захваты звезд.

Пункт 3.3 посвящен аннигиляционному излучению, наблюдаемому из центра Галактики. В начале пункта мы указываем основные модели происхождения позитронов, рассматриваемые в настоящее время. В первом подпункте нами рассматриваются ограничения, накладываемые на источник позитронов, установленные для максимально общего случая. Второй подпункт своей целью ставит модификацию данных ограничений на случай сильного магнитного поля, предположительно присутствующего в центре Галактики. В третьем подпункте описывается выбранная нами модель происхождения позитронов, в которой источником предполагаются релятивистские протоны. Заключительный подпункт используется для обсуждения полученных результатов.

Пункт 3.4 описывает рентгеновское излучение из центра Галактики. Первый подпункт суммирует проведенные на данный момент наблюдения излучения из межзвездного газа и молекулярных облаков, а также модели, описывающие данное излучение. Во втором подпункте мы рассматриваем процесс формирования нетеплового спектра рентгеновского излучения, а также производим оценки той энергии, которая передается межзвездной плазме. Третий подпункт ставит своей задачей исследование влияния быстрых частиц на молекулярные облака: возбуждение в них непрерывных и линейчатых спектров. Заключительный подпункт используется для обсуждения полученных результатов.

Пункт 3.5 посвящен незатронутым выше процессам формирования гамма-излучения из центра Галактики. В начале пункта приводятся результаты наблюдений. Первый подпункт описывает гамма-излучение в диапазоне выше 100 МэВ в рамках нашей модели. Во втором подпункте в рамках нашей модели делается предсказание относительно потоков в гамма-линиях. Заключительный подпункт используется для обсуждения полученных результатов и возможностей обнаружения предсказанных нами линий.

Четвертая глава посвящена процессам, происходящим в шаровых скоплениях. Пункт 4.1 ставит своей задачей описание свойств шаровых скоплений и основных моделей, описывающих происхождение гамма-излучения. В пункте 4.2 мы рассматриваем миллисекунд-ные пульсары как возможные источники релятивистских частиц. Пункт 4.3 описывает применяемую нами модель. В пункте 4.4 мы производим расчеты в рамках нашей модели для двух скоплений: 47 Тисапае и Теггап-5. В пункте 4.5 производятся оценки излучения в других диапазонах, помимо наблюдаемого в настоящий момент, и выдвигаются ограничения, следующие из полученных оценок. Заключительный пункт 4.6 используется для обсуждения полученных результатов.

В заключении мы приводим общие результаты данной работы. Пункт 5.1 предназначен для описания полученных нами результатов, а пункт 5.2 описывает апробацию полученных результатов путем докладов на конференциях и семинарах, а также публикаций в журналах.

На защиту выносятся следующие утверждения

1. Энергия инжекции позитронов окрестности галакти-чес кого центра может превышать сотни МэВ при нужном выборе магнитного поля и времени, прошедшего с момента инжекции. При этом экспериментальные данные в радио и гамма-диапа-зопе не нарушаются.

2. Релятивистские протоны способны обеспечить необходимый темп инжекции позитронов без нарушений экспериментальных данных в гамма-диапазоне.

3. Субрелятивистские протоны способны обеспечить необходимый темп разогрева среды и могут быть источником нетеплового рентгеновского излучения среды.

4. Взаимодействие субрелятивистских протонов с молекулярными облаками способно обеспечить возбуждение линий железа с наблюдаемыми интенсивностями и свойствами.

5. Субрелятивистские протоны могут быть обнаружены по ядерным линиям. Телескопы с необходимой чувствительностью появятся в ближайшее время.

6. Гамма-излучение из шаровых скоплений может быть объяснено в рамках модели обратного комптоновского рассеяния.

7. Вклад каждой из компонент межзвездного излучения в наблюдаемый спектр может быть выяснен путем наблюдений на высоких энергиях (свыше 10 ГэВ).

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Мы сделали предположение, что центральная черная дыра может являться источником энергии для интенсивных процессов, происходящих в центре Галактики. Были рассмотрены две формы выделения энергии - в виде релятивистского протонного джета и в виде субрелятивистской незахваченной части.

2. Нами было показано, что ограничения по начальной энергии, установленные ранее для позитронов, аннигилирующих в центре Галактики, могут быть смягчены, если мы принимаем во внимание нестационарность процесса инжекции и предполагаем, что в центре Галактики присутствует сильное магнитное поле. В частности, для магнитного поля интенсивностью около 0.4 мГс и характерном времени, прошедшем с момента инжекции, равном 105 лет, энергия инжекция позитронов может быть около 100 МэВ.

3. С учетом вышеописанного мы построили модель адронного происхождения позитронов, ответственных за аннигиляцию из центра Галактики. Нами предполагается, что позитроны рождены при взаимодействии протонного джета со средой. При этом, с учетом разных процессов взаимодействия с молекулярными облаками протонов и позитронов, характерное время жизни последних значительно превышает характерное время жизни первых. Таким образом, к моменту наступления максимума аннигиляционного излучения все остальное излучение, такое как фотоны от распада нейтральных пионов, гамма-излучение от прямой аннигиляции, радиоизлучение релятивистских позитронов и электронов, будут подавлены. Тем самым, экспериментальные ограничения из радио и гамма-диапазонов будут удовлетворены.

4. Мы оценили влияние субрелятивистской компоненты на состояние вещества в центре Галактики. Было показано, что если наблюдаемое из окрестности галактического центра тепловое рентгеновское излучение является излучением горячей плазмы, то субрелятивистская компонента в состоянии обеспечить компенсацию энергии, теряемой за счет оттока вещества из центральной области.

5. Мы показали, что получаемое при столкновении протонов из субрелятивистской компоненты с электронами среды обратное тормозное излучение может объяснить происхождение нетеплового хвоста в жестком рентгене, наблюдаемого из окрестности центра Галактики. Из энергетических соображений нами были получены ограничения на коэффициент диффузии, получаемые в рамках данной модели. Было также воспроизведено пространственное распределение нетеплового рентгеновского излучения.

6. Было рассмотрено взаимодействие частиц с молекулярными облаками. Нами было показано, что субрелятивистская компонента в состоянии возбуждать линии железа, воспроизводя наблюдаемые на данный момент интенсивности. Полученная нами эквивалентная ширина линий полностью соответствует наблюдениям в предположении, что распространенность железа в молекулярных облаках в центре Галактики лежит в диапазоне от одной до двух солнечных. Эта оценка соответствует современным представлениям о химическом составе вещества в галактическом центре.

7. Нами было показано, что экспериментальная проверка нашей модели сводится к двум основным измерениям. Во-первых, изменение интенсивности линии железа с течением времени может дать ответ на вопрос, какая доля излучения образована постоянной по времени компонентой. Только постоянная компонента может быть сформирована взаимодействием субрелятивистских протонов с молекулярными облаками. Во-вторых, получаемые в рамках нашей модели линии обладают довольно большой шириной по сравнению с моделями электронного и рентгеновского возбуждения линий. Таким образом, в будущем данные рентгеновской спектроскопии смогут дать исчерпывающий ответ на вопрос о природе линии нейтрального железа.

8. В рамках нашей модели мы оценили интенсивности ядерных линий, получаемых при возбуждении ядер среды субрелятивистскими протонами. Обнаружение данных линий будет являться серьезным доводом в пользу того, что в среде присутствует субрелятивистская протонная компонента. Ширина линий, их интенсивность и пространственное распределение могут обогатить наши знания о распространении субрелятивистских частиц в межзвездной среде. На данный момент единственный телескоп, работающий в интересующем нас диапазоне, INTEGRAL, не в состоянии обеспечить необходимую чувствительность. Однако будущие миссии, возможно, будут способны произвести измерения с достаточной точностью.

9. Мы произвели исследования гамма-излучения из шаровых скоплений. Было показано, что наблюдаемый спектр гамма-излучения может быть воспроизведен при рассеянии фоновых фотонов межзвездной среды релятивистскими электронами (обратное комптоновское рассеяние). Нами были рассмотрены два наиболее ярких в гамма-диапазоне скопления: 47 Tucanae и Terzan-5. Было установлено, что гамма-излучение может образовывать как в случае рассеяния оптических, так и инфракрасных фотонов. Для 47 Tucanae возможно еще рассеяние и реликтовых фотонов. Хотя данные косвенно указывают на инфракрасные фотоны, исчерпывающий ответ на вопрос о происхождении гамма-излучения из шаровых скоплений смогут дать лишь будущие наблюдения в диапазоне высоких (свыше 10 ГэВ) энергий.

5.2. Апробация

Результаты диссертационной работы докладывались на астрофизическом семинаре отделения теоретической физики ФИАН под руководством академика РАН А.В.Гуревича, а также на конференциях:

1. "Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра (НЕА-2005)", Москва, ИКИ РАН, 26-28 декабря 2005 г., доклад "Природа аннигиляционного излучения из центра Галактики".

2. 7th INTEGRAL Workshop "An INTEGRAL view of compact objects", Дания, Копенгаген, Eigtveds Pakhus, 8-11 сентября 2008 г., стендовый доклад "Restrictions on the injection energy of positrons annihilating near the Galactic center"

3. 7th INTEGRAL Workshop "An INTEGRAL view of compact objects", Дания, Копенгаген, Eigtveds Pakhus, 8-11 сентября 2008 г., стендовый доклад "Origin of thermal and non-thermal hard X-ray emission from the Galactic center."

4. "Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра (НЕА-2008)", Москва, ИКИ РАН, 24-26 декабря 2008 г., стендовый доклад "Природа теплового и нетеплового излучения из центра Галактики".

5. A Science workshop to celebrate seven years of INTEGRAL "The Extreme sky: Sampling the Universe above 10 keV", Италия, Отранто, Castello Aragonese, 13-17 октября 2009 г., доклад "Restrictions on the injection energy of positrons annihilating near the GC".

6. A Science workshop to celebrate seven years of INTEGRAL 'The Extreme sky: Sampling the Universe above 10 keV", Италия, Отранто, Castello Aragonese, 13-17 октября 2009 г., стендовый доклад "De-Excitation Gamma-ray Line Emission from the Galactic Center".

7. "Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра (НЕА-2009)", Москва, ИКИ РАН, 21-24 декабря 2009 г, доклад "Линия нейтрального железа из молекулярных облаков"

Результаты данной диссертации опубликованы в соавторстве в следующих работах: [21], [22], [23], [24], [27], [32], [84], [88], [89], [90], [91], [100].

Благодарности

Автор хотел бы выразить чувство глубочайшей сердечной благодарности научному руководителю Владимиру Александровичу Догелю, профессору Kwong Sang Cheng'y выступившему неофициальным научным руководителем, а также поблагодарить заместителя заведующего кафедрой Василия Семеновича Бескина, Якова Николаевича Истомина и всех участников семинара по астрофизике под руководством A.B. Гуревича за участие и интерес к работе над настоящей диссертацией. Автор благодарен проф. Chung Ming Ко и проф. Wang Huen Ip'y за гостеприимство на Тайване.

Заключение

1. 2ЬА1 in the inner Galaxy. Large-scale spectral characteristics derived with SP1.INTEGRAL / R. Diehl, H. Halloin, K. Kretschmer et al. // A&A.— 2006. - Vol. 449. - Pp. 1025-1031.

2. Астрофизика космических лучей / В. С. Березинский, С. В. Буланов, В. А. Догель et al. — Москва-Наука, 1990.

3. Ахиезер, А. И. Квантовая электродинамика / А. И. Ахиезер, В. Б. Берестецкий. — Москва-Наука, 1981.

4. Гинзбург, В. Л. Теоретическая физика и астрофизика / В. Л. Гинзбург.— Москва-Наука, 1975.

5. A Deep Chandra Survey of the Globular Cluster 47 Tucanae: Catalog of Point Sources / С. O. Heinke, J. E. Grindlay, P. D. Edmonds et al. // ApJ.- 2005.- Vol. 625.-Pp. 796-824.

6. A new class of radio pulsars / M. A. Alpar, A. F. Cheng, M. A. Ruderman, J. Shaham // Nature. — 1982. Vol. 300. - Pp. 728-730.

7. A Radio Pulsar Spinning at 716 Hz / J. W. T. Hessels, S. M. Ransom, I. H. Stairs et al. // Science. — 2006. Vol. 311. - Pp. 1901-1904.

8. Aharonian, F. High energy gamma rays from the massive black hole in the galactic center / F. Aharonian, A. Neronov // Astrophysical Journal. — 2004. — Vol. 619. — Pp. 306-313.

9. Alexander, T. Stellar processes near the massive black hole in the Galactic center review article] / T. Alexander // Phys. Rep. 2005. - Vol. 419. - Pp. 65-142.

10. An asymmetric distribution of positrons in the Galactic disk revealed by 7-rays / G. Weidenspointner, G. Skinner, P. Jean et al. // Nature.— 2008.— Vol. 451,— Pp. 159-162.

11. Asca view of our galactic center: Remains of past activities in x-rays? / K. Koyama, Y. Maeda, T. Sonobe et al. // PASJ. 1996. - Vol. 48. - Pp. 249-255.

12. Ayal, S. Tidal Disruption of a Solar-Type Star by a Supermassive Black Hole / S. Ayal, M. Livio, T. Piran // ApJ. 2000. - Vol. 545. - Pp. 772-780.

13. Beacom, J. F. Stringent Constraint on Galactic Positron Production / J. F. Beacom, H. Yiiksel 11 Physical Review Letters. — 2006. — Vol. 97, no. 7. — Pp. 071102-+.

14. Bednarek, W. High-energy 7-rays from globular clusters / W. Bednarek, J. Sitarek 11 MNRAS. — 2007. — Vol. 377. — Pp. 920-930.

15. Blurnenthal, G. R. Bremsstrahlung, Synchrotron Radiation, and Compton Scattering of High-Energy Electrons Traversing Dilute Gases / G. R. Blurnenthal, R. J. Gould // Reviews of Modern Physics. — 1970. — Vol. 42. — Pp. 237-271.

16. Bykov, A. M. X-ray line emission from supernova ejecta fragments / A. M. Bykov // A&A. 2002. - Vol. 390. - Pp. 327-335.

17. Gannizzo, J. K. The disk accretion of a lidally disrupted star onto a massive black hole / J. K. Cannizzo, H. M. Lee, J. Goodman // Astrophysical Journal. — 1990. — Vol. 351. — Pp. 38-46.

18. Chandra Detections of Diffuse X-Ray Emission from Globular Clusters / Y. Okada, M. Kokubun, T. Yuasa, K. Makishima // PASJ. 2007. - Vol. 59. - Pp. 727-.

19. Chandra X-Ray Observations of 19 Millisecond Pulsars in the Globular Cluster 47 Tucanae / S. Bogdanov, J. E. Grindlay, C. O. Heinke et al. // ApJ.— 2006.— Vol. 646.-Pp. 1104-1115.

20. Cheng, K. S. High energy radiation from the direction of the galactic black hole Sgr A* / K. S. Cheng, D. O. Chernyshov, V. Dogiel // Advances in Space Research. — 2008.— Vol. 42. Pp. 538-543.

21. Cheng, K. S. High Energy Radiation from the Galactic Black Hole Sgr A* / K. S. Cheng, D. O. Chernyshov, V. Dogiel // Nuclear Physics B Proceedings Supplements. — 2008.— Vol. 175. Pp. 383-388.

22. Cheng, K. S. Annihilation Emission from the Galactic Black Hole / K. S. Cheng, D. O. Chernyshov, V. A. Dogiel // ApJ. — 2006. — Vol. 645.- Pp. 1138-1151.

23. Cheng, K. S. Diffuse gamma-ray emission from the Galactic center a multiple energy injection model / K. S. Cheng, D. O. Chernyshov, V. A. Dogiel // A&A. — 2007. — Vol. 473. - Pp. 351-356.

24. Cheng, K. S. Pulsar Wind Nebulae and the Nonthermal X-Ray Emission of Millisecond Pulsars / K. S. Cheng, R. E. Taam, W. Wang // ApJ. 2006. - Vol. 641. - Pp. 427-437.

25. Cheng, K. S. Multicomponent X-Ray Emissions from Regions near or on the Pulsar Surface / K. S. Cheng, L. Zhang // ApJ. 1999. - Vol. 515. - Pp. 337-350.

26. Chernyshov, D. Restrictions on the injection energy of positrons annihilating near the Galactic center / D. Chernyshov, K. S. Cheng, V. A. Dogiel // Proceedings of the 7th INTEGRAL Workshop. 2008.

27. Clark, G. W. X-ray binaries in globular clusters / G. W. Clark // ApJ. 1975. - Vol. 199. - Pp. L143-L145.

28. COMPTEL skymapping: a new approach using parallel computing / A. W. Strong, H. Bloemen, R. Diehl et al. // Proc. 3rd INTEGRAL Workshop YThe Extreme UniverseY. Proc. 3rd INTEGRAL Workshop YThe Extreme UniverseY. - 1998.

29. Dalgarno, A. Heating and Ionization of HI Regions / A. Dalgarno, R. A. McCray // ARA&A. 1972. - Vol. 10. - Pp. 375-+.

30. Daniel, R. R. Propagation of cosmic rays in the galaxy / R. R. Daniel, S. A. Stephens // Space Science Reviews. — 1975. — Vol. 17. — Pp. 45-158.

31. De-excitation C and O lines and the 511 keV annihilation line from Sgr A* / V. A. Dogiel, K. Cheng, D. O. Chernyshov et al. // New Astronomy Review.— 2008.— Vol. 52.— Pp. 460-462.

32. Dermer, C. D. Binary collision rates of relativistic thermal plasmas. II Spectra / C. D. Dermer // ApJ. - 1986. - Vol. 307. - Pp. 47-59.

33. Dermer, C. D. Secondary production of neutral pi-rnesons and the diffuse galactic gamma radiation / C. D. Dermer // A&A. 1986. - Vol. 157. — Pp. 223-229.

34. Dermer, C. D. Statistics of cosmological black hole jet sources: Blazar predictions for the gamma-ray large area space telescope / C. D. Dermer // The Astrophysical Journal.— 2007. Vol. 659, no. 2. — Pp. 958-975.

35. Detection of High-Energy Gamma-Ray Emission from the Globular Cluster 47 Tucanae with Fermi / A. A. Abdo, M. Ackermann, M. Ajello et al. // Science. — 2009.— Vol. 325. Pp. 845-.

36. Detection of Sub-TeV Gamma Rays from the Galactic Center Direction by CANGAROO-II / K. Tsuchiya, R. Enomoto, L. T. Ksenofontov et al. // ApJ.— 2004.— Vol. 606.— Pp. L115-L118.

37. Diffuse X-Ray Emission in a Deep Chandra Image of the Galactic Center / M. P. Muno, F. K. Baganoff, M. W. Bautz et al. // ApJ. 2004. — Vol. 613. - Pp. 326-342.

38. Discoveries of Diffuse Iron Line Sources from the Sgr B Region / K. Koyama, T. Inui, Y. Hyodo et al. // PASJ. 2007. - Vol. 59. - Pp. 221-227.

39. Discovery of a superluminal Fe K echo at the Galactic Center: The glorious past of Sgr A* preserved by molecular clouds / G. Ponti, R. Terrier, A. Goldwurm et al. // ArXiv e-prints. — 2010.

40. Discrete sources as the origin of the Galactic X-ray ridge emission / M. Revnivtsev, S. Sazonov, E. Churazov et al. // Nature. 2009. — Vol. 458. - Pp. 1142-1144.

41. Dogiel, V. A. The Cosmic-Ray Luminosity of the Galaxy / V. A. Dogiel, V. Schônfelder,

42. A. W. Strong // ApJ. 2002. - Vol. 572. - Pp. L157-L159.

43. Dyks, J. Approximate expressions for polar gap electric field of pulsars / J. Dyks,

44. B. Rudak 11 A&A. 2000. - Vol. 362. - Pp. 1004-1007.

45. Eger, P. Chandra detection of diffuse X-ray emission from the globular cluster Terzan 5 / P. Eger, W. Domainko, A. Clapson // ArXiv e-prints. — 2010.

46. Evidence of a Weak Galactic Center Magnetic Field from Diffuse Low-Frequency Nonthermal Radio Emission / T. N. LaRosa, C. L. Brogan, S. N. Shore et al. // ApJ.— 2005. Vol. 626. — Pp. L23-L27.

47. Exploring a SNR/molecular cloud association within HESS J1745-303 / F. Aharonian, A. G. Akhperjanian, U. Barres de Almeida et al. // A&A.— 2008.— Vol. 483.— Pp. 509-517.

48. Ferrière, K. Interstellar magnetic fields in the Galactic center region / K. Ferrière // A&A. 2009. - Vol. 505. - Pp. 1183-1198.

49. Gamma-ray continuum emission from the inner Galactic region as observed with INTEGRAL/SPI / A. W. Strong, R. Diehl, H. Halloin et al. // A&A. 2005.- Vol. 444. - Pp. 495-503.

50. Gamma-ray line emission from galaxy clusters / A. F. Iyudin, H. Bôhringer, V. Dogiel, G. Morfill // A&A. 2004. - Vol. 413. - Pp. 817-825.

51. Garcia, J. D. Inner-Shell Vacancy Production in Ion-Atom Collisions / J. D. Garcia, R. J. Fortner, T. M. Kavanagh // Reviews of Modern Physics.— 1973.— Vol. 45.— Pp. 111-177.

52. Genzel, R. The galactic center / R. Genzel, V. Karas 11 astro-ph/0704.1281. 2007.

53. Growth of black holes at the centers of galaxies: Absorption of stars and activity of galactic nuclei / V. Sirota, A. Il'iri, K. Zybin, A. Gurevich // Journal of Experimental and Theoretical Physics. — 2005. — Vol. 100, no. 2. — Pp. 294-304.

54. Guessoum, N. The lives and deaths of positrons in the interstellar medium / N. Guessoum, P. Jean, W. Gillard // A&A. 2005. - Vol. 436. - Pp. 171-185.

55. Haug, E. On the use of nonrelativistic bremsstrahlung cross sections in astrophysics. / E. Haug // A&A. 1997. - Vol. 326. - Pp. 417-418.

56. Hayakawa, S. Radiation from the Interstellar Hydrogen Atoms / S. Hayakawa, S. Nishimura, T. Takayanagi // PASJ. 1961. - Vol. 13. — Pp. 184-+.

57. HESS upper limit on the very high energy 7-ray emission from the globular cluster 47 Tucanae / F. Aharonian, A. G. Akhperjanian, G. Anton et al. // A&A.— 2009.— Vol. 499. Pp. 273-277.

58. Higdon, J. C. The Galactic Positron Annihilation Radiation and the Propagation of Positrons in the Interstellar Medium / J. C. Higdon, R. E. Lingenfelter, R. E. Rothschild // ApJ. — 2009.- Vol. 698. Pp. 350-379.

59. High-energy gamma-ray emission from the Galactic Center / H. A. Mayer-Hasselwander, D. L. Bertsch, B. L. Dingus et al. // A&A. — 1998. — Vol. 335. Pp. 161-172.

60. High-Resolution Observations of OH (1720 MHZ) Masers toward the Galactic Center / F. Yusef-Zadeh, D. A. Roberts, W. M. Goss et al. // ApJ.— 1999.— Vol. 512.— Pp. 230-236.

61. High-Resolution Spectroscopy of Gamma-Ray Lines from the X-Class Solar Flare of 2002 July 23 / D. M. Smith, G. H. Share, R. J. Murphy et al. // ApJ. 2003. - Vol. 595. -Pp. L81-L84.

62. Hui, C. Y. Dynamical Formation of Millisecond Pulsars in Globular Clusters / C. Y. Hui, K. S. Cheng, R. E. Taam // ArXiv e-prints. — 2010.

63. Indriolo, N. The Implications of a High Cosmic-Ray Ionization Rate in Diffuse Interstellar Clouds / N. Indriolo, B. D. Fields, B. J. McCall // ApJ.- 2009.- Vol. 694,— Pp. 257-267.

64. Inverse Compton Origin of the Hard X-Ray and Soft Gamma-Ray Emission from the Galactic Ridge / T. A. Porter, I. V. Moskalenko, A. W. Strong et al. // ApJ. — 2008.— Vol. 682. Pp. 400-407.

65. Iron and nickel line diagnostics for the galactic center diffuse emission / K. Koyama, Y. Hyodo, T. Inui et al. // PASJ. 2007. - Vol. 59, no. SP1. - Pp. 245-255.

66. Iron Emission Lines on the Galactic Ridge Observed with Suzaku / S. Yamauchi, K. Ebisawa, Y. Tanaka et al. // PASJ. 2009. - Vol. 61. — Pp. 225-+.

67. Katz, J. /. Two kinds of stellar collapse / J. I. Katz // Nature. — 1975.— Vol. 253.— Pp. 698-+.

68. Kong, A. K. H. Fermi Discovery of Gamma-ray Emission from the Globular Cluster Terzan 5 / A. K. H. Kong, C. Y. Hui, K. S. Cheng // ApJ.- 2010.- Vol. 712.-Pp. L36-L39.

69. Kozlovsky, B. Positrons from accelerated particle interactions / B. Kozlovsky, R. E. Lingenfelter, R. Ramaty // ApJ. 1987. - Vol. 316. — Pp. 801-818.

70. Kozlovsky, B. Nuclear Deexcitation Gamma-Ray Lines from Accelerated Particle Interactions / B. Kozlovsky, R. J. Murphy, R. Ramaty // ApJS.— 2002,— Vol. 141.— Pp. 523-541.

71. Lingenfelter, R. E. Gamma-ray lines from interstellar grains / R. E. Lingenfelter, R. Ramaty // ApJ. 1977. - Vol. 211. — Pp. L19-L22.

72. Lodders, K. Solar System Abundances and Condensation Temperatures of the Elements / K. Lodders // ApJ. 2003. - Vol. 591. - Pp. 1220-1247.

73. Lu, Y. Capture of a Red Giant by the Black Hole Sagittarius A* as a Possible Origin for the TeV Gamma Rays from the Galactic Center / Y. Lu, K. S. Cheng, Y. F. Huang // ApJ. 2006. - Vol. 641. - Pp. 288-292.

74. Maeda, Y. Discovery of non-thermal emission from Galactic center: Ph.D. thesis / Kyoto University. 1998.

75. Morfill, G. E. Secondary electron spectra in interstellar clouds, and the bremsstrahlung gamma-ray luminosity / G. E. Morfill // Astrophysical Journal.— 1982.— Vol. 262, no. 1. Pp. 749-759.

76. Morris, M. The Galactic Center Magnetosphere / M. Morris // Journal of Physics Conference Series. — 2006. Vol. 54. — Pp. 1-9.

77. Morris, M. The Galactic Center Environment / M. Morris, E. Serabyn // ARA&A. — 1996. Vol. 34. - Pp. 645-702.

78. Moskalenko, I. V. Production and Propagation of Cosmic-Ray Positrons and Electrons / I. V. Moskalenko, A. W. Strong // ApJ. 1998. - Vol. 493.- Pp. 694-+.

79. Nath, B. B. Cosmic ray ionization of the interstellar medium / B. B. Nath, P. L. Biermann // MNRAS. 1994. - Vol. 267. - Pp. 447-451.

80. NCT Collaboration. The Nuclear Compton Telescope (NCT): Scientific goals and expected sensitivity / NCT Collaboration, S. Boggs, Y. Chang // Advances in Space Research. — 2007. — Vol. 40. Pp. 1281-1287.

81. Neuf eld, D. A. Thermal Balance in Dense Molecular Clouds: Radiative Cooling Rates and Emission-Line Luminosities / D. A. Neufeld, S. Lepp, G. J. Melnick // ApJS.— 1995.— Vol. 100. — Pp. 132—h

82. Nuclear astrophysics capabilities of the GRIPS telescope / A. Zoglauer, R. Andritschke, S. E. Boggs et al. // New Astronomy Review. — 2008. — Vol. 52. — Pp. 431-435.

83. Nuclear interaction gamma-ray lines from the Galactic center region / V. A. Dogiel, V. Tatischeff, K. S. Cheng et al. // A&A. 2009. — Vol. 508. — Pp. 1-7.

84. Observations of 20 Millisecond Pulsars in 47 Tucanae at 20 Centimeters / F. Camilo, D. R. Lorimer, P. Freire et al. // ApJ. 2000. — Vol. 535. - Pp. 975-990.

85. On Search and Detection of Hard X-Ray Emission from Orion-Like Complexes Produced by a Flux of Subrelativistic Nuclei / V. A. Dogiel, A. Ichimura, H. Inoue, K. Masai // PASJ. 1998. - Vol. 50. - Pp. 567-576.

86. Ore, A. Three-photon annihilation of an electron-positron pair / A. Ore, J. L. Powell // Physical Review.— 1949. — Vol. 21, no. 1,- Pp. 1-13.

87. Origin of 6.4keV Line Emission from Molecular Clouds in the Galactic Center / V. Dogiel, K. Cheng, D. Chernyshov et al. // PASJ. 2009. - Vol. 61. - Pp. 901-.

88. Origin of thermal and non-thermal hard X-ray emission from the Galactic center. / V. Dogiel, K. S. Cheng, D. O. Chernyshov et al. // Proceedings of the 7th INTEGRAL Workshop. 2008.

89. Origin of Thermal and Non-Thermal Hard X-Ray Emission from the Galactic Center / V. A. Dogiel, D. O. Chernyshov, T. Yuasa et al. // PASJ. 2009. - Vol. 61. - Pp. 1099-.

90. Particle Propagation in the Galactic Center and Spatial Distribution of Non-Thermal X-Rays / V. A. Dogiel, D. Chernyshov, T. Yuasa et al. // PASJ. — 2009.- Vol. 61,— Pp. 1093-.

91. Phinney, E. S. Manifestations of a massive black hole in the galactic center / E. S. Phinney // The Center of the Galaxy: Proceedings of the 136th Symposium of the International Astronomical Union. — 1989.

92. Plante, R. L. The magnetic fields in the galactic center: Detection of HI Zeeman splitting / R. L. Plante, K. Y. Lo, R. M. Crutcher // ApJ.- 1995,- Vol. 445,-Pp. L113-L116.

93. Positron annihilation spectrum from the Galactic Centre region observed by SPI/INTEGRAL / E. Churazov, R. Sunyaev, S. Sazonov et al. // MNRAS. 2005. -Vol. 357. — Pp. 1377-1386.

94. Prantzos, N. On the intensity and spatial morphology of the 511 keV emission in the Milky Way / N. Prantzos // A&A. 2006. - Vol. 449. - Pp. 869-878.

95. Properties of the energetic particle distributions during the October 28, 2003 solar flare from INTEGRAL/SPI observations / J. Kiener, M. Gros, V. Tatischeff, G. Weidenspointner // A&A. 2006. - Vol. 445. — Pp. 725-733.

96. Ramaty, R. Nuclear gamma-rays from energetic particle interactions / R. Ramaty, B. Kozlovsky, R. E. Lingenfelter // ApJS. 1979. - Vol. 40,- Pp. 487-526.

97. Rees, M. J. Tidal disruption of stars by black holes of 10 to the 6th-10 to the 8th solar masses in nearby galaxies / M. J. Rees // Nature. — 1988. — Vol. 333. — Pp. 523-528.

98. Reimer, O. EGRET Observations of Galactic Relativistic Jet Sources / O. Reimer, A. Iyudin // International Cosmic Ray Conference.— Vol. 4 of International Cosmic Ray Conference. — 2003. Pp. 2341-+.

99. Restrictions on the injection energy of positrons annihilating near the Galactic Centre / D. O. Chernyshov, K. Cheng, V. A. Dogiel et al. // MNRAS. 2010,- Vol. 403.-Pp. 817-825.

100. Revnivtsev, M. Origin of the Galactic Ridge X-Ray Emission / M. Revnivtsev, S. Sazonov, R. Sunyaev // Progress of Theoretical Physics Supplement. — 2007. — Vol. 169. — Pp. 125-130.

101. Ruderman, M. Neutron star crustal plate tectonics. I Magnetic dipole evolution in millisecond pulsars and low-mass X-ray binaries / M. Ruderman // ApJ. — 1991. — Vol. 366. - Pp. 261-269.

102. Ruderman, M. Evolution of a short-period gamma-ray pulsar family Crab, Vela. COS B source, gamma-ray burst source / M. Ruderman, K. S. Cheng // ApJ. — 1988. — Vol. 335. - Pp. 306-318.

103. Sacher, W. The bremsstrahlung component of the diffuse galactic gamma-ray emission at MeV energies / W. Sacher, V. Schoenfclder // ApJ. 1984. - Vol. 279. - Pp. 817-826.

104. Silk, J. Heating of H i Regions by Soft X-Rays / J. Silk, M. W. Werner // ApJ. 1969. -Vol. 158. — Pp. 185—h

105. Sizun, P. Continuum 7-ray emission from light dark matter positrons and electrons / P. Sizun, M. Cassé, S. Schanne // Phys. Rev. D. 2006. - Vol. 74, no. 6. - Pp. 063514-+.

106. Spatial Distribution of the Galactic Center Diffuse X-Rays and the Spectra of the Brightest 6.4keV Clumps / K. Koyama, Y. Takikawa, Y. Hyodo et al. // PASJ. 2009. — Vol. 61. - Pp. 255-+.

107. Spectral analysis of the Galactic e+e~ annihilation emission / P. Jean, J. Knôdlseder, W. Gillard et al. // A&A. 2006. - Vol. 445. — Pp. 579-589.

108. Spectral Study of the Galactic Ridge X-Ray Emission with Suzaku / K. Ebisawa, S. Yamauchi, Y. Tanaka et al. // PASJ. 2008. - Vol. 60.- Pp. 223-+.

109. Spergel, D. N. Extreme gas pressures in the Galactic bulge / D. N. Spergel, L. Blitz // Nature. 1992. - Vol. 357. - Pp. 665-667.

110. Spitzer Jr., L. Ultraviolet studies of the interstellar gas / L. Spitzer, Jr., E. B. Jenkins // ARA&A. 1975. - Vol. 13. - Pp. 133-164.

111. Spitzer Jr., L. Heating of H i Regions by Energetic Particles / L. Spitzer, Jr., M. G. Tomasko // ApJ. — 1968. Vol. 152. — Pp. 971-+.

112. Stephens, S. A. Production spectrum of gamma rays in interstellar space through neutral pion decay / S. A. Stephens, G. D. Badhwar // Astrophysics and Space Science. — 1981. — Vol. 76, no. l.-Pp. 213-233.

113. Strong, A. W. Erratum: Diffuse Continuum Gamma Rays from the Galaxy / A. W. Strong, I. V. Moskalenko, O. Reimer // ApJ. 2000. - Vol. 541. - Pp. 1109-1109.

114. Sunyaev, R. A. The center of the Galaxy in the recent past A view from GRAN AT / R. A. Sunyaev, M. Markevitch, M. Pavlinsky // ApJ. — 1993, — Vol. 407. — Pp. 606-610.

115. Suzaku Detection of Extended/Diffuse Hard X-Ray Emission from the Galactic Center / T. Yuasa, K. Tamura, K. Nakazawa et al. // PASJ. — 2008. — Vol. 60. — Pp. 207-+.

116. Suzaku Spectroscopy of an X-Ray Reflection Nebula and a New Supernova Remnant Candidate in the SgrBl Region / M. Nobukawa, T. G. Tsuru, Y. Takikawa et al. // PASJ. 2008. - Vol. 60. - Pp. 191—h

117. Tatischeff, V. 7-ray lines from cosmic-ray interactions with interstellar dust grains / V. Tatischeff, J. Kiener // New Astronomy Review. — 2004. — Vol. 48. Pp. 99-103.

118. Teegarden, B. J. A Comprehensive Search for Gamma-Ray Lines in the First Year of Data from the INTEGRAL Spectrometer / B. J. Teegarden, K. Watanabe // ApJ. — 2006. Vol. 646. - Pp. 965-981.

119. TeV Gamma-Ray Observations of the Galactic Center / K. Kosack, H. M. Badran, I. H. Bond et al. // ApJ. 2004. - Vol. 608. - Pp. L97-L100.

120. The all-sky distribution of 511 keV electron-positron annihilation emission / J. Kriodlseder, P. Jean, V. Lonjou et al. // A&A. 2005. - Vol. 441. - Pp. 513-532.

121. The nature of the Sloan Digital Sky Survey galaxies in various classes based on morphology, colour and spectral features III. Environments / J. H. Lee, M. G. Lee, C. Park, Y. Choi // MNRAS. - 2010. - Pp. 426-+.

122. The NeXT Mission / T. Takahashi, R. Kelley, K. Mitsuda et al. // Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series. — Vol. 7011 of Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series. — 2008.

123. The radio luminosity distribution of pulsars in 47 Tucanae / D. McConnell, A. A. Deshpande, T. Connors, J. G. Abies // MNRAS.— 2004.- Vol. 348.— Pp. 1409-1414.

124. Time Variability of the Neutral Iron Lines from the Sagittarius B2 Region and Its Implication of a Past Outburst of Sagittarius A / T. Inui, K. Koyama, H. Matsumoto, T. G. Tsuru // PASJ. 2009. - Vol. 61. - Pp. 241-+.

125. Totani, T. A RIAF Interpretation for the Past Higher Activity of the Galactic Center Black Hole and the 511 keV Annihilation Emission / T. Totani // PASJ.— 2006,— Vol. 58. Pp. 965-977.

126. Twenty-One Millisecond Pulsars in Terzan 5 Using the Green Bank Telescope / S. M. Ransom, J. W. T. Hessels, I. H. Stairs et al. // Science2005.— Vol. 307.— Pp. 892-896.

127. Venter, C. Predictions of Gamma-Ray Emission from Globular Cluster Millisecond Pulsars Above 100 MeV / C. Venter, O. C. De Jager, A. Clapson // ApJ.— 2009.— Vol. 696. Pp. L52-L55.

128. Very high energy gamma rays from the direction of Sagittarius A* / F. Aharonian, A. G. Akhperjanian, K. Aye et al. // A&A. 2004. - Vol. 425. - Pp. L13-L17.

129. Wang, W. Contribution to diffuse gamma-rays in the Galactic Centre region from unresolved millisecond pulsars / W. Wang, Z. J. Jiang, K. S. Cheng // MNRAS. — 2005. — Vol. 358. Pp. 263-269.

130. Wong, A. Y. L. Transient X-ray emission from normal galactic nuclei / A. Y. L. Wong, Y. F. Huang, K. S. Cheng // A&A. 2007. - Vol. 472. - Pp. 93-99.

131. X-Ray Emission from the Galactic Disk / R. D. Bleach, E. A. Boldt, S. S. Holt et al. // ApJ. 1972.- Vol. 174.- Pp. L101+.

132. X-ray Observation of Very High Energy Gamma-Ray Source, HESS J1745-303, with Suzaku / A. Bamba, R. Yamazaki, K. Kohri et al. // ApJ.- 2009.- Vol. 691.— Pp. 1854-1861.

133. XMM-Newton observation of the galactic centre evidence against the X-ray reflection nebulae model? / P. Predehl, E. Costantini, G. Hasinger, Y. Tanaka // Astronomische Nachrichten. - 2003. — Vol. 324. - Pp. 73-76.

134. Yusef-Zadeh, F. The Origin of X-Ray Emission from a Galactic Center Molecular Cloud: Low-Energy Cosmic-Ray Electrons / F. Yusef-Zadeh, C. Law, M. Wardle // ApJ.— 2002. Vol. 568. - Pp. L121-L125.

135. Yusef-Zadeh, F. Cosmic-Ray Heating of Molecular Gas in the Nuclear Disk: Low Star Formation Efficiency / F. Yusef-Zadeh, M. Wardle, S. R.oy // ApJ. 2007. - Vol. 665. — Pp. L123-L126.

136. Zavlin, V. E. XMM-Newton Observations of Four Millisecond Pulsars / V. E. Zavlin // ApJ. 2006. - Vol. 638. - Pp. 951-962.

137. Zhang, L. High-Energy Radiation from Rapidly Spinning Pulsars with Thick Outer Gaps / L. Zhang, K. S. Cheng // ApJ. 1997. - Vol. 487. - Pp. 370-+.