Исследование происхождения космических лучей сверхвысоких энергий на основе анализа их траекторий в магнитном поле Галактики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АСТРОФИЗИКИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ СВЕРХВЫСОКИХ

ЭНЕРГИЙ.

§1.1 Источники космических лучей сверхвысоких энергий.

§1.2 Наблюдательные данные по космическим лучам сверхвысоких энергий.

§1.3 Модели магнитного поля Галактики.

§1.4 Определение характеристик космических лучей сверхвысоких энергий методом численного счета траекторий.

ГЛАВА П. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА СЧЕТА

ТРАЕКТОРИЙ.

§2.1 Методика счета траекторий.

§2.2 Моделирование взаимодействия с магнитными неоднородностями.

ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЛАКТИЧЕСКИХ И МЕТАГАЛАКТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ НА ОСНОВЕ СЧЕТА ИХ

ТРАЕКТОРИЙ.:.

§3.1 Определение анизотропии и спектра инжекдии космических лучей сверхвысоких энергий.

§3.2 Широтная зависимость анизотропии космических лучей сверхвысоких энергий.

§3.3 Источники метагалактических космических лучей, наблюдаемых в Солнечной системе.

Современные представления об источниках космических лучей

17 сверхвысоких энергий (выше 10 эВ) нельзя назвать устоявшимися. За последние несколько лет возникло много гипотез относительно происхождения таких частиц, их образование связывают с работой ускорительных механизмов внутри Галактики или в метагалактических объектах. Наряду с ускорительными механизмами образования космических лучей сверхвысоких энергий в качестве гипотез фигурируют неускорительные механизмы, согласно которым космические лучи рождаются со сверхвысокими энергиями в результате определенных реакций, возможно проистекающих как внутри, так и вне Галактики. В настоящее время сложилась ситуация, когда при относительном изобилии гипотез о происхождении космических лучей сверхвысоких энергий и недостатке наблюдений, их подтверждающих, вопрос о происхождении космических лучей сверхвысоких энергий остается открытым.

Важной характеристикой космических лучей сверхвысоких энергий является их анизотропия, так как именно для космических лучей сверхвысоких энергий наблюдается ненулевая, возможно монотонно растущая с ростом энергии амплитуда анизотропии. Амплитуда и фаза анизотропии содержат косвенную информацию об источниках космических лучей и особенностях магнитных полей в Галактике, а, быть может, и за ее пределами, если источники космических лучей находятся вне Галактики.

Анизотропия космических лучей может служить в качестве пробного камня для проверки различных гипотез происхождения космических лучей сверхвысоких энергий. Численный расчет анизотропии космических лучей для различных предположений относительно их источников позволяет определить, какие предположения и в какой степени соответствуют наблюдаемой величине анизотропии, не вдаваясь в подробности ускорительных механизмов в источниках.

Одна из целей настоящей работы состояла в проверке различных предположений относительно происхождения космических лучей с энергиями 1017-1019эВ, основанной на сравнении наблюдаемой анизотропии космических лучей с анизотропией, полученной в результате моделирования их движения в магнитном поле Галактики.

Метод расчета - численное определение траектории движения античастицы путем решения уравнения движения в магнитных полях Галактики. За интенсивность космических лучей по данному направлению принимался интеграл по траектории от плотности источников. В расчетах использовалась динамо-модель регулярного магнитного поля Галактики с напряженностью в максимуме 1мкГс. Учитывались также хаотические магнитные поля с характерными параметрами: линейный масштаб неоднородностей ЮОпк, напряженность 2мкГс. Состав космических лучей в расчетах принимался чисто протонным, однако полученные результаты обобщены на случай преобладания тяжелых ядер в составе космических лучей сверхвысоких энергий. На основе полученной зависимости времени жизни частиц от энергии рассчитан спектр космических лучей сверхвысоких энергий в галактических источниках.

В работе определена зависимость анизотропии от широты точки наблюдения для различных предположений относительно галактических источников космических лучей сверхвысоких энергий. Рассмотрен также случай чисто метагалактических источников, и получены направления прихода в Галактику метагалактических космических лучей сверхвысоких энергий, наблюдаемых на Земле.

Цели настоящей работы:

- проверка различных предположений относительно происхождения космических лучей сверхвысоких энергий из диапазона 1017-1019эВ на основании сравнения наблюдаемой и рассчитанной анизотропии и определение спектра инжекции;

- получение зависимости амплитуды и фазы анизотропии от географической широты точки наблюдения;

- определение направлений прихода в Галактику наблюдаемых на Земле метагалактических космических лучей сверхвысоких энергий.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые известный метод счета траекторий для античастицы применен к анализу различных галактических источников космических лучей сверхвысоких энергий. В работе впервые получена зависимость анизотропии космических лучей сверхвысоких энергий от широты места наблюдения для различных предположений относительно источников космических лучей сверхвысоких энергий. Впервые произведен расчет направлений прихода в Галактику наблюдаемых на Земле метагалактических космических лучей сверхвысоких энергий.

В качестве регулярного магнитного поля гало Галактики в расчетах применялась динамо-модель поля, сравнительно редко используемая в физике космических лучей и никогда на практике не применявшаяся для расчета анизотропии космических лучей сверхвысоких энергий. Обычно для подобных расчетов применяются феноменологические модели магнитного поля, обобщающие наблюдения и никак теоретически не обоснованные. Динамо-модель является теоретически обоснованной, она не противоречит наблюдательным данным по Галактике и подтверждается наблюдениями магнитных полей других галактик. Обладая рядом структурных особенностей, таких как распределенное положение максимумов, антисимметрия относительно галактической экваториальной плоскости, независимость от азимутального угла, поле динамо существенно сказывается на динамике космических лучей сверхвысоких энергий.

Основные защищаемые в диссертационной работе положения заключаются в следующем:

1. Предположение об источниках космических лучей сверхвысоких энергий, заполняющих равномерно весь объем гало Галактики, не противоречит наблюдаемой анизотропии, в то время, как предположение об источниках в диске дает чрезмерную амплитуду анизотропии.

2. Зависимость анизотропии от географической широты точки наблюдения принципиально различна для источников в диске и источников в гало. Анализ наблюдаемой широтной зависимости может дать информацию о положении источников космических лучей.

3. Определены направления прихода в Галактику метагалактических протонов, которые наблюдаются на Земле с изотропным распределением. Получено, что наблюдаемые на Земле метагалактические протоны с энергиями 5-1018-1019эВ поступают в Галактику в основном из высокоширотных источников (в галактических координатах).

Основные результаты диссертации можно сформулировать следующим образом:

1. Предположение об источниках космических протонов сверхвысоких энергий, заполняющих равномерно весь объем гало Галактики, не противоречит наблюдаемой величине амплитуды анизотропии, в то время, как предположение об источниках в диске дает чрезмерную амплитуду анизотропии. Учет смешанного состава космических лучей (50% протонов + 50 % ядер железа) в интервале энергии

1017.51018.5 эВ позволяет добиться полного совпадения вычисленной и наблюдаемой величин амплитуды анизотропии для источников во всем объеме гало. Вне указанного интервала энергий состав космических лучей может быть чисто протонным. Другая потенциальная возможность приведения в соответствие расчетов и наблюдений амплитуды анизотропии состоит в переходе к большему радиусу Галактики (20 кпк и более).

2. Зависимость анизотропии от географической широты точки наблюдения принципиально различна для источников в диске и источников в гало. Для источников в гало максимальная амплитуда анизотропии должна наблюдаться на установке, расположенной на экваторе, для источников в диске, наоборот, амплитуда анизотропии на экваторе будет минимальна. Зависимость фазы анизотропии от широты места наблюдения также различается для случаев источников в гало и в диске. Анализ наблюдаемой широтной зависимости может дать информацию о положении источников космических лучей.

3. Определены направления прихода в Галактику метагалактических протонов, которые наблюдаются на Земле с изотропным распределением. Получено, что наблюдаемые на Земле метагалактические протоны с энергиями 5-1018-1019эВ поступают в Галактику из высокоширотных источников (в галактических координатах).

Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю Е.В.Горчакову за постоянную заботу, внимание и неоценимую помощь в проведении исследований, а также Д.Д.Соколову и А.М.Шукурову за предоставленные материалы по модели магнитного поля Галактики и плодотворные дискуссии. Автор благодарна начальнику отдела Э.Н.Сосновцу за предоставленную возможность заниматься интересной и перспективной темой, а также всему коллективу отдела теоретической и прикладной космофизики за интерес к работе, проявленный на семинарах отдела.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. J.Wdowczyk and A.W.Wolfendale. Highest energy cosmic rays. -Annu.Rev.Nucl.Part.Sci., 39 (1989) 43-71

2. В.Л.Гишбург. Астрофизические аспекты исследования космических лучей. УФЫ, т.155, вып.2,1988, с.185-218

3. P.L.Biermann and J.P.Cassinelli. Cosmic rays II. Evidence for a magnetic rotator Wolf-Rayet star origin. -Astron Astroph., 277 (1993) 691

4. K.Greisen, Phys. Rev. Lett. 16 (1966) 748

5. Г.Т.Зацепин, В.А.Кузьмин, Письма в ЖЭТФ, 4 (1966) 78

6. A.V.Olinto. The mystery of ultra-high energy cosmic rays. astro-ph/0003013

7. V.Berezinsky, Ultrahigh energy cosmic rays. astro-ph/9802351

8. M.Lemoine, G.Sigl, F.V.Olinto et al. Ultra-high-energy cosmic ray sources and large-scale magnetic fields. Astroph.J., 486 (1997) 115118

9. A.M.Hillas. The origin of ultra-high-energy cosmic rays. Ann. Rev. Astron. Astrophys. 22 (1984) 425lO.S.Yoshida and H.Dai. The extremely high energy cosmic rays. astro-ph/9802294

10. Н.В.С.Березинский, С.В.Буланов, В.Л.Гишбург и др., Астрофизика космических лучей, Москва, Наука, 1984, 358 стр.

11. A.V.Olinto, R.I.Epstein, P.Blasi. Galactic ultra-high-energy cosmic rays. astro-ph/9906338

12. C.Kouveliotou, T.Strohmayer, K.Hurley et al. Discovery of a magnetar associated with the soft gamma repeater SGR1900+14. -astro-ph/9809140

13. J.R.Jokippi and G.Morfill. Ulta-high-energy cosmic rays in a galactic wind and its termination shocks. Ap.J. 312 (1987) 170-177

14. А.И.Урысон. Возможные источники космических протонов сверхвысоких энергий. Письма в ЖЭТФ, 1996, т. 64, вып. 1-2, стр. 71-75

15. А.И.Урысон. Возможное происхождение и спектр космических лучей сверхвысоких энергий. Письма в ЖЭТФ, 1997, т. 65, вып. 9-10, стр.729-733

16. А.И.Урысон. Космические лучи сверхвысоких энергий: возможное происхождение и спектр. ЖЭТФ, 1998, т. ИЗ, вып.1, стр. 12-20

17. C.F.Norman, D.B.Melrose, A.Achterberg. The origin of cosmic rays above 1018 5 eV. Astrophys. J. 454 (1995) 60

18. P.L.Biermann and P.A.Strittmatter. Synchrotron emission from shock waves in active galactic nuclei. Ap J. 322 (1987) 643-649

19. P.L.Biermann, E.J.Ahn, G.Medina-Tanco et al. Origin of the highest energy cosmic rays. artro-ph/0008063

20. E.N.Parker. Dynamics of the interplanetary gas and magnetic fields. -Astrophys. J. 128 (1958) 664

21. F.C.Jones, Proc. of Workshop on Observing Giant Cosmic Ray Air Showers from > I020 eV Particles from Spacef 1997) 37

22. E.Kalashev, V.A.Kuzmin, D.V.Semikoz. Top-down models and extremely high energy cosmic rays. astro-ph/9911035

23. P.Bhattachajjee, C.T,Hill, D.N.Schrann. Grand unified theories, topologocal defects, and ultrahigh-energy cosmic rays. -Phys. Rev. Lett., 69 (1992) 567-570

24. P.Bhattachaijee and G.Sigl, Phys. Rev., D51 (1995) 4079

25. P.Blasi, R.K.Sheth. Halo dark matter and ultra-high energy cosmic rays. astro-ph/0006313

26. V.Berezinsky and A.A.Mikhailov. Anisotropy of ultra high energy cosmic rays in the Dark Matter halo model. astro-ph/9810277

27. V.S.Berezinsky, P. Blasi, V.S.Ptuskin. Clusters of galaxies as storage room for cosmic rays. Ap.J., 487 (1997) 529

28. В.Кузьмин и В.Рубаков, Ядерная физика, 61 (1998) 1122

29. М.Н.Дьяконов, Т.А.Егоров и др., Космическое излучение предельно высоких энергий, Новосибирск, Наука, 1991, 252 стр.

30. P.Bhattacharjee and G.Sigl. Origin and propagation of extremely high energy cosmic rays. astro-ph/9811011

31. L.A.Anchorodoqui, M.Kirasirova, T.P.McCauley et al. On the nature of cosmic rays above the Greisen-Zatsepin-Kuz'min cut off. astro-ph/0007403

32. ЗЗ.О.Е-Kalashev, V.A.Kuzmin, D.V.Semikoz. Ultra high energy cosmic rays propagation in the Galaxy and anisotropy. astro-ph/0006349

33. DJ.Bird, S.C.Corbato, H.Y.Dai et al. Evidence for correlated changes in the spectrum and composition of cosmic rays at extremely high energies. Phys. Rev. Lett., 71 (1993) 3401

34. M.Takeda et al., Phys. Rev. Lett., 81 (1998) 1163

35. N.Hayashida, K.Honda, N.Inoue, et al. Observation of a very energetic cosmic ray well beyond the predicted 2.7K cutoff in the primary energy spectrum. Phys. Rev., Lett., 73 (1994) 3491-3494

36. B.N.Afanasiev, M.N.Dyakonov, T.A.Egorov et al. The arrival directions of ultrahigh energy cosmic rays. Proc. 24th ICRC (Rome), 2 (1995) 796-799

37. A.G.K.Smith and R.W.Clay. Cosmic ray anisotropy studies with a small air shower array. Aust. J.Phys.,50 (1997) 827

38. H.Y.Dai, B.R.Dawson, J.W.Elbert et al. Study of broad scale anisotropy of cosmic ray arrival directions from 2-1017 eV to 1020 eV from Fly's Eye data. astro-ph/9806096

39. N.Hayashida, K.Honda, N.Inoue et al. The anisotropy of cosmic ray arrival directions around 1018 eV. astro-ph/9807045

40. P.L.Birmann, J.P.Rachen, T.Stanev. The origin of the highest energy cosmic rays and the large scale structure of the Universe. Proc. 24 ICRC, 2 (1995) 809-812

41. G.Medina-Tanco. Ultra-high energy cosmic rays: are they isotropic? -astro-ph/0009336

42. G.Sigl, D.F.Torres, L.A.Anchorodoqui et al. Testing the correlation of ultra-high energy cosmic rays with high redshift sources. astro-ph/0008363

43. A.M.Hillas, Nature, 395 (1998) 15

44. С.Б.Пикельнер. Кинематические свойства межзвездного газа в связи с изотропией космических лучей. ДАН СССР, 88 (1953) 229-232

45. L.Spitzer. on a possible interstellar galactic corona. Astrophys. J., 1241956) 20-34

46. С.Б.Пикельнер и И.С.Шкловский. Исследование свойств и диссипация энергии газовой короны Галактики. Астрон. ж., 341957) 145-158

47. В.Л.Гинзбург и С.И.Сыроватский, Происхождение космических лучей, Москва, Изд. АН СССР, 1963, 384 стр.

48. А.А.Рузмайкин, Д.Д.Соколов, А.М.Шукуров. Магнитные поля галактик, Москва, Наука, 1988, 279 стр.

49. A.Elvius. Magnetic fields in galaxies as reveald by the polarization of light. Astrophys. Space Sci., 55 (1978) 49-57

50. U.Klein, R.Wielebinski, R.Beck. A survey of the distribution of 2.8 cm-wavelength radio continuum in nearby galaxies. Astron. Astrophys., 133 (1984) 19-26

51. K.O.Thielheim and W.Langhof. Trajectories of high-energy cosmic rays in the galactic disk. J.Phys.A, 1 (1968) 694-703

52. V.S.Berezinsky and A.A.Mikhailov. On the possibility of galactic origin of cosmic rays with energies up to 1019 eV. Proc. 18th ICRC, 2 (1983) 174-177

53. D.N.Pochepkin, V.S.Ptuskin, S.I.Rogovaya et al. Transport of ultrahigh energy cosmic rays in galactic magnetic fields. Proc. 24th ICRC, 3 (1995) 136-139

54. R.J.Rand and S.R.Kulkarni. The local galactic magnetic field. Ap.J., 343 (1989) 760-772

55. A.Broadbent et al., Proc.21st ICRC, 3 (1990) 229

56. V.N.Zirakashvili, D.N.Pochepkin, V.S.Ptuskin et al. Propagation of ultra-high-energy cosmic rays in galactic magnetic fields. -Astronomic Letters, 24 (1998) 139-143

57. D.D.Sokoloff and A.M.Shukurov. Regular magnetic fields in coronae of spiral galaxies. Nature, 347 (1990) 51-53

58. А.А.Рузмайкин и др., Сов. астрон., 22 (1978) 395

59. Т.А.Т.Спулстра, УФН, 121 (1977) 679

60. J.H.Simonetti, J.M.Cordes, S.R.Spangler. Small-scale variations in the galactic magnetic field The rotation measure structure function and birefringence in interstellar scintillations. - Astrophys. J., 284 (1984) 126-134

61. C.F.McKee and J.P.Ostriker. A theory of the interstellar medium Three components regulated by supernova explosions in an inhomogeneous substrate. Astrophys. J., 217 (1977) 148-169

62. А.Л.Лазарян и А.М.Шутенков, Письма в АЖ, 16 (1990) 690

63. С.А.Молчанов, А.А.Рузмайкин, Д.Д.Соколов. Кинематическое динамо в случайном потоке. УФН, 145 (1985) 593-628

64. M.Zelinska and M.Giller. On the anisotropy of the highest energy cosmic rays from the galactic centre. Ргос.24л ICRC, 3 (1995) 156159

65. E.V.Gorchakov, I.Kharchenko, A.Shukurov et al. Ultra-high energy cosmic rays in the galactic corona. Astrophys. Space Sci., 179 (1991) 141-145

66. S.Karakula, J.L.Osborne, E.Roberts et al., Phys.A, 5 (1972) 904

67. A.G.K.Smith and R.W.Clay. Galactic anisotropy above 1 Eev. -Proc.241h ICRC, 2 (1995) 784-787

68. А.Г.Свешников и А.Н.Якунин. Численные модели бесстолкновительной плазмодинамики. Мат. моделирование, т.1, №4,1989, с. 1-25

69. K.Kodaira. Distribution of the galactic supernova remnants. -Publ.Astron.Soc.Japan, 26 (1974) 255-261

70. L.Davis. Anisotropy of high-energy cosmic rays. Phys.Rev.,96 (1954) 743-751

71. P.Blasi and A.Olinto. A magnetized local supercluster and the origin of the highest energy cosmic rays. astro-ph/9806264

72. Горчаков E.B., Харченко И.В. Анизотропия галактических космических лучей сверхвысоких энергий. Астрономический журнал, 1999, Т.76, вып.1, с.45

73. Горчаков Е.В., Харченко И.В. Анизотропия галактических космических лучей сверхвысоких энергий для динамо-модели регулярного магнитного поля. Известия АН сер. физ., 2000, Т. 64, №7, с. 1457

74. Горчаков Е.В., Харченко И.В. Распространение космических лучей сверхвысоких энергий в галактическом магнитном поле. Известия АН сер.физ., 2001, №3, с.444-446