К теории электродинамических процессов в плазменных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

КИХВСЬКИЯ УШВЕРСИТЯТ 1и. ТАРАСА ШНВЧЕККА

РГ6 О

2 1 ¡-ДР 139^ На права! рукогасу

ШЯНОВСЬКИЙ Серг1й Владиславович

ШЕКТИ ВЗАОЮДИ ЯДЕРШХ I юшхтроишптнюс ВИПР0М1НШАНЬ 3 Р1ДКИМИ КРИСТАЛАЫИ

01.04.02 - теоретична ф!зика

Автореферат дисертац11 на здовуття паукового ступеня доктора ф1зико-матеиат1РШИ1 наук

Ки1в - 1994

У19 Ш) Б иМ ¿.ИЪрияЪБ пип 31Ги ригйгтпи011 ИП'П1гг:аи,и Щ аКГГИЗИ'и шшгигптгигп-^

р|- 2 0 Д ъгтлиъ!! '•¡Ъ'СШШЪ гишяниги'и

т Г ! 1''

вдгёТишъ иги адгитезъ

ъиинзгтьшиъщииъ ЪПМППЗРЫгГЬ 8ЬиППРЗИ"и ШШЬЪ •пшгазм иьдм.изгъглпи-

1ГшиЪ^[илп|.р,)п«.Ъ[1 01,04,02 - юЬишЦшЪ Ф^^шсГшрЫГишфЦш^иЛ! q[l!лnL[JJnLЪtJlIpl^ цп1{шпр[} (^¡ппш^шЪ шит|}ЗшЪ[1

ииитп р

Ър1шЪ - 1994

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И НАШ РЕСПУБЛИКИ АНЕШЯ ЕРЕВАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННА ЛШЗРСЖ2Т

На правах рукописи

АВЕТИСЯН АРА КЛРАПЕТОВИЧ К ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАМЕННЫХ СРЕДАХ

Специальность 01.04.02 - теоретическая Физика Автореферат

!

диссертации на соискание учено:7 степени доктора физико-математических наук

Ереван - 1994

Работа выложена на кафедре теоретической физики Ереванского государственного университета

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

член-корреспондент HAH РА Р.М.МУРАДЯН

доктор физико-математических наук профессор Р.С.ОГАНЕСЯН

доктор физико-математических наук Ю.П.МАЛАКЯН

Ведущая организация - ЕРЕВАНСКИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Зайцста состоится 1994 г. в /^Г час

на заседании Специализированного совета Д.055.01.04. при Ереванском государственном университете по адресу:

375049, Ерэван-49, А.Макукян I, Ереванский государственный университет, физический факультет, ауд. 95 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЕГУ . Автореферат разослан " ¿¿¿0/-&Я 199.4 г.

Ученый секретарь Специализированного совета . доктор физ.мат. наук

Р.М.Авакян

ОбЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАбОТЫ

Аетуальндсть_темы. Открытие в 1967 г. уникальных объектов -источников мощного пульсирующего радиоизлучения - пульсаров, стимулировало небывалый поток как наблюдательных, так и теорет ческих работ по исследованию физических свойств этих загадочных небесных тел. Высокая степень поляризации наблюдаемого излучения у большинства пульсаров свидетельствовала о наличии в них сверхсильных магнитных полей порядка Ю*2 Гс. Вскоре было установлено, что пульсары - это вращающиеся намагниченные нейтронные звезда (ННЗ), основы теории которых,задолго до открытия пульсаров, были заложены в известных работах Ландау, Бааде и Цвикки, Оппенгеймера и Волкова, Амбарцумяна и Саакяна и др. Дальнейшее исследование . физических свойств пульсаров и протекающих вне этих объектов процессов основывалось на предположении, что вращающаяся ННЗ, по-видимому, должна быть окружена плотной плазменной магнитосферой, жестко вращающейся вместе с ННЗ. Предполагалось, что именно в плазменной магнитосфере должно формироваться электромагнитное <ЭМ) излучение, причем пульсирующий характер излучения связывался именно с асимметрией формы и физических параметров магнитол сферы в модели наклонного ротатора (дополышР гагнитшл: ттант звезды р- направлен под углом к оси вращения п ).

Теоретические исследования физических свойств вращающихся ННЗ можно разделить на следующие три основных класса задач:

1. Изучение физических процессов внутри ННЗ и развитие представлений о кинетических, термодинамических и электродинамических свойствах сверхплотной вырожденной плазмы (СВП).

2. Исследование физических условий образования устойчивой плазменной магнитосфер вокруг ННЗ, ее динамики и физических свойств.

3. Изучение электродинамических процессов СВП внутри ННЗ, а также в разреженной магнитосферной плазме, поиск всевозможных механизмов генерации когерентных сгустков заряженных частиц -источников наблюдаемого радиоизлучения пульсаров.

Первый класс задач представляет нарастающий интерес с точки зрения корректного определения термодинамических и электромагнитных свойств СВП внутри ННЗ, основываясь на микроскопических

представлениях о физических процессах и используя точные дисперсионные соотношения, а такие аналитические выражения для кинетических коэффициентов СВП плазмы.

Используя параметры нейтронной звезды, можно решить второй класс задач: выявить физические -условия и механизмы образования устойчивой плазменной магнитосферы вокруг НИЗ, ее состав и структуру, геометрическую форму, физические свойства и параметры.

Поскольку почти вся информация о пульсарах получается в результате анализа их ЭМ излучения, то третий класс задач, в основном, сводится к выявлению и исследованию излучающих областей НИЗ, а также поиску возможных когерентных механизмов мощного радиоизлучения пульсаров. В этой связи особенно важны исследования процессов взаимодействия заряженных частиц с ЭМ излучением звезды как в разреженной магнитосферной плазме, так и в СВП внутри ННЗ.

Ц§^ь_и_задача_диссерташи - теоретическое исследование физических свойств вращающихся намагниченных нейтронных звезд и электродинамических процессов внутри и вне этих объектов, в частности:

1. Определение кинетических и термодинамических параметров СВП и обобщение системы магнитогидродинамических (МГД) уравнений почти для всего интервала плотностей материи внутри НПЗ, на-хг'кг/пг.ю температурного распределения внутри ННЗ.

2. Исследование в дреГфовом приближении условий образования, устойчивости и свойств электронно-протонной плазменной магнитосферы вокруг вращающейся ННЗ, определение физических параметров характерных пульсаров.

3 Исследование вопросов поглощения ЭМ излучения произвольной интенсивности электронами плазмы (как в СВП внутри ННЗ, так и в ез магнлтосгерз) в процессе тормозного рассеяния при точном учете кулоновского потенциала и интенсивности волпы, выявление боз:/ол!юсте;'| образования когерентных сгустков электронов - источников сверхизлучэнпя.

4. Изучение процессов взаимодействия электронов с ЭМ излучением в нестационарной плазме, исследование возможностей генерации жестких ¿Г-квантов и их дальнейшего распада - рождения элзктрон-позктрошшх (е+е~) пар при резком изменении плотности плазмы, образования когерентных сгустков или модулированных электронных потоков.

5. Определенно закона дисперсии релятивистской сильно вырожденной плазмы и на основе этого изучение процессов однофотонного ровдения и аннигиляции е+е~-пар в такой плазме внутри Ш-13 .

6. Изучение возможности многофотонного рождения е+е~-пар в плазме обычных плотностей (в частности, в плазменной магнитосфере вращающихся НПЗ) полем ЭМ излучения, а такг.е пульсиругцга периодическим полем в вакууме (вне маиштосаеры ННЗ).

Научная_новизна. В диссертации проведено последовательное теоретическое рассмотрение кинетических, термодинамических и элек тродинамических процессов как в СВП внутри ННЗ, так и в их плазменной магнитосфере в рамках единого микро- и макроскопического подхода. Новизна результатов диссертации отражена в постановках основных проблем, а также непосредственно вытекает из результатов диссертации, среди которых выделим важнейшие:

1. Получены общие аналитические выражения для кинетических', коэффициентов и непрозрачности СВП в единой форме в диапазоне плотностей Ю4 г/см3< р < 2 Ю14 г/см3, что дает возможность обобщать уравнения магнитной гидродинамики для всех фаз вещества внутри ННЗ.

2. В аналитической форме получено распределение температуры ' внутри ННЗ при значениях собственного магнитного поля В>10 Гс и показано, что температура на поверхности НЙЗ' неизотропноо: в полосе 72°< е <108° вокруг магнитного экватора поверхностная температура на порядок ниже по сравнению с температурой в остальных областях (на "магнитных шапках"). Вокруг меридианальных широт ©~720 и э"-1СВ° указанный градиент температуры подчеркивает сильно ■ локализованное электрическое поле с'напряженностью ~ 10С В/см .

3. Впервые последовательно разработана модель электрон-прот тонной квазистационарной магнитосферы вокруг ННЗ в общем случае наклонного ротатора, получена форма и параметры протяженной магнитосферы, найдены функции распределения заряженных частиц и температурное распределение внутри магнитосферы, определены важнейшие физические параметры характерных пульсаров.

4. На основе динамического исследования элементарного акта индуцированного тормозного рассеяния электронов на кулоновскнх центрах при точном учете электрон-протонного взаимодействий бы-

ч:1сдс:ш ¡:оп:Т:1цпент одпо.'Тотошюго поглощзнля слабого ЭМ излучения, а тшс-.о коэгчТ'пщюиты многоготопного поглощения ЭМ излучешш произвольно!": ¡штокспбпосты элзктронамз плазш с произвольным 1 ^улкшямл распределения.

5. Установлена гозмояность образопанпя когерентных сгустков плп модулированных потоков электронов в плазмз при индуцированном взапмодаГствяи с 2М излучением а) в процессе тормозного рассеяния, б) при резком изменении диэлектрической проницаемости плазмы, в) при взаимодействии с полем вращающегося магнитного дпполя.

6. Впервые выявлена возможность рождения е+е~ -пар ЭМ излученном пролзволыюк частоты в нестационарной срэде и показано, что этот процесс не имеет порога по частоте а,! волны и снпматся лзззстное трзбовашге па д^опсрсиго среда:.

У. Б аналитическом виде получен закон дисперсии релятивистской вырожденной плазмы и поресмотроны процессы одаофотонного рождения и аннигиляции е+еГ-пяр в СВП, развит новый подход к изучения многс-фотошюго рождения е+е~-пзр в разреженной плазме.

Пратсгучоскэя ,цотоопъ_работа. Исследованные в диссертации г кроме их общетеоретической ценности, имеют также важное

гюмивэтсмьаоо значение для развития физических представлений о свойствах сверхплотной материя и о происходящих внутри ИСЗ процессах, для выявления уникальных явления в космической илазке при чрезвычайно сильных внешних полях. Полученные результаты могут быть использованы в физике пульсаров, в частности, для решения проблемы радиоизлучения пульсаров.

Использованные в диссертации математические методы позволяют при соответствующем физическом подходе установить уникальные для "наземных лабораторий" новые физические явления и эффекты высших порядков. Полученные в диссертации результаты можно рекомендавать для использования в последующих исследованиях по теоретической физик» и релятивистской астрофизике.

МШ9.3ация^зботы. Научный материал диссертации полностью доложен на научных семинарах кафедры теоретической физики ЕГУ, а также в следующих конференциях и симпозиумах: Советская гравитационная конференция ( 4-ая, Минск, 1986; 5-ая, Москва, 1981;

б

7-ая, Ереван, 1988; "Современные теоретические и эксперимент? жь-ные проблемы теории относительности и гравитации"). Международная гравитационная конференция ( 7-ая, Канада; 9-ая, йена). Международный симпозиум < Ереван, 1977; "Переходное излучение частиц высоких энергий"), I Всесоюзный симпозиум ( Ереван, 1980; "Теория сверхплотных небесных тел"). Всесоюзная конференция (Ереван, 1989 "физика космической плазмы"), 5-ая Международная конференция по многофотонным процессам ( Multiphoton processes ICCMP V .Paris , 1990 ), 8-ая РосспГская гравитационная конференция,Пу;н;п:о, IS93.

Щблжацш. Основные результаты диссертации опубликованы. в 28 научных работах.

Структура_и_обмм_дассертацш. Диссертация состоит из введения, пяти глав (включающих 26 параграфов), приложения (из двух частей), заключения. Объем диссертации 217 страниц (8 рисунков, 2 таблицы, библиография из 300 наименований на 14 страницах).

^введении дан краткий обзор современного состояния теории •■ вращающихся ННЗ, проведен анализ научных работ по исследуемой проблеме, обоснована актуальность исследуемых проблем и выбор темы диссертации, дана постановка задач и их взаимосвязь, раскрыта научная новизна.

Первая глава диссертации посвящена исследованию кинетических и термодинамических свойств СВП внутри ННЗ при плотности вещества Ю4 г/см3< р <2 Ю14 г/см3. Показано, что ионы в и "Дгк?" . фазах ядерной материи составляют "больцмановскую жидкость", п СВП-внутри ННЗ во всем интервале плотностей можно считать "лоренцовой плазмой" (возможность кристаллизации внутри ННЗ исключается).

С учетом ион-ионных парных корреляций, используя релятивистское выражение для вероятности рассеяния электрона на ионе, найдено общее для всего указанного диапазона плотностей выражение для транспортного времени электрон-ионных упругих столкновений

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

с, _е

(I -порядковый номер, А - атомный вес, р6 = 10 р р - плотность вещества). На основе (I) получены аналитические выражения для кинетических коэффициентов СБП (электропроводность, теплопроводность, вязкость и непрозрачность).

Решению задачи о переносе энергии и распределении темпорату-ры внутри ННЗ посвящена вторая часть первой главы. В соответствии с условием т1г «I ( - электронная циклотронная частота) изучено влияние внутреннего магнитного поля ННЗ на выражения кинетических коэффициентов, в частности на непрозрачность СВП (во всей области плотностей и температур ННЗ она обусловлена, в основном, электронной теплопроводностью). При В £ 108 Гс влиянием магнитного поля на кинетические коэффциенты можно пренебречь и везде внутри СВП непрозрачность представить.в скалярной форме:

^^ЯО^тУ&и^Г; В^о'гс . (2)

При в »10® Гс шст1 >1 и непрозрачность СВП дается тензором:

в»ю*гс. (3>

С учетом выражений (2) и (3) интегрирована система уравнений переноса энергии с граничным условием на поверхности ННЗ >:я=0,167 при плотности р 2: ТО4 г/см3 (параметра релятивизма электронного газа к = - энергия Ферми электронного газа). При этом

приняты следующие упрощения: источники эффективного энерговыдэлз-ния распре долены в "про" фззо, поэтому |_г~ Ьк=4пкй'£>-втя4 { тк -яркостная температура ННЗ), Мг ~ Мн ( радиус изотермичного "пре" ядра мало отличается от радиуса сверхплотной звезда) и, наконец, пренебрегается влияние собственного гравитационного шля на определение температуры (поскольку формула т°=ТгЧ-2вмг/гс2]-^/'2 для истинной температуры с учетом гравитации дает максимальное различие от обычной Т в 8 % на границе "пре" фазы).

При В ^ 108 Гс интегрирование системы уравнений переноса энергии в сферически-симметрической форме с учетом выражения (2) приводит к следующему аналитическому выражению для температуры в зависимости от параметра релятивизма в интервале 0,1675 х < 230:

г

Здесь Тив=Ю_6Тй , , МзЭ=10_33М •

то

При в^Ю Гс уравнения переноса с учетом (3) удается аналитически интегрировать из-за малости меродианальной компоненты по сравнению с радиальной. В результате, для т поперек магнитного

поля получается следующее выражение внутри ННЗ (вдоль б распределение Т не зависит от в и дается формулой (4) ):

Связь между поверхностными температурами на магнитном полюсе (Тн) и на магнитном экваторе (тв) определяется формулой

Тл - /дж-.в£-тл • (6)

В пределах тонких сферических полос вокруг широт и »г=108°

имеется резкий температурный градиент, который генерирует эл&кг-рическое поле

В = 1, б Ст/<£р) ~ 106 В/см. (7)

Во^торой_главе разработана теория электрон-протонной невырожденной магнитосферы вокруг вращающейся ННЗ в модели наклонного ротатора. Выяснена физическая картина движения заряженных частиц в магнитосфере в дрейфовом приближении.Установлено, что дрейфовая траектория "ведущего центра" частицы является финитным (результат подтвержден численным анализом на ЭВМ). Движение вдоль магнитной силовой линии происходит в достаточно глубокой потенциальной яме, глубина которой стремится к "» сг/2 по мере удаления от звезда. Найдена геометрическая форма поверхности, в виде симметрично расположенных вокруг оси вращения звезда двух "рупоров", плавно смыкающихся друг с другом в экваториальной плоскости. Определены геометрические размеры магнитосферы, вычислены важнейшие физические параметры характерных пульсаров.

При условии сильной замагниченности электрон-протонной плазмы

« тр » 1 ( и>р- ларморовская частота, а - среднее время передачи имцульса для протонов) и при выполнении условия » л , (¿-г - линейные размеры потонцизлыюй ямы вдоль силовых линий, а

- длина свободного пробега электрон-протонных столкновений) установлено равновесное больцмановское распределение заряженных частиц'вдоль магнитных силовых линий, определены толщины магнитосфер вдоль 6 для разных ННЗ в зависимости от температуры плазмы.

Утечка частиц из магнитосферы корректно учтена на основе уравнения диффузии. Исследованы механизмы эффективного нагрева, а такх:е остывания (за счет теплоотвода) магнитосферной плазмы, на основе чего выявлено температурное распределение для характерных пульсаров:для быстро вращающихся пульсаров температуру внутри магнитосферы с большой точностью можно принять постоянной (в част кости, для Р&Ю532 получено Т*6-104 ), а для сравнительно медленно вращающихся пульсаров следует корректно учесть координатную зависимость Т <п при решении уравнения диффузии (например, для г-зы7сб в начале магнитосферы Т ~ 5>104, далее Т спздает до 1С4 на расстояниях в 5 т 6 раза превышающих внутренний размер магнитосферы,а в самой конце ее, у светового цилиндра Т достигает значения 10°). Найдено радиальное распределение частиц в маг нигссфоро и вычислены важнейшие физические параметры характерных пульсаров.

Тштья _глаза_Д1Иссортации посвящена исследованию вопросов поглощения ЭМ излучения электронами плазмы при тормозном рассеянии на кулоковских центрах, а также усиления ЭМ излучения направленными потоками электронов. В приближении теории возмущений по полю 'слабой ЗМ волны найдена точная по кулоковскому полю волновая фуныр'я электрона при тормозном рассеянии на кулоновсжих центрах. При этом, решение уравнения Ыредингерэ разлагается по полной системе кулоковских функций, описывающих состояние электрона с определенным значением импульса электрона на бесконечности. Найденная таким образом волновая функция электрона содержит фазу состояния частицы на асимптотически больших расстояниях, которая ответственна за когерентные явления, в частности, квантовую модуляцию плотности потока заряженных частиц.

Вычислены коэффициенты однофотонного поглощения (КП) плазмы в случаях изотропного и анизотропного распределения электронов по

скоростям. Для жестких квантов ьо> » с«> { <«>- средняя энергия электрона) процесс вынужденного излучения сильно подавлен, так что происходит, в основном, индуцированное тормозное поглощение, что может привести к нагреву плазмы. В отличие от борновского приближения, когда КП жесткого излучения не зависит от характерных величин (а также изотропности) распределения электронов по скоростям, при точном учете кулоновского потенциала указанные характеристики важны для окончательных результатов: КП зависит от начальной скорости частиц и для медленных электронов, когда

а» 1 ( а^ |0е|/т>в/Ь2 , 1,^= У~2яГД/Ь ), КП ЭКСПОНеНЦИаЛЬНО

убывает: о. "" е>:р<-2па/ка) .

Установлено, что по мере возрастания энергии фотона отрица -тельное поглощение все подавляется и при ь« < «о оно вообще отсутствует. При точном учете кулоновского потенциала угловые и энергетические разбросы эчектронов в пучке 1гесу.",зстЕз:::ш для ГСГГ при тормозном рассеянии (в отллчие от компто;гог,ского КП).

Однофотонный КП жесткого излучения в изотропной плазме исследован для а) максвелловского распределен™ (классическая горячая плазма в магнитосфере ННЗ с Т>ТГ. тр- температура вырождения), б) распределения Ферми-Дирака (вырожденная плазма внутри ННЗ, Т«ТГ ), в) ¿-подобной функции распределения (моноэнегети-ческий пучок релятивистских частиц).

Для высокотемпературной максвелловской плазмы при условии квт » ь« » ь2<\/2'7>„ однофотонный КП жесткого излучения дается выражением (// плотности ионов, электронов, гсл->-Гамма-функция):

Т.е. при точном учете кулоновского потенциала электрон-протонного взаимодействия КП с возрастанием температруы убывает медленнее (а ~ у-1 ), чем в борновском приближении ( а ~ ;пт/тэх2 ).

Если взаимодействие электронов с протонами имеет классический характер, то одноквантовый КП жесткого излучения экспоненциально мал, независимо от конкретного вида функции распределения электронов. В отличие от борновского приближения (КП жесткого излучения, как слабого, так и интенсивного, не зависит от функции распределения электронов), при точном учете кулоновского потенциа-

ла КП чувствителен к конкретному виду функции распределения.

Вышеуказанные вопросы исследованы такие для случая интенсивного ЗМ излучения в низкочастотном приближении, которое, кстати, в релятивистской области выполняется для частот вплоть до жестко . рентгеновского диапазона даже при незначительном релятивизме. В рамках низкочастотного приближения (в процессе рассеяния электрона на статическом центре фаза ЭМ волны не меняется) исследовано нелинейное поглощение (излучение) интенсивного ЭМ излучения в плазме при классическом процессе рассеяния . Исследовано поглощение интенсивного излучения релятивистским пучком электронов при тормозном рассеянии на кулонозских центрах, которое существенно зависит от поляризации ЭМ волны. Для линейно поляризованной ЗМ волны усиление излучения, как и в случае однофотонного взаимодействия, имеет место, когда пучок распространяется внутри конуса с осью, параллельной вектору поляризации волны и с углом раствора к Вне области указанных углов пучок всегда поглощает энергию из волны, причем максимальное поглощение происходит, когда пучок электронов и волна распространяются в одном направлении. Оолзсть углов падения пучка, когда происходит усиление цирку лярно поляризованного излучения, намного больше, чем в случае „глиэйкой поляризации. Усиленно циркулярно поляризованного ЭМ излучения релятивистски,-.», пучком электронов возможно, когда угол па-цония пучкэ находится мэаду поверхностями двух коаксиальных конусов, оси которых совпадают с направлением распространения волны. О возрастанием скорости электронов в пучке, как углы растворов конусов, так и телесный угол между поверхностями конусов уменьшается. Вые указанной области имеет место поглощение ЭМ излучения, 'пркчзм оно максимально, когда цучок падает в направлении распространения волны.

Исследованы особенности нелинейной зависимости скорости поглощения энергии в зависимости от интенсивности волны (приводятся графики численных расчетов на ЭВМ). Показано, что общепринятая зависимость скорости поглощения энергии от сильной волны Г ~ I/? для нерелятистского пучка верна для интенсивностой ЭМ волны при ? « 1. Когда к ~ 1, этот закон уже неприменим, в частности, при ? »1 V имеет логарифмическую зависимость от поля волны.

Для релятивистских пучков при не очень больших интенсивностях

ЭМ волны ( с, « ^/с) , г - Лоренц-фактор, ^ - единичный

вектор вдоль Ё ) зависимость Г от напряженности поля ЭМ волны квадратично. Однако как только ? » г, зависимость Г от поля ЗМ волны опять логарифмическая (как и в нерелятивистском случае ).

Численный анализ полученных аналитических выражений показывает, что скорость поглощения энергии от ЭМ волны нерелятивистским пучком имеет максимум по интенсивности волны при для релятивистского же пучка такой максимум отсутствует. При малых иктенсивностях ЭМ волны поглощение излучения нерелятивистскими электронами эффективнее, чем релятивистскими, а при больших ин-тенсивностях (? » 1) ситуация противоположная.

В_5§И§Етой_главе изучены свойства нестационарной плазмы и электродинамические процессы, протекающие в такой плазме (конкретно -в магнитосфере пульсаров) в поле ЗМ излучения. Получены Формулы, аналогичные формулам Френеля для воли в среде, диэлектрическая проницаемость которой резко меняется во времени. Рассмотрено взаимодействие заряженных частиц в плазме с таким спектром волн, частота которых определяется величиной изменения диэлектрической проницаемости плазмы и простирается ватать до частот жестких г -квантов (порядка энергии частиц). После выхода из области взаимодействия электроны оказываются сгруппированными в результате. классической модуляции скоростей.

Вычислены вероятности многофотонных свободно-свободных переходов электронов нестационарной плазмы под действием спектра волн образованных в результате скачкообразного изменения диэлектриче-кой проницаемости среды. Показана еозмонкость квантовой модуляции плотности потока электронов в зависимости от величины относительного изменения диэлектрической проницаемости: при Т. в результате вынужденного поглощения-излучения квзнтов частоты

= -/Г'« соф (9 - угол между скоростью электрона и нап-

равлением распространения волны), поток электронов модулируется на частоте о1 с глубиной г1= 22 где

а ¿^^максимальное изменение импульса электрона при штдутаровац ном взаимодействии с ЭТ.! излучением в нестационарной плазме. Из-за нестационарности среда, в этом процессе происходит также чисто временная модуляция с периодом Т =4тх Сс ъ«2 (Е- V /с2 > а

* О 1 о о *

При с/£2< I оценка глубины модуляции в нестационарной плазменной магнитосфере дают ~ Ак <тс/Ъи>а> ~ "-0,1 уже при ? ~ , что соответствует напряженности Е 103 В/см на длине волны х ~ 1мкм или Е ~ 102 В/см на длине волны х 10 мкм.

, _о

При этом пероид временной модуляции составляет Т, " 10 о для средней энергии электронов <<§><,)> ~ I Мэв.

При » I следует учесть также процессы поглощения и

иалучения жестких квантов с частотой о2 = 2&о/ь , тогда для глубины модуляции получается выражение

<10)

а для периода временной модуляции - Тг = . Для вышеприведенных значений параметров имеем:* тг - , г% 10"^ к • При определенной величине изменения диэлектрической проницаемости магнигосферной плазмы глубина модуляции может стать немалой величиной, тогда такой модулированный пучок мокет стать источником когерентного излучения, что, по-видимому, необходимо для объяснения наблюдаемого радиоизлучения пульсаров.

Во второй части этой главы исследован процесс рождения е^е" пар в поле ЭМ излучения в нестационарной плазме. Известно, что только в среде с показателем преломления п(*) < 1 поперечный фотон приобретает эффективную массу (формально - "массу покоя"), необходимую для его распада на частицы, с массами покоя. Оказы-гаэтся, что в нестационарной среде снимается такое требование на дисперсию и рождение пары возможно в среде с произвольной дисперсией. Второе принципиальное отличие от случая рождения пары в стационарной плазме заключается в том, что в нестационарной среде процесс беспороговый - рождение пары возможно поперечной ЭМ волной произвольной частоты (разумеется, в пределах дисперсии среды), так что амплитуда вероятности отлична от нуля уже в первом порядке по полю (в стационарной плазме она отлична от нуля в лмэм порядке, ы » 1 ).

На основе модели Дирака, принимая, что взаимодействие с ЭМ волной происходит толко с электронами вакуума, найдено решение уравнения Дирака в первом порядке теории возмущений по полю волны при условии (1 + V >? « 1 ( ? = ей/тс , а - амплитуда век-

торного потенциала ЭМ волны) и получены энергетическое и угловое распределение вероятностей, полное число образованных пар поперечной волной в сильно нестационарной среде. Полагая w2ciAj < 4л? и учитывая, что для практически реализуемых значений диэлектрической проницаемости, энергии электронов в плазменной магнитосфере и для частот ЭМ излучения звезды можно принять о> У < 2», то для полного числа е+е~-пар в единичном объеме, рождаемых из-за нестационарности плазмы, можно использовать простую формулу:

В_ПШ>?_главв исследованы два механизма рождения о+е~-пар в плазме. В первой части пересмотрен процесс однофотонного рождения и аннигиляции пар в сверхплотной вырожденной плазме, впервые предложенный и развитый Г.С.Саакяном. Показано, что характерной длиной макроскопического описания дисперсии среды является соответствующая передатшому импульсу Ар = с1-л(<л) ъо>/с длина волны \ = ъ/др , которая по крайней мере должна превзойти среднее расстояние между частицами в плазме: ы&р > ( л^ - плотность электронов). Это условие снизу ограничивает плотность плазмы для данной частоты ^-кванта: ш < ли1/3 = со^ . Второе ограничение,

накладываемое на плотность плазмы, определяется законами сохране-

+ —

ния для процессов г е +- е в среде с показателем преломления п(ы) <1 и приводит к следующему порогу реакции

Поскольку дисперсия поперечных ЭМ волн определяется электронами, а, согласно результатам первой главы, внутри СВП удовлетворяется условие «т1г» I (т1г- транспортное время электрон-ионных упругих столкновений в плазме), то закон дисперсии релятивистской (энергия Ферми электронов > т^с) бесстолкновительной плазмы в общем виде получается из самосогласованных уравнений Максвелла-Власова в поле плоской поперечной ЭМ волны:

(И)

со > 2m[i-/z(có)YV3.

(12)

Дисперсионное соотношение для сильно вырожденного релятивистского электронного газа получается из выражения (13) в следующем виде:

»'-НтЬ&Ф1 <и>

Получена полная вероятность однофотонного рождения е+е -пар в сверхплотной плазме и показано, что с учетом точных дисперсионных соотношений и принципа запрета Паули область протекания реакции г - е+ + е~ практически стягивается в точку и вероятность однофотонного рождения е+е~-пары зануляется (при ^ 15(Ьс2, открывается узкая область протекания реакции г - е+ + е-, однако поскольку tF ~ гУа, как и среднее расстояние между частицами, то процесс протекает на грани применимости макроскопического понятия показателя преломления).

Используя закон дисперсии СВП, вычислена полная вероятность аннигиляции е+е~-пар в вырожденной сверхплотной плазме, выражение которой упрощается в случае аннигиляции нерелятивистского позитрона с электронами плазмы Щ <</п) :

Из условия порога реакции (12), с учетом закона дисперсии (14) получается условие шр1 > 2/лв, что равносильно условию «г > 36т или порогу по плотности : п> 3 1034 см-3 (как и в случае рождения пары). При г?в ~ 1035 см-3 из (14) имеем у/ ~ Ю19 с-1 .

Во второй части исследовано многофотонное рождение е+е~-пар в плазме обычных плотностей в поле интенсивной ЭМ волны. В этом случае из-за многофотонности процесса снимается порог по частоте волны и вместо него фигурирует порог по числу фотонов

(16)

где л/ . = -/шГ % 2,9 1016/Ул~ - минимальная степень мно-

тип ♦ е

гомотопности процесса. При этом уравнение Дирака сводится к уравнению типа ;/:атье, которое точно не решается, поэтому много-¿отопкая вероятность рождения пары получена в первом иеисчезаа-: щем порядке теории возмущений по малому параметру еД/си (А -амплитуда векторного потенциала волны). Как и следовало ожидать,

из общего выражения дчя вероятности много?отоппого ро~дз:и:я пари пря N~1 получается результат од::о.".ото;;::сго процесса.

Получена вероятность много; отонг.ого рождения е+е~ -пар периодическим по времени электрическим полем в вакууме (вне магнитосферы 'НПЗ) для общего случал рождения частиц в пропзволь:шх направлениях .

В_при-яоженш__1 исследовано взаимодействие релятивистских

электронов магнитосферы с полем магнитного диполя ННЗ (в моделях симметричного и наклонного ротаторов) и полем ЭМ излучения, показана возможность квантовой модуляции плотности потока электронов на частотах вращения магнитного диполя и ЭМ излучения звезды, а также на их комбинированных частотах в результате как спонтанного, так и индуцированного взаимоде: ствия с указанными поллглл.

В_1Шилржении__2 рассмотрен эффект квантовой модуляции плотности потока электронов на частоте стимулирующего излучения, благодаря индуцированному тормозному рассеянию электронов на протонах магнитосферной плазмы. Получено выражение для плотности тока вероятности электронов в однофотонном процессе BIP при точном учете электрон-протонного взаимодействия.

В_заключении диссертации сформулированы основные результаты:

1. На основе релятивистского выражения вероятности иvicrpoH-ионного упругого рассеяния вычислено транспортное вг^ми в CBII с учетом ион-ионных парных корреляций и получены аналитические выражения для кинетических коэффициентов и непрозрачности плазмы в единой для всего диапазона I04 г/см3 < р < 2 10 г/ск3 форме, в зависимости от напряженности магнитного поля ННЗ.

2. В аналитической форме интегрирована система уравнений переноса энергии внутри СВП и установлено, что сердцевина ННЗ изотермична вплоть до слоя с 3 I08 г/см3, а при р « 3 Ю^г/см3 температура СВП интенсивно понижается особенно поперек магнитного поля звезды: в полосе с угловым раствором "36° вокруг магнитного экватора поверхностная температура ННЗ на порядок ниже чем в в остальных областях. Значительный температурный градиент вокруг меридианальных широт & = 72° и » » 108° генерирует локальное электрическое поле с напряженностью ~ I06 В/см.

I,

17

3. Разработана теория квазистационарной электрон-протонной магнитосферы вокруг вращающихся ННЗ в модели наклонного ротатора: в рамках дрейфовой теории и при условии замагниченности плазмы построена модель квазистационарной магнитосферы, получены функции распределения заряженных частиц вдоль и поперек дипольного магнитного поля, изучены эффективные механизмы нагрева плазмы и каналы отвода ее энергии, на основании чего определено распределение температуры в магнитосфере, вычислены важнейшие параметры характерных пульсаров.

4. Получен коэффициент однофотонного поглощения слабого ЭМ ■ излучения электронами в плазменной магнигосфере в процессе тормоз

ного рассеянии на протонах, при точном учете кулоновского потенциала. Вычислен также коэффициент поглощения жесткого излучения изотропной плазмой и показало, что при точном учете потенциала электрон-прото:шого взаимодействия коэффициент поглощения зависит от характерных параметров плазмы (в отличие от результатов в борцовском приближении).

5. Вычислен коэффициент нелинейного поглощения ЭГ.1 излученш произвольно!' интенсивности релятивистскими электронами плазш в низкочастотном прнблияэшш. Показана возможность усиления ЭМ излучения направленным потоком электронов в магнитосфере ННЗ благодаря тормозному рассеянию.

6. Показана возможность образования когерентных сгустков заряяешшх частиц, а такав модулированных в широком диапазоне частот потоков электронов в магнитосфере ННЗ - источников сверх-пзл.тчения звезды при а) тормозном рассеянии электронов в стацио нарноГ плазме, б) индуцированном взаимодействии нестационарной плазмы с ЗМ излучением, в) спонтанном и индуцированном взаимо-дй'"ствни релятивистских электронов с полями вращающегося магнитного диполя и 3" излучения звезды в моделях симметричного и наклонного ротаторов.

7. Показана возможность генерации жестких <Г-квантов и рождения электрои-позптроипых пар Эы излучением в плазме, плотпосз которое: резко меняется во времени. Из-за нестациопарпости процес оказывается беспороговым по частоте волны. Получены энергетическое п угловое распределения одпооотонпого рождения пар в нестационарной плазме.

8. На основе самосогласованных уравнений- Максвелла-Власова найден закон дисперсии релятивистской бесстолкновительной плазмы для произвольной функции распределения частиц, в частности - СВП с сильно вырожденной электронной компонентой. Показана, что полная вероятность одноквантового рождения е+е~-пар в СВП практически зануляется: область, »F > I50e, где, в принципе, возможно одноквантовое рождение пары, находится на грани применимости макроскопического понятия дисперсии. Вычислена вероятность однокван-товой аннигиляции е+е~-пар в СВП и показано, что этот процесс возможен при > 36^ { рв > 3 I034 см-3 ).

9. Исследовано многофотонное рождение е+е~-пар в плазме обычных плотностей полем ЭМ излучения произвольной частота. Вычислена дифференциальная и полная вероятности многофотонного рождения пар в первом неисчезающем порядке теории возмущений по малому параметру ей/«. Получены также вероятности многофотонного рождения е+е~-пар однородным периодическим электрическим полем в вакууме для общего случая, когда частицы рождаются в произвольных направлениях.

1. Аветисян А.К., Седрэкян Д.М., Магнитогидродинамика pjti;>.v;; в коре нейтронной звезды. Астрофизика, 1987, 26, с. ■u?:- .vn.

2. Аветисян А.К., Седракян Д.М., Профиль температуры внутри нейтронной звезды. Материалы 7-ой Всесоюзной конф. "Соврем, теор. и эксп. пробл. ОТО и гравитации", Ереван, 1988. 2 с.

3. Аветисян А.К., Седракян Д.М., Профиль температуры внутри намагниченной нейтронной звезда. Астрофизика, 1990, 32, с. 291-302.

4. Авакян P.M., Аветисян А.К., Алодаанц Г.П., Саакян Г.С., Седракян Д.М., Чубарян Э.В., Магнитосфера барионных звезд. I.Симметричный ротатор. Астрофизика, 1975, II, с. I08-I2I.

5. Авакян P.M., Аветисян А.К., /иоджанц Г.П., Саакян Г.С., Седракян Д.М., Чубарян Э.В., Магнитосфера барионных звезд. В. сб. "Релятивистская астрофизика", Минск, 1976, с. 41-43.

6. Аветисян А.К., Магнитосфера барионных звезд. Препринт ФФ ЕГУ, Ереван, 1979, 20 с.

7. Аветисян.А.К., Магнитосфера барионных звезд. II. Наклонный ротатор: Астрофизика, 1979, 15, с. 135-153.

8. Аветисян А.К., Алодаанц Г.П., Седракян Д.М., Магнитосфера вра щзющихсф барионных звезд. В сб. "Вопросы теории сверхплотных небесных тел", Ереван, 1984, 14 с.

9. Avetissian Н.К., Avetissian А.К., K.Z.Hatsagortsian, S.V.Mc sisian, The classical dinamics of SB in the Coulamb field. Phys, Lett., 1986, 117, p. 113-117.

10. Аветисян А.К., Мовсисян С.В., Ускорение заряженных частиц npi вынужденном тормозном рассеянии в плазме. Тезисы докл. всесоюз, конф. "Физика космической плазмы", Ереван, 1989, с.128-129.

11.Avetissian Н.К., Avetissian А.К., Jivanian Н.А., Movsisian S.V Ultrastrong EM wave absorption by an electron beam due to bremsstrahlung process. Int. Conf. Multiphoton processes ICOCP V, Paris, 1790.

12. Avetissian H.K., Avetissian A.K., Movsisian S.V., The exa consideration of Coulumb potential in one-photon SB. J. Phys. B, 19*70, 23, No.20, p. 3311-3326.

13.Avetissian H.K., Avetissian A.K., Jivanian H.A., Movsisian S.V "The effect of intense Eli wave in the dinamics of stimulated Bremsstrahlung ", J Phys. В., 1992, v.25. 3201-3215.

14.Avetissian H.K., Avetissian A.K., Jivanian H.A., Movsisian S.V "Nonlinear absorption of intense laser radiation by electron beam due to stimulated Bremsstrahlung " J Phys. В., 1992, v.25. 3217-27.

15. Аветисян Г.К., Аветисян A.K., Петросян Р.Г.., Вынужденный пе реходный эффект в пространственно-однородных нестационарных средах. Труды, межд. симп. "Переходное иалучение частиц высоких энергий", Ереван, 1977, с. 480-487.

16. Аветисян Г.К., Аветисян А.К., Петросян Р.Г., Вынужденное взаимодействие заряженных частиц с электромагнитным излучением в среде с нестационарными свойствами. ЖЭТФ, 1978, 75, с. 382-390.

17. Аветисян Г.К., Аветисян'А.К., Седракян Х.В., Процессы

г ** е+ +е~ в сверхплотной плазме. Многофотонное рождение е+е~-пар в лабораторной плазме. Всесоюз. конф. "Физика космической плазмы", Ереван, 1989, с. 27-28.

18. Аветисян А.К., Петросян Р.Г., Седракян Х.В., Образование жестких квантов и е+е~-пар в нестационарной плазме. Всесоюз. конф. "Физика космической плазмы", Ереван, 1989, с. 25-26.

19. Аветисян Г.К., Аветисян А.К., Седракян Х.В., Рождение е+е~-пар поперечной электромагнитной волной в нестационарной среде ЖЭТФ, 1991, 100, с. 28-35.

;0. Аветисян Г.К., Аветисян А.К., Седракян Х.В., Рождение и анни-■илявдя электронно-позитронных пар в плазме. ЖЭТФ, 1988, 94, с. 1-26.

1. Аветисян Г.К., Аветисян А.К., Седракян Х.В., Многофотонное ождение е+е~-пар в плазме поперечной электромагнитной волной. ЭТФ, 1991, 99, с. 50-58.

2. Аветисян А.К., Взаимодействие заряженных частиц с полем вра-зющегося магнитного диполя в присутствии электромагнитного излу-ения. Препринт ФФ ЕГУ, Ереван, 1979, 18 с. 79-01.

3. Аветисян А.К., Папоян В.В., Аксиально симметрические решения равнений Эйнштейна и Максвелла. Тезисы докл. 4-ой советской гра-лт. конф., Минск, 1976.

1. Аветисян А.К., Взаимодействие заряженных частиц с полем вра-эющегося магнитного диполя в присутствии электромагнитного излу-зния. Астрофизика, 1980, 16, с. 285-303.

5. Avetissian A.K., Minassian М.Н., Papoyan V.V., Magneto-Dipole Dnfiguration in General Relativity. Astrophys t< Space Sei., РЗО, 69, p. 71-77.

3. Аветисян A.K., Аветисян Г.К., Об одном когерентном механизме злучения пульсаров. Тезисы докл. 1-го Всесоюз. симпоз. "Т'-прик зерхплотных небесных тел", Ереван, 1980, 2 с. 7. Аветисян А.К., Аветисян Г.К., Излучение модулированного пучка эряженных частиц в магнитосфере пульсаров. Тезисы докл. 5-ой )ветской гравит. конф.. M., 1981.

I. Avetissian A.K., On the possible source of coherent emission Pulsars. 9-th Intern. Conf. on General Relativity & Gravita-on, Jena, 1980. p.2

И и И Ф 11 г

БЬши'^иЛтрЫ! лшпиПтаирр^шЬ Ь"и ^иил^тх сГск^ши^шЪ "ЬЬJtпpn\JшJll\l шшпг^р^ /Ц"иИ/ 1|Ьрши1ци{шЬ ^Ьр[и[н1 ици^^ш^ />!/<•';1/ 1Ц1ЪЬиф1|и11шЪ к £ Ьр-г^¡^1 "Ьи 1Г[1'"й ^ип^пьр зпиЪЪЬрц , щои^п^ 1ГШ 2пЧ1£ г\п(^ЬЦтрп'и-щрптпХш^Ъ (Гшс^шп ирт[1 тЬигар JП|Л[], 1ГШ ц'иг^ЬррпиГ Ь. 1Гшс^[1игц_пр~ ппиТ рЪТидпц Ь |_Ь![шрчлГш^'и[1иш11ш'и ЬplLnLJ[:l\lЬpQ {

итшд^шЬ ЬЪ Ц"и11 "иЬрипиГ Ч^Ч ^прЬи![11дЪ11р|1 Ь. шЪ[)шфшЪ

дЬцт|.р,)иЪ шрсш^ш.цпщ.р ^цЪЪЬрр ^¿пици,)^ "иJпц[>[и тт. [5Jпц тррги.jPrn.iT, ¿ЬрЦ'шипрОп'ир ри^М^гир ги^р 1ГШ р'ЦЬррпцР "иЬрр[1"и

P,upqиg^|шЬ t 1'1иш1(пг1 1ГЩ 2п|-Р2 Е^шс^штшд^п'ишр ^и^Яфищприф тЬ-ит[11)П1.Ъ[1 рЬр и"иш'.цЛ ппшшшпр[1 рЪг^иЪщ.р ^Ьп[рпиГ, прг^шЬ ЬЪ p\JnLПuJq[^ulí^u]■u щпи [иирЪЬр11 ^шркпри^т. J\| СфсЦиц^цЛ щшрилГЬтрЬрр :

2,Ь|л1^т,и{и1Ь ЬЪ ^ииГш.р^ш'и ри^чЛш'и •Тт.'иЦдри^т! ици^и^пиГ юрпЪЪЬрр 1Г[к.|ОпппЪ /ргал. ш^'С!1 цЬщр/ Ь. ри^1ГшОтлпЪ /1[иЛЪ .¡ш^шЪ шЬ'ии1[пLГ>г^Ьщр/ 1цш'ип111"иЬр[1 qnp&шt^[1 дЪЬрц р^п^д^шЬ шр-

^ЬциЦшд[1Ъ дрЛЪЪ bpli.nL ^пиР ^ш1Гши[1тлши[ии"и111ршр дрсГшЪ ^п^шЪ ^п-

шЬЪдрицД! О2ГI1 ш к дшЬр 'шОи^ииJ[1 "и 1Гтл1щ1прп|.р ,)илГр:

£п|^д £ 1лр1[шЬ £ 1_Ь1{прп'иЪЬрр Цп^ЬрЬЪт [щГрШ1} лрпиГ'иЬрр ^илГ цршЪд

1Гпг|П|. 21Чи,рЬ ипи^ид^ыЪ 1ЪшрШ1[прп1.рзпьЪр I; ^ЫцприьГц^'ир ишЦшЪ

Сипиаи^ЦЧЛ р^га^д^шЬ ^рин-^СЗ"!-1^4

ш/ ц^ш^1!.! дрЦ'ш'и Ьркщ. ^пиГ, р/ п^-шпидрпЪшр ици^Ли,)пиГ,

ц/ цпи^п^ ^Ц- г}.ш2^Ьр[л '¡Ьш |['п[иш^Ьдп|.рqbqgm.iT

8nLJg £ тр^шЬ п2т ¿р-54шип'иЬр[1 ипш^шдпиГр п£-иишд[1п1шр ицик!-

1Гш,)П1.1Г к qpш'Ug ЯЬь-иж^и трп^пиХр е+е--Чп|-.(Ч^рЬ'

Цтид^иЬ Ь п.Ь ЦЬршиЬр^шЬ шЪрш[ип|. 1Г"иы[щикцГш,)^ ицЬр—

ири.]р орЫюр рЪг^иЪгир пЬирт[, прр ЧрьГш'и uJ2ll^^u,^, е+е— "" qnLJqЬ■p^l ири&гшп^ ЬЪГи'и к ш'ЦИр .цидри^р '¡ш^иЪш'^иГищ.р ,|П|.1Л1Ьрр :

2,ш21}11шЬ е+е~^т. ^Ьрр ригс^шйшлп'и ЬЧиГшЪ ^ии1иЛ||з11ш'ип|.р ЪЬрц ип^приЛциЪ ¡и1лп|.р ^иЪЪЬрр^ ици^и^пиГ /^и^'ирип [пршпиГ/ 1{И1Ги^и1-^шйш^иш.р1;1Г Йити^ш ^Л'ш'и qui2tnrn.iT:

Сдано в производство 14.Об.1994г. Буи. 60 х 84, печ. 1,5 л. Заказ 25 Тиран 80

Цех Ротапринт Ереванского госуниверситета, Ереван, ул. Ал.Манукяна К.» I.