Комптоновское рассеяние и синхрокомптоновские котлы в ядрах активных галактик и квазаров тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ



МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ л/^

им. М. В. ЛОМОНОСОВА /

Па правах рукопи-"п

ЧАРУГИН Вшиор Макси.овнч

УДК 524 7 52-Г>

КОМПТОНОВСКОЕ РАССЕЯНИЕ И СИГ.ХРСКОМПТОНОВСКИЕ КОТЛЫ В ЯДРАХ АКТИВНЫХ ГАЛАКТИК И КВАЗАРОВ

Специальность 01.03.02 — астрсфизпка, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора фнзнко-матемашческих наук

Заща/и- ¿тмемеме

Работа выполнена в М ско:ск.,м орд на Ленина и ордена Трудового Красного Зпам.ки государственном педагогпч.ском институте имени В. И. Лешша.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук В. И. СЛЫШ (ИКИ АН СССР) доктор физ.-мат. наук В. Е. ЧЕРТОПРУД (ИЗМИРАН СССР) доктор физ.-мат. наук Н. И. ШАКУР$ (ГАИШ МГУ)

Ведущее предприятие: Научнс-последозательгкий радпсфп зический институт (г. Горький)

Защита ссстсится «............» .............................. 1ЕЕ0 г. в 14 час.

на заседании специализирозанкого совета Московского Государстве того университета им. М. В. Лсмс посоха, шифр Д.05305.51.

Адрес: 118899, Москва. В-899, Унизсрси.е.ский проспект, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ (Москва, Унизерситетский проспект, 13).

Автореферат разослан «............» .............................. 1990 года.

Ученый секретарь специализированного совета, канд. физ.-мат. наук Л. Н. БОНДАРЕНКО

- I -

Общая характеристика работы

Предлагаемая диссертация посвящена решению одной из актуальнейших проблем современной астрофизики - объяснению природы нетеплового излучения ядер активных галактик и квазаров.

В связи с решением этой проблемы разрабатываются вопросы теории комптоновского рассеяния релятивистскими электронами интенсивного излучения, которое характерно для этого класса объектов. Особое внимание уделяется разработке теории индуцированного комптоновского рассеяния релятивистской плазмой и комптновскому рассеянию анизотропного излучения.

Разработанная теория комптоновского рассеяния применяется для обобщения теории турбулентных Плазменных котлов как источников нетеплового излучения рассматриваемого класса объектов. Развитая на основе этого обобщения теория синхрокомп-тоновского котла привлекается для объяснения наблюдаемого нетеплового высокочастотного излучения ядер активных галактик и квазаров.

Для расчетов параметров синхрокомптоновских котлов в ■ этих источниках проведен анализ наблюдаемого излучения наиболее ярких и изученных представителей рассматриваемого класса объектов с целью выявления характера распределения нетеплового излучения в них. С целью подтверждения разработанной мо' дели синхрокомптоновского котла проводится статистический анализ зависимости спектрального индекса оптического излучения от светимости для большой выборки квазаров и сейфертовских галактик.

На основе полученных следствий анализируется связь между синхрокомптоновским котлом и физической моделью рассматривае-• мых объектов как массивных Черных дыр о аккреционными дисками.

- 2 -

Актуальность проблемы Развитие методов кнеат;,:. сйерной астрономии и повышение чувствительности назешьи оптических й радио-телескопов за последние 15 лег привели к накоплению богатого наблюдательного материала по квазарам и активным галактикам. Это поставило перед астрономами проблему построения теории нетеплового излучения этих объектов, адекватно}, наблюдениям.

Первые простые теории синхротронного и комптоновского излучения ядер активных галактик и квазаров, хотя и описгпа-ли качественно основные наблюдательные свойства инфракрасного, оптического и ультрафиолетового нетеплового излучения, сталкивались с большими трудностями, определяемыми ь;ашм временем жизни релятивистских электронов, ответственных за яти излучения.Эти трудности связаны с катастрофическим ростом комп-тоновских потерь с ростом интенсивности / яркостной температуры/ источников синхротронного излучения.

Чтобы избежать эту трудность, разрабатывались другие, не синхротронные механизмы излучения, как-то: плазменные, когерентные и др. Все эти механизмы в конце концов оказались не действенными. Выход из .положения виделся в отказе от простых моделей. В частности, Вольтьером была предложена модель "ежа", в которой релятивистс-ие электроны вытекают из ядра под малыми питч-углами к силовым линиям радиального магнитного поля. Синхротронное излучение от них сильно анизотропно, имеет то же распределение по направлениям, что и электроны. -Благодаря аниэотронии синхротронного. излучения резко уменьшаются комптоновские потери, и тем самым решается вопрос о катастрофических комптоновских потерях. Эта идея анизотропных источников в настоящее время привлекается для объяснения быстроперелепных радиоисточников. Плодотворность модели

-3- •

анизотропного источника потребовала развития теории анизотропного комптоновского рассеяния при различных видах распределения анизотропии излучения и релятивистских электронов. Развитие теории анизотропного комптоновского рассеяния также диктовалось потребностью правильного описания природы излучения и физических условиях в таких силнно анизотропных источниках, как выбросы в галактиках и квазарах, пульсарах и объектах типа £>£>433. Теоретические результаты, полученные автором по анизотропному комптоновскому рассеянию релятивистскими и нерелятивистскими электронами, представлены в главе 2.

Наряду с предположением об анизотропии иэл$тчения от центрального источника искались другие воэможныетпути в рамках модели изотропного синхротронного источника решить проблему катастрофических комптоновских потерь путем поиска эффективного механизма ускорения электронов. И здесь возможный выход наметился в связи с разработкой теории индуцированного комптоновского рассеяния.

На важную роль индуцированных эффектов в квазарах и активных галактиках указывали . релятивистские яркостные температуры их субмиллиметрового и инфракрасного излучения.

Результаты первых расчетов индуцированных эффектов рассеяния релятивистскими электронами в применении к квазарам еще больше усугубляли проблему катастрофических комптоновских потерь энергии. С другой стороны, аналогия между синхротрон-ным излучением и коштоновским рассеянием указывала на то, что при индуцированном комптоновском рассеянии должны быть эффекты, аналогичные синхротронной реейсорбции, которые с точки зрения потерь энергии электронами существенно их снижают. Эта аналогия указывала на несоответствие некоторых других предсказаний, теории индуцированного- комптоновского рассеяния, в частности, существования отрицательной компто-

новской реабсорбции. Все это потребовало развития строгой теории индуцированного комптоновского рассеянии релятивистскими электронами, что и было сделано автором в цикле работ 70хгодов, которые изложены в главе III.

К середине 70х годов относится развитие представлений о ядрах активных галактик и квазаров как пдазменньк турбулентных реакторах. Особую привлекательность представляла модель синхротронного котла, в которой благодаря процессам оинхротронного излучения и реабсорбции i ормиро вала с ь ун итср -сальная функция распределения электронов по энергиям вида • Благодаря этому удавалось качественно объяснить основные особенности спектров этих источников. Так как в синхротронном источнике реабсорбция играет важную роль, а она возможна при релятивистских яркостных температурах синхротронного излучения, то модель синхротронного котла требовала обобщения с учетом комптоновских потерь. Некоторые из этих обобщений с развитием общих требований к котлам представлены в главе 1У.

Детальная спектральная информация об излучении ядер активных галактик и квазаров от субмиллиметрового до гамма-диалазона длим волн, которая '¡тала доступной к началу 80х годов, позволила более детально разработать теорию нетеплового излучения этих объектов в рамках модели синхрокомптоновского Котла. Это в первую очередь относится к таким хррошо изученным объектам, как квазар ЗС 273 и сеМертовская галактика I типа /VG-64I5I.

Развитие представлений о физических условиях в источниках синхротронного излучения и необходимость объяснения высоких • яркостных температур радиоизлучения, квазаров и активных галактик потребовала оценки е^ектирюсти генерации излучения раз-

•личным! механизмами. Б частности, заметный интерес представляла разработка теории и оценка эффективности генераши некогерентного и когерентного черепковского излучения релятивистскими электронами в магнитоактивной плазме квазаров. Все эти вопросы обсуждаются в главе У.

Так как следствия теории синхрокомптоновского котла в приложении к наиболее изученным объектам оказались весьма интересными, то возникла задача стыковать существующие физические модели квазаров и активных галактик / черная дыра с аккреционным диском, единое магнитоплазменное тело и т.д. / с этой теорией. Все это потребовало провести тщательную статистическую обработку имеющихся данных наблюдений по большому числу объектов с целью более строгого выделения нетепловой составляющей излучения данного класса объектов и поиска корреляций между наблюдаемыми величинами. Результаты этих исследований приведены в главе У1

Цель работы

Целью настоящего исследования является построение модели ■ области нетеплового излучения ядер активных галактик и квазаров, объяснение основных особенностей распределения нетеплового. излучения в них, а также выявление основных закономерностей физических процессов-, протекающих в релятивистской плазме, взаимодействующей с интенсивным электромагнитным полем.

Основные задачи проводимого исследования сводятся к следующему:

I. Исследование и расчет спектральных свойств сечения комптоновского рассеяния релятивистскими электронами в том-соновском приближении для случая рассеяния с повышением и понижением частоты. Необходимость таких расчетов связана с тем, что при индуцированном комптоновском рассеянии эффективно

- б -

идут как прямые процессы рассеяния с повелением частоты рассеянных квантов, так и обратные с понижением частоты. Полный эЭДект определяется балансом между прямыми и обратными пронес- -сами и зависит не только от распределения интенсивности рассеиваемого излучения, но и от спектральных свойств сечения рассеяния.

2. Исследование и расчет спектральных характеристик рассеянного / спонтанно/ излучения при различных предположениях

о характере энергетического распределения релятивистских электронов.

3.Развитие теории анизотропного коштоновского рассеяния и построение на основе это*, теории модели области излучения дециметровых радиоволн быстроперемепных компактных внегалактических радиоисточников. Известно, что излучением направленных релятивистских выбросов удается объяснить многие особенности быстропеременных компактных радиоисточников с релятивистскими яркостными температурами. По этой причине развитие теории комптоновского рассеяния и объяснение на её основе наблюдаемых особенностей радиоизлучения выбросов является необходимым при построении адекватных моделей таких радиоисточников.

4. Исследование индуциро!энного коштоновского рассеяния релятивистскими электронами в изотропном поле излучения.

Эта задача имеет общегТиэивдскиГ, интре«, так как к началу исследований не были получены общие уравнения, описывающие индуцированные процессы рассеяния в релятивистской плазме. Кроме этого, результаты, полученные рядом авторов, оказались неверными'. Это, в частности, относится к расчету потерь анергии релятивистскими электронами при индуцированном рассеянии, возможности отрицательной реабсорбции в вакууме при рассеянии

с повышением частоты.

Ядра активных галактик и квазаров представляют собой объекты, в которых наблюдаются релятивистские яркостные температуры излучения. Поэтому в них, с необходимостью, имеются релятивистские электроны, и возникает естественная задача о расчете интенсивности выходящего излучения, в формировании спектра которого заметную роль играют индуцированные эффекты рассеяния. Постановка и решение этой задачи были тем более актуальны, так как в ней были получены неверные результаты, предсказывавшие значительное усиление интенсивности рассеянного излучения. С точки зрения приложений теории к реальным стационарным источникам интенсивного излучения возникла необходимость поиска стационарных распределений релятивистских электронов.

5. Построение теории синхрокомптоновских котлов.

К середине 70х годов возникла необходимость обобщения тёории синхротронных котлов на случай высоких плотностей энергии излучения, сравнимой с плотностью энергии магнитного поля в них, т.е. на случай, когда становятся существенными эффекты комптоновского'рассеяния релятивистских электронов. Кроме этого, необходимость такого обобщения диктовалась недостаточностью простой теории синхротронных котлов для объяснения богатого наблюдательного материала по распределению нетеплового-излучения квазаров и активных галактик.

6. Анализ спектров и оценка физических условий в ядрах квазара ЗС 273 и сейфертовской галактики I типа /У6£4151 на основе теории синхрокомптоновского котла.

Естественно, что теоретические представления о синхрокомп-тоновском котле можно было в полной мера проверить на наиболее изученнных объектах,, таких,как квазар ЗС 273 и сейфертов^

екая галактика А/Шш. Богатый материал по этим объектам позволил с больше, определенностью выделить нетепловуго составляющую их оптического, рентгеновского и гамма- излучения, с высокой степенью достоверности проверить все предсказания теории синхрокомптоновских котлов.

В связи с развитием модели синхрокомптоновских котлов для данного класса объектов возникла интересная задача о генера- ■ ции и усилении черепковского излучения релятивистскими электронами в эамагниченной плазке, характерной для котлов.

7. Выделение нетеплоЕо?, составляющей оптического излучения и получение статистических зависимостей между спектральными и интегральны?,я характеристиками излучения и параметрами квазаров и .се?,Чертовских галактик.

Поиск статистических закономерностей между наблюдаемыми параметрами небесных тел является одной из важнейших задач наблюдательной астрономии. Для рассматриваемого класса объектов наблюдения указывали на существование корреляций ряда спектральных характеристик их нетеплового излучения с массой, светимостью и другими параметрами. Особый интерес представлял поиск зависимости спектрального индекса оптического нетеплового излучения от светимости, существование которой предсказывается теорией синхрокомптоновских котлов.

8. Развитие подставлений о ядрах квазаров и активных галактик как массивных черных дыр с аккреционными дисками, в которых формируются синхрокомптоновские котлы.

В настоящее время наиболее разработанной и признанной моделью ядер активных галактик и квазаров является модель массивной черной дыры, окруженной аккреционным диском. Поэтому представляет интерес задача о возможности формирования в таком образовании синхрокомптоновского котла и сравнение

полученных теоретических следствий с теми, которые следуют из анализа наблюдаемого излучения этих объектов в рамках теории синхрокомптоновского котла.

Научная новизна

В работе получены следующие результаты:

1. Выражение для вероятчости шп.ттоновского рассеяния релятивистским электроном изотропного излучения,обобщенное на случай рассеяния с понижением частоты.

2. Сосчитаны спектральные характеристики рассеянного излучения от анизотропного выброса," двигающегося в направлении на наблюдателя со скоростью, близкой к скорости света. Показана эффективность ускорения плазмы при анизотропном комп-тоновском рассеянии в окрестностях квазаров и пульсаров.

3. Построена количественная модель, объясняющая природу быстропеременного дециметрового излучения компактных внегалактических радиоисточников комптоновским излучением, образованным при рассеянии направленным релятивистским выбросом де-каметрового излучения радиогаяо или протяженной компоненты.

4. Получены и проанализированы уравнения, описывающие .взаимодействие излучения с релятивистской плазмой при учете эфгектов индуцированного комптоновского рассеяния. Получены аналитические выражения для коштоновскок реабсорбции и показано, что невозможна отрицательная реабсорбция при рассеянии с повышением частоты. Оценены условия, при которых оказывается существенным нагрев электронов за счет индущфованного' комптоновского рассеяния.

5. Исследована и решена задача генерации некогерентного И когерентного черенковского излучения релятивистскими электронами в магнитоактивной плазме и оценена его роль в квазарах и радиогалактиках. .

6. Предложена и развита концепция сшхрокомптоновского котла как области формирования нетеплового высокочастотного излучения ядер квазаров и активных галактик. На основе развитой теории получена связь меяду спектральным индексом комп-тоновского излучения и светимостью сС -1-3- ^н .

7. Объяснен характер распределения нетеплоЕого излучения и определен; параметры синхрокоштононекого -котла в квазарах ЗС 273, ЗС 345 и се Чертовской галактике МСгС 4151.

8. Получена эмпирическая зависимость между светимостью и спектральным индексом оптического излучения для большой выборки квазаров и сейфертовских галактик.

9.Б рамках модели массивной черной дыры с аккреционным диском получены Формулы для нетепловой светимости ядер активных галактик и квазаров, определены условия,.которые приводят к формированию синхрокомптоновского котла в'тако!' модели, оценены параметры этого котла и проведено сравнение с наблюдениями.

Практическая ценность работы-

Диссертационная работа нацелена на решение важно) ших проблем современной астрофизики - выявление природы нетеплового излучения активных галактик и квазаров и построение их физических моделей, а также изучение комптонояского взаимодействия релятивистской плазмы с интенсивным полем излучения в окрест- . ностях компактных источников.

Полученные автором результаты об анизотропном и индуцированном , коштоновском рассеянии релятивистскими электронами имеют не только практическую ценность, позволяя правильно подойти к построению .физической модели ядер активных галактик и квазаров, но и обще^ютческое, вначение, позволяя правильно понять физические процессы, протекающие в релятивистской плазме. ,

- II -

Полученные в работе уравнения и их решения использовались другими авторами, а предсказания теории еинхрокомпто-новских котлов стимулировали поиск статистических закономер-* ностек между характеристиками нетеплового излучения и параметрами квазаров и активных галактик.

Связь между спектральным индексом оптического излучения и светимостью, полученная в работе, имеет самостоятельный, не зависящий от модельных представлений,интерес .

Полученные результаты об ускорении релятивистских электронов при индуцированном комптоно'вском рассеянии могут быть использованы при анализе условий генерации и инжекции космических лучей, а также как составная часть при разработке моделей квазаров и ядер актиншх галактик, пульсаров и других интенсивных космических источников.

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы в отделах и институтах, занимающихся теорией строения и эволюции квазаров, активных галактик, интенсивных галактических источников, теорией происхождения космических лучей.

Апробация

Результаты, полученные в диссертации, неоднократно докладывались и обсуждались на объединенном семинаре отделов астрофизики ИКИ АН СССР и радиоастрономии ГАШ, на семинаре отдела теоретической физики ФИАН, докладывались на общемосковском астрофизическом семинаре, отдельные вопросы обсуждались на семинаре отдела теоретической астрофизики Ленинградского физико-технического института АН СССР, на семинаре по радиоастрономии в НШШ, г.Горький.

По различным вопросам, затронутым в диссертации, были сделаны доклады на 15 международной конференции по космическим лучам - г. Пловдив,НРБ, 1977 г. { Всесоюзно* конференции

"Строение и эволюция галактик" - г.Тбилиси, 1980 г. ; "5 Всесоюзном семинаре по рентгеновской и гамма- астрономии" - г.Ленинград, 1985 г. ; Всесоюзном совещании " Исследование галактик с ультрафиолетовым континуумом" - CAO АН СССР, 1966 г. j 1У рабочем совещании " Физика скоплений галактик и активность галактических ядер" - Пущино, 1987 г. ; "XIX Всесоюзной конференции по галактической и внегалактической радиоастрономии" - Таллин», 1987 г.

Структура, объем работы и личный вклад автора

Диссертация содержит 255 страниц машинописного текста, 36 рисунков и 3 таблицы. Она состоит из введения, шести глав и заключения и имеет список литературы, включающий 169 названий.

В первой главе, посвященной общим вопросам теории спонтанного комптоновского рассеяния релятивистскими электронами изотропного излучения, получено сечение рассеянт е изотропном поле излучения, рассчитываются спектральные характеристики рассеянного излучения при различных распределениях релятивистских электронов и излучения.

Во второй главе разрабатывается теория анизотропного комптоновского рассеяния, и на основе развитой теории строится модель переменных компактных ^адиоисточников дециметрового излучения.

В третьей главе выводятся и решаются основные кинетические уравнения, описывающие индуцированный комптон-эффект в изотропном поле излучения, анализируется комптоновская реабсорбция при различных распределениях релятивистских электронов по энергиям.Рассчитываются эффекты ускорения и нагрева релятивистских электронов, а также условия формирования стационарных спектров электронов и излучения.

- 13 -

В четверток главе обсуждаются вопросы общей теории плазменных турбулентных котлов и строится теория синхрокомтоновс-ких котлов, определяются необходимые условия его существования.

В пятой главе теория синхрокомптоновского котла применяется для объяснения природы нетеплового высокочастотного излучения квазаров ЗС 2?3, ЗС 345 и сей^ертовской галактики

4151, В этой же главе обсуждаются условия генерации че-ренковского излучения релятивистскими электронами в различных моделях квазаров и активных галактик.

В шестой глг'ве обсуждаются гопросы выделения нетепловой составляющей оптического и инфракрасного излучения квазаров и активных галактик, на основе этого определяются спектральные индексы оптического нетеплового излучения большого числа ядер активных галактик и квазаров. Строятся статистические зависимости рада наблюдательных характеристик этих объектов. На основе этих зависимостей обсуждаются условия формирования синхрокомптоновских котлов в модели массивно® черной дыры с аккреционным диском для ядер активных галактик и квазаров.

В заключении перечисляются основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

. Все основные результаты, приведенные в диссертации, в том числе и те, о которых шла речь в разделе " Научная новизна", получены непосредственно автором, часть результатов получена в соавторстве в процессе работы над главными научю-'исследова-тельскими темами, выполнявшимися в ИКИ АН СССР.МПШ им.В.И. Ленина по заданиям АН СССР.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Теория анизотропного коштоновского рассеяния релятивистскими электронами.

2. Модель, объясняющая радиоизлучение компактных быстро-

переменных источников дециметрового излучения, как комптоновского излечения релятивистского направленного выброса, двигающегося на наблюдателя через декаметровое поле излучения протяженных компонент.

3. Аналитическое выражение для вероятности рассеяния релятивистским электроном изотропного излучения в томсоновском приближении, описывающее рассеяние как с повышением, так и

с пониженном частоты рассеянных квантов.

4. Теория индуцированного комптоновского рассеяния релятивистскими электронами в изотропном поле излучения: эффективность нагрева электронов, невозможность отрицательной компто-новско*; реабсорбции в вакууме при рассеянии с повышением частоты, формирование и вид стационарных спектров электронов.

5. Теория синхрокомптоновского котла, спектры релятивистских электронов и излучения, формирующихся в котле.

6. Объяснение природы нетеплового излучения квазаров ЗС 273, ЗС 345 и сефертовской галактики М(г(1 4151 в рамках теории синхрокомптоновского котла.

7. Эмпирическая зависимость между спектральным индексом нетеплового оптического излучения и светимостью квазаров

и сефертовских галактик и её интерпретация в рамках теории синхрокомптоновского котла,

8.Связь модели синхрокомптоновского котла с физическими представлениями о массивной черной дыре с аккреционным диском как основного источника активности квазаров и активных галактик.

Содержание работа

Во введении даиа краткая характеристика работы.

Ь главе I "Спонтанное комптоновское рассеяние релятивистскими и нерелятивистскими электронами" основное внимание уда-

ляется расчету вероятности комптоновского рассеяния релятивистским 'электроном изотропного излучения в тоысоновском приближении. Ото прежде всего связано с тем, что корректные учет эффектов индуцированного рассеяния требовал детального расчета вероятности спонтанного рассеяния с учетом рассеяния как с повышением, так и с понижением частоты.

В § 1.1 анализируется общее выражение для релятивистски инвариантного сечения комптоновского рассеяния. Получена аналитическая сормула для вероятности рассеяния в тоысоновском приближении для различных вариантов геометрии рассеяния.

Дня возможности исследования комптоновского рассеяния в изотропных источниках излучения произведено усреднение вероятности по всем возможным углам, характеризующим рассеиваемое излучение. В результате этого усреднения получена вероятность \//(£,^^образования кванта с частотой ^ при рассеянии кванта с частотой 'О на релятивистском электроне с энергией Е , в диапазоне частот/'^¿г) ^ ^ ^ ^• Эта ве~ роятность описывает как рассеяние с повышением частоты, так и с понижением частоты. Именно этой вероятностью нужно пользоваться при анализе процессов индуцированного рассеяния, ' которые определяются балансом прямых / с повышением частоты/ и обратных / с понижением частоты / процессов рассеяния.

В § 1.2 рассчитывается интенсивность рассеянного излучения при различных распределениях электронов по энергиям и излучения по частотам.

В главе II " Эффекты анизотропии при комптоновском рассеянии и их роль в пульсарах, квазарах и ядрах активных галактик" анализируется влияние анизотропии в распределении излучения и электронов на характер комптоновского рас сеяния, строится модель, объясняющая природу допикетронаго

быстропеременнрго излучения компактных внегалактических радиоисточников.

В § 2.1 рассчитываются потери энергии, характерные частоты рассеянных квантов при комптоновском рассеяши в зависимости от геометрии распределения излучения и электронов.

В § 2.2 оцениваются эффекты ускорения электронов при комптоновском рассеянии в различных снизотропных источниках. Анализируется модель области генерации оптического излучения пульсара Н£ 0532, в предположении, что оно шкзет синх-ротронную природу и образуется при движении электронов под малыми питч-углами к радиальному магнитному полю. Показано, что в этой модели релятивистские электроны с энергиями

(г»с могут ускоряться при спонтанном комптоновском рассеянии своего сильно анизотропного синхротронногоизлучения. Магнитное поле в области генеращи оптического излу-£

чения составляет 5.10 эрст.

В применении к изотропным моделям квазаров показано, что благодаря спонтанному комптоновскому рассеянию нерелятивистская плазма у поверхности этих объектов может ускоряться во

6 7

время вспышек до скорости 10 - 10 м/с , направленной вдоль радиуса.

В § 2.3 основное внимание уделяется расчету спектральных характеристик рассеянного излучения от анизотропного релятивистского пучка электронов, двигающегося на наблюдателя через изотропное поле излучения. Показано, что при высокой степени направленности моноэнергичного пучка спектральные индексы рассеянного и рассеиваемого излучения совпадают. При степенном

распределении электронов по энергиям интенсивность рассеянного излучения

- 17 -

§ 2.4 Посвящен разработке модели, объясняющей природу излучения компактных компонент дециметрового излучения ряда внегалактических радиоисточников как излучения, образованного при комптоновском рассеянии направленным на наблюдателя реля- ■ тинистским выбросом декаметрового излучения протяженных компонент этих источников. Концентрация электронов в выбросе с У0 - 5 составляет всего 0,004 см"3.

В Главе III " Индуцированное когптоновское рассеяние изотропного излучения релятивистскими электронами" выведены, проанализированы и решены при различны* предположениях основные уравнения, описывающие индущро ванное комптоновсгое рассеяние релятивистскими электронами. •

В § 3.1 рассмотрены интегралы столкновения, описывающие эволюцию функций распределений ротонов и релятивистских электронов. В томсоновском приближении с учетом членов первого

Ш, -к)

порядкй малости по -—==—в изотропном случае получены уравнения переноса излучения и электронов. Получены общие аналитические выражения для стохастического и систематического изменения энергии релятивистским электроном при индуцированном рассеянии.

В § 3.2 анализируется уравнение переноса излучения в релятивистской плазме при учете эффектов, индуцированного ко мл-тоновского рассеяния. Это уравнений приводится к виду нелинейного уравнения переноса, в.котором коэффициент излучения и поглощения зависит от интенсивности излучения. Рассчитывается явный вид этих коэффициентов.

■ -Показяко, что знак коэффициента ре абсорбции которые, определяется суммой коэффициентов реабсорбнии, описывающих рассеяние с повышением и понижением частот», определяется

распределением интенсивности излучения. Причем, ,если

интенсивность растет с частотой быстрее, чем ^* .Б отличие от отрицательно!, синхротронной реабсорбции, при которой усиление излучения идет за счет более элективных потерь энергии электронами, при отрицательной коштоновской реабсорбции наоборот электроны приобретают энергию, переводя высокочастотные кванты в низкочастотные.

Показано, что усиление излучения при комптоновском рассеянии с повышением частоты при изотропном распределении электронов и ротонов невозможно ни при каких распределениях электронов по энергиям.

В § 3.3 рассчитан явный вид коэффициента комптоновской реабсорбции и получаны конкретные решения уравнений переноса излучения для различных распределений электронов по энергиям.

а/ При максвелловском распределении электронов интенсивность рассеянного излучения в области высоких частот в оптически толстой по комптоновской реабсорбции области носит тепловой характер с температурой излучения, равной температуре электронов.

б/ При моноэнергичном распределении электронов по энергии яркостная температура излучения на высоких частотах совпадает с кинетической температурой электронов, а в диапазоне частот она значительно её превышает.

в/ При степенном распределении электронов по энергиям в .диапазоне частот рассеянных квантов, представляющих интерес для астрофизических исследований, аналитические выражения для кор,][4;ициентов юмптоновской реабсорбции . отличаются на • чпеленяш! таожмтель порядка едшшШ от аналогичного выражения для максвелловскэго распределения электронов.

В следующих двух параграфах основное внимание уделяется исследованию нагрева и эеолюции энергетического спектра релятивистских электронов при индуцированном комптоновском рас-сеяниии.

В § 3.4 на основе общих результатов, полученных вцвды-дущих параграфах, рассчитываются и анализируются аналитические выражения для систематического и стохастического набора энергии релятивистскими электронами при индуцированном комптоновском рассеянии для различных спектральных распределений излучения. Основное внимание уделяется расвеянию излучения со степенным распределением \) Во всех рассмотренных случаях эффективность ускорения при комптоновском рассеянии убывает' с ростом энергии электронов»

. Для излучения с максимумом на частоте & с достаточно" быстрым спадом в сторону высоких и низких частот

Систематические и стохастическое изменения энергии при индуцированном комптоновском рассеянии всегда положительны, в то время как спонтанные комптоновские потери - отрицательны. Поэтому только в определенных случаях индуцированное ускорение электронов будет превышать спонтанные коттот""^,г"« »п.™««»

ческих и стохастических потерь энергии электронами рассчитываются стационарные функции распределения электронов и характер эшлюции н ним. Среди стационарных спектров.выделяются ■■ степенные распределения электронов, который получаются, когда излучение на низшх часто*ах имеет вид узкой линии, а на ш-

именно: ускоряться будут только электроны

В;§ 3,5 на основе аналитических выражений для системати-

соких возрастает по закону ^ % . Полученные степенг

ные решения являются диссектриссой между экспоненциально воз-расстающим^ри (к /> 5/2 и убывающими при ^ 5/2 решениями. В случае источников с комптоиовской реабсорбцией спектр элект-

^ ^ у

ронов имеет вид/У^) и £ ,

Характерное время эволюции спектров к равновесному определяется временем диффузии электронов. Например, в поле излучения с резким максимумом, характерным для квазаров, время диффузии на два порядка меньше времени комптоновских потерь.

В реальных источниках с синхротронной реабсорбцией роль индуцированного комптоновского рассеяния релятивистскими электронами по сравнению с процессами синхротронного излучения и спонтанного комптоновского рассеяния незначительна.

Глава 1У "Сйщие вопросы синхрокомптоновских котлов" посвящена построению общей теории синхрокомптоновских котлов, обсуждению физических условий, которые приводят к их существованию в реальных космических источниках.

В § 4.1 обсуждаются общие представления о плазменных турбулентных котлах. Так как в реальных компактных астрофизических объектах основную роль в передаче взаимодействия между релятивистскими частицами играет излучение, то это взаимодействие будет существенным, если излучение будет запертым в рассматриваемой области - ситуация, которая наиболее ярко проявляется .в источниках с синхротронной реабсорбцией. Показано, "что при построении моделей плазменных турбулентных котлов могут помочь методы теории подобия и размерности - методы, которые эффективно использются в теории турбулентности.

В связи с развитием теории обсуждается ряд следствий из. теории синхротронных котлов. В частности, рассчитываются

аналитические выражения для систематического и стохастичес-когс|изменения энергии релятивистскими электронами при различных распределениях интенсивности излучения. Анализ этих выражений приводит к выводу о существовании стационарного состоя- ■ ния, при котором спонтанные синхротронные потери компенсируются приобретениями энергии при реабсорбции.

В § 4.2 решается кинетическое уравнение для релятивистских электронов, в котором учитываются эффекты индуцированного синхротронного излучения. Рассмотрены два простых, но интересных с точки 'зрения астрофизических приложения случаев: электроны находятся в поле излучения с постоянной яркостной температурой к »¡п-сУ и в поле излучения со степенным распределением по частотам Уы)0 при ¿ Л- .

В первом случае равновесное решение при равном нулю потоке электронов в пространстве энергий - максвелловское распределение электронов по энергиям. Во втором - степенное с экспоненциальным обрывом в сторону высок« энергий.

Время эволюции к равновесному спектру определяется вре-' менем диффузии, которое существенно меньше времени спонтанных синхротронных потерь.Из анализа выражения для систематических потерь энергии электроном показано, что в синхротронном котле имеется стационарное распределение вида AY

В § 4.3 обсуждается общая самосогласованная система уравнений:, описывающая поведение электронов и синхротронного излучения в синхротронном котле. Получено простое алгебраическое уравнение для равновесного показателя энергетического спектра электронов ir) »которое

имеет очевидное решение YV = 3. .

Показало, что при 2< ^<"3 плотность электронов гозрастает при всех значениях энергий "электронов. При И.^2

электроны быстро приобретают энергию при реабсорбции излучения и быстро уходят из области реабсорбции в область высоких энергий, что приводит к уменьшению концентрации электронов. При И->3 электроны быстро теряют энергию при индуцированных процессах синхротронного излучения, уход электронов в область малых энергий происходит быстрее, чем их приход в область реабсорбции со стороны высоких энергий.

Особый интерес представляет поиск равновесного решения в области энергий Реабсорбция этими электронами

не эффективна, поэтому равновесное решение имеет резкий экспоненциальный завал при

Рассчитывается спектр комптоновского излучения из синхротронного котла.

• В § 4.4 теория синхротронного котла обобщается на случай, когда плотность энергии излучения становится сравнимой с плотностью энергии магнитного поля и начинают заметную роль играть коштоновские потери энергии.

Уравнение для равновесного спектрального индекса электронов принимает вид / при ¿<1 / (1*р)Ш/ЛН) которое в первом приближении имеет решение К. - . Рассчитывается характерный ступенчатый спектр излучения от сшхрокомптоновского котла, спектральный индекс рассеянного излучения о( = 2. р, / прИ пренебрежении процессами многократного комптоновского рассеяния на низкоэнергичных электронах котла /.

Глава У "Природа жесткого излучения некоторых квазаров и ядер активных галактик" посвящена анализу теории синхрокомп-тоновских котлов в приложении к наиболее изученным объектам - квазарам ЗС 273, ЗС 345 и сейферговсной галактики МЬС. 4151.

При этом принималось, что максимум излучения этих объектов

тп

на частотах около 10 гц 'обусловлен синхротронной реабсорб-цией, а нетепловое оптическое, рентгеновское и гамма- излучения образуются при номптоновском рассеянии релятивистскими электронами своего синхротронного / инфракрасного и субмил-лиматрового / излучения.

В § 5.1 анализируются результаты наблюдений квазара ЗС 273, Показана, что нетепловая составляющая оптического и ультрафиолетового излучения вплоть до частоты (4 ¿) Ю гц может быть преступлена в виде <Т(>>) - ^-10 . В рентгеновс-

ком диапазона <¿(0^) - 5£0Нэрг/см^с гц . То, что спектральный индекс нетеплового оптического и рентгеновского излучения раЕен I, указывает на малость величины уЗ,и что в ядре, квазара ЗС 273 имеется синхротронный котел. Получены слв-

п

дующие характерные параметры котла; размер 2.10 см, концентрация электронов с энергиями •<'•30 № с4" составляет 10®см"3-плотность энергии этих электронов а • 10 арг/см3, магнит-иоа поле 7Л0^эрст.

В рамках данной модели предсказывается поток гамма-излу-чоиия в диапазоне энергий 40 - 400 кэв, равный 10"^ эрг/см^с, который образуется при номптоновском рассеянии уже рентгеновского излучения / третье рассеяние /.

В § 5.2 в рамках модели синхрокомптоновского котла рассчитываются параметры квазара ЗС 345. В отличие от ЗС 273, у этого квазара мало данных по рентгеновскому излучению -' ситуаций, характерная для большинства объектов данного типа. Спектральный индекс рассеянного оптического излучения 0^= О,Р.

Спектр его - типичный спектр излучения от синхрокомптоновского

16

. котла. Размер котла около ЗЛО см, Н= 320 эрст, плотность электронов с энергиями < ЮОпксоставляет Ю® см"3.

поток излучения в гамма-диапазоне / 40-400 кэв/ б.Ю'^рг/см^с.

В § 5,3 анализируются наблюдения и строится модель ашхрокомптоновского котла в ядре наиболее изученной сейнер* товской галактики I типа //£} С 4151. В её оптическое излучение дают большой вклад излучение галактики и пыль. Из анализа имеющихся данных показано, что в оптике и рентгеновском диапазоне нотелловое излучение имеет спектральный! индекс = 0,1, причем характер распределения нетеплового излучения типичен для'синхрокомптоновского .котла, в котором комптоновские потери сравнимы с синхротронными. Размер котла около 10*®см, концентрация электронов с энергиями < 200 г« с1"составляет

2.10®см"^, плотность энергии этих электронов >10^эрг/смэ! Н= 70 эрст.

Как в квазарах, так и в Л&С 4151 теория предсказывает,что, если переменность излучения связана с изменением концентрации электронов в котле, то она не будет проявляться в субмиллиметровом и инфракрасном диапазоне, будет одновременной в опти-часком и рентгеновском, причем амплитуда относительного из-ыенвния потока в рентгеновском диапазоне будет в два раза выше, чем в оптическом.

В § 5.4 показано, что большинстве моделей ядер активных галактик и квазаров в области генерации синхротронного излучения / в частности, в синхрокомптоновском котле/ плотность магнитной энергии превышает' плотность энергии покоя нереляти-шстской плазмы, т.е. плазма в этих источниках магнитоактивна. Благодаря этому любая релятивистская частица эффективно воз<-буждает черенковское излучение в окрестностях гирочастоты, которая в рассматриваемом классе объектов приходится на частоты радиодиапазона. Разработашке методы расчета излучения при коштоновском "рассеянии позволили рассчитать коэффициенты

излучения и ре/Абсорбции черенковского излучения релятивистскими частицами. Показана, что при тех параметрах, которая предсказывает теория скнхротронного излучения этого класса объектов, в них должна генерироваться высокая плотность энер- • гии черенковского излучения'в радиодиапазоне. Показано, что, несмотря нато.что это излучение заперто в источнике из-за высокого значения показателя предомления в окрестностях гиро-частоты, оно мохет окозаться существенным в понимании природы этих объектов.

В связи с развитием представлении^ быстрой переменности ряда квазаров в радиодиапазоне были оценены условия генерации когерентного черепковского излучения в окрестностях гирочасто-ты, б моделях когерентного изгибного радиоизлучения этих источников. Как оказалось, типичные сгустки с продольными раз-" мерами Зсм, числом электронов 10*° и энергией около 3.10%1е? необходимые для объяснения.когерентного изгибного радиоизлу- • чения, являются эффективными источниками-мощного когерентного черенковского излучения. '

Глава У1 "Синхрокомптоновский котел в ядрах активны* галактик и квазаров" посвящена более широкому применению теории синхро ко мптоно вских котлов для объяснения наблюдаемых статистических закономерностей в нетеплойом излучении квазаров и ядер активных галактик.'

§ 6.1 Теория синхрокомптоновских котлов предсказывает зависимость спектрального индекса нетеплового комптоновского излучения от светимости. Есди^ ввести характерную величину по то ка энергии ¿¡ц: , то эту зависимость

можно записать • Поэтому в. данном параграфе

обсуждаются вопросы выделения нетеплового оптического излу-

- 26 -

чения и определение его спектрального индекса у большого числа квазаров и активных галактик. Результаты этих определений представлены в таблице 2, в которой приводятся значения«^, светимости в оптическом, мягком и жестком рентгеновском диапазонах, полная и эдцингтоновская светимости. По возможности приведены спектральные индексы рентгеновского и инфракрасного излучения и доля звездной составляющем в непрерывном спектре оптического излучения.

В § 6.2 проводится статистический анализ полученных данных. Показано, что физические параметры галактик Сейферта 2-го типа хуже коррелируются между собой, чем у сейфертовских галактик I типа и квазаров.

Средний спектральный индекс оптического излучения'галактик равен I» 61 * 0,72 { и квазаров

= °»е8 - 0,28. Кввзары и галактики светят в режиме, близком к критическому, в то время как светимости, галактик ЦП составляют несколько процентов от критической.

Для квазаров и / всего 41 объект /имеется корреляция с\0~ ) коэффициент корреляции V = 0,78.

Если принять во внимание и галактики; 2 ,то о(0- 26,53-0,57^ / = 0,89 /, Только для квазаров /всего '9 объектов / о(в = 22,67 - 0,48^/.

Для квазаров и получена связь между эдцингтоновской светимостью и светимость^в мягком рентгеновском^ диапазоне

' ЧЬи* /* - 0,7! /

Сравнение средних параметров квазаров и с предсказанием теории синхрокоштоновских ..котлов дают /} - О^М, ¿¡ц И •

Так как светимости данного класса объектов лежат в пре-

дзлга Ю4® - 1046 эрг/с, а их размеры Ю15 - 101бсм, то из последних соотношений следует оценка напряженности магнитного поля в этих объектах ~ Ю^эрст. Более точные корреляции дают для объектов со светимостями Д> Ю^эрг/с, связь

к» и и

В § 6.3 для объяснения-полученных эмпирических зависимостей и предсказаний теории синхрокомптоновских котлов привлекается модель массивной черной дыры с аккреционным диском. В связи с этим анализируются условия формирования синхрокомптоновского котла в этой модели. Так как мощность синхротрон-; ного излучения в этой модели определяется скоростью аккреции и процессами вязкости л дифференциально вращающемся диске, а стационарное значение напряженности магнитного поля определяется равенством плотности магнитной энергии и плотности тур-" булентно£' энергии, то получается, что все синхротронное излучение на частотах ^ ^ ^ ^ 10^ гц заперто в источнике, и в нем осуществляются условия,благоприятные'для существования синхрокомптоновского котла."

В стационарных условиях непрерывная генеращш магнитного поля в дифференциально вращающемся диске компенсируется аннигиляцией магнитного поля в областях перезамыкания поля. При этом'энергия магнитного поля в области аннигиляции идет на генерацию релятивистских частиц-и далее нетеплового синхротронного и комптоновского излучения. Показано, что в этой модели.имеется связь ¿л - '^ />ц » где - круговая скорость ра расстояний /? от центра. Так как основное энерговыделение в.диске происходит на расстоянии нескольких гравитационных радиусов, то А = ~ 0,1 - 0,2, что находится

' с 1

. в'хорошем согласии с наблюдениями по квазарам и - 0,15 /,

- 28 -

По теме диссертации опубликовано 23 статьи: .

1. Чаругин В.М., Очелков Ю.П. Индуцированное ускорение релятивистских электронов при комптоновском рассеянии -

- Астроном, циркуляр, 1973, №759, с. I - 2.

2. Чаругин В.М,.Очелков Ю.П. Индуцированное комптоновское рассеяние релятивистскими электронами - Препринт К" 144

ИКИ АН СССР, 1974, - 21 с.

3. Чаругин В.М., Очелков Ю.П. К вопросу о распределении энергии в ядрах квазаров - Астроном, циркуляр, 1974,Ш34,сЛ-2.

4. Чаругин В.М. К вопросу о.когерентном черенковском излучении переменных радиоисточников - Астроном, циркуляр, ' 1976, № 923, с. 5 - 7,

5. Чаругин В.М,, Цветанов З.И. Природа нетеплового 'излучения ядра квазара ЗС 273,- Письма в Ж., 1979, т,5, с. 16 - 20.

6. Чаругин В.М., Цветанов З.И. Комптоновское рассеяние в источниках с синхротронной ре абсорбцией - Astrophys, Sp.Sci,, I98o, v.67, p. 321 - 353.

7. Чаругин В.М., Цветанов З.И. йркостная температура источников с синхротронной реабсорбцией - Астрон. ж., 1981, т. 58, с. 516 - 523.

8. Чаругин В.М., Цветанов З.И. О критерии Келлерманна и Паулини-Тос - Астроном,циркуляр, 1980, M135, с. 3 - 5.

9. Чаругин В.М. О комптоновоких потерях нерелятивистских электронов в анизотропном- поле излучения - Астроном, цирку-

• ляр, 1982, »51243, с 6 .- 8.

Ю, Charugin V.M., Oobelkov ïu.P, Ojaniderotional lnâuoed comptoa soatteï-iag by relativiatic eleotrons - Aetrophya, Bp, Sol., I9?4, v,B6, p. 327 - 324. . .

II« Charugin V.H, Coemio öerenkov enleeion - Astrophyfl. Sp. Sei., 1975, V. 3?, p. 449 - ,454.

12. Charugin V.M., Ochelkov Yu.P. Systematic and stochastic acceleration of cosmic rays by radiation - Proc. 15 Int.Cosmic Hay Conf., Bulgaria, Plovdiv, 1977, v.I, p. <*22 - 428.

13. Charugin V.M.,Burduzha V.V.fTomozov V.M, The role of plasma effects in generating high-velocity and simmetric spectral features in Galactic masers - Astron. Astrophys. | 1979, v.?9, p. 306 - 311,

14.Чаругин в.М., Аябгя Э.А., Постнов K.A. О возможной природе нетешювого излучения ядра HGC4I5I - Астрон.ж., 1983, т.60, с. 441 - 447.

15. Чаругин В.М. Анизотропный комптон-эффект в квазарах и пульсарах - Астрон.ж., 1984,т.61, с. 112 - 117.

16. Чаругнн В.Ы., ¡Лосин А.П. Синхрокомптоновский котел в ядре квазара ЗС 345 - Астроном»циркуляр 1984, ИЗ 19, с. 1-3.

17. Чаругнн В.М. Массивная черная дара с синхрокомптоновсюш котлом'как модель ядер квазаров - Астроном, циркуляр 1985,

И 1357, с. I - 3.

18.Чаругин В.М., Дибай Э.А., Мосин А.П. Синхрокомптоновский котел и корреляции характеристик излучения квазаров и ядер сейфертовских галактик -Астроном,*. 1985, т.62, с.662-671.

19. Charugin V.M, Synchrocompton reactor and nature of UV and X-ray emission of фдавага and actlr galactic nucley -

- Сообщения специальной астрофизической обсерватории АН СССР, 1986, ШЗ, с. 53 - 56. .

20.- Чаругин В.М. Анизотропное комптоновское рассеяние релятивистского выброса в ядрахт активных галактик - Астроном, циркуляр,- 1987, М487, с. I - 3.

21. Чаругин В.М. Метода теории подобия и размерностей при построении моделей источников нетешювого излучения квазаров

и сейфертовскюс галактик - Активные ядра и звездная космогония - М.: Изд-во 1.-1ГУ. 1987, с, 125 - 130.

22. Чаругин В.М., Шолощщкий Г.Б, 0 природе дециметровых компактных радцокомпонент в квазарах и ядрах галактик - Письма в АНЕ., 1988, т. 14, с.483 - 491. '

23. Чаругин В,М,, Новиков И.Д. Радиоастрономия и косшло-» . гия-сб. Развитие радиоастрономии в СССР - М, :Наука,1988,

с. 79 - 88.

' Личный вклад в совместные работы

В работах 1-3,10,12,13,22,23 вклад соавторов равноценен; в работах 8,14,16 и 18 постановка задачи и разработка основных теоретических положений осуществлена автором.