Механизм регулярного ускорения и эволюция радиоизлучения остатков сверхновых оболочечного типа тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

28 0 9 3 'I

ГОСШПСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Физический ¡институт

ШШ1Ы

^ П. Н. Лебедева

На правах рукописи

АСВАРОВ АБДгаКЕРШ ВДРИСОВИЧ

МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯРНОГО УСКОРЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ - ОСТАТКОВ СВЕРХНОВЫХ ОБОЛОЧЕЧНОГО ТИПА

УДК 524.354-77 Специальность 01.03.02 - астрофизика,радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992 г.

Работа выполнена в Институте физики АН Азербайджана

Научные руководители: доктор физико-математических наук

профессор О.Х.Гусейнов

доктор физико-математических наук В.А.Догель

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.С.Пгускин

доктор физико-математических наук К.В.Бычков

Ведущая организация: НИРФИ, г.Нижний Новгород

Зашита состоится "о? У " 1992 г. в часов

на заседании Специализированног^Совета Д 002.39.01 Астро-космического центра Физического института им.ТКН.Лебедева Российской Академии наук / 117924,г. л&сква В-333, Ленинский проспект, 53, ФИАН /

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН. Автореферат разослан " _" 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор физико-математических .наук

/^^'в.В.Бурдюжа

Ь:¡^ 5 •„' I

ОБЩАЯ ХАРАКШТОГИКА РАБОТЫ Актуальность проблеш.

Остатки сверхновых (ОСИ), появлявшееся в результате взрывов Сверхноьых звезд, образуют цолиП класс объектов с нетепловым характером радиоизлучения. Первно не исследования позволили разделить ОСН по морфологии радиоизображения, в основном, на два типа: оболочечшз и центрально- заполненные - пло-рионы. Исследование плерионов кокет представлять интерес в связи с проблемой их связи с релятивистскими объектами, такими кая нейтронные звезды и черные дыра. Однако, ток как подавлявшее большинство известных ОСН относится к оболочочному типу, в дальнейшей под ОСН ш будем понимать именно такие остатки. Современный этап их интенсивного исследования связан с рядом факторов:

Во-первых, современные методы радионаблвдений позволяет получать высокоточные раднокарты ОСН на нескольких частота», т.е. делать выводы о характере излучения но только ОШ в целом, но и об излучении той или иной его области;

Во-вторых, поело успешного запуска рентгеновских обсерваторий стало известно, что большинство ОСН является источником теплового рентгеновского излучения. Богатый наблюдательный материал получен также' в ИК диапазоне. Активно вкдичается в исследование ОСН и гадаа-аетроношш|

В-третьих, в последние года прэтерполи существегине изменения нага представления о межзвездной среда (ЮС) в Рвязггк кв. Бали обнаружены мюгофазность и значмеяьная юрвгут^^гдь в распределении вещества. Эти дшпгпо о ЮС ногу» существен?» повлиять на наши представления об ОСН, однако, узэ сегодня понятно, что ОСН сами оказываот определенное ьлиянио .м фор-

мирование структуры ШС;

В-четвертых, уже давно ОСН связывают с проблемой происхождения космических лучей в Галактике. Особенно актуальной эта связь стала после выявления в конце 70х годов механизма ускорения заряженных частиц на фронтах ударных волн, называемого механизмом регулярного ускорения или диффузионного ускорения.

Тали» образом, актуальность исследования ОСН связана с ем, тем, что понимание природы этих объектов поможет разобраться в ряде вопросов современное астрофизики и космической физики, таких, как происхождение и эволсция звезд, происхождение космических лучей, физика и структура МЗС, физика сильных ударных волн в разраженной среде и ряде других.

Цель работа.

Наиболее богатый наблюдательный материал об ОСН получен в радиодиапазояз. Общепринято, что радиоизлучение ОСН имеет син-хротронную природу. Однако, одной из важных проблем остается происхождение релятивистских электронов и магнитных полей в оболочках ОСН, коториэ ответствени за радиоизлучение. Наиболее вероятным источником электронов является механизм регулярного ускорения. Подтверждением этого служит хорошее согласие наблюдательного спектрального индекса радиоизлучения с тем, который предсказывает этот механизм. Так как это согласие наблюдается в целом, а не для конкретных ОСН, очень ваяно выявить такие наблюдательные проявления, которые однозначно говорили бы б пользу механизма регулярного ускорения. К настоящему времена линейная теория механизма регулярного ускорения в прибли-яенми пробных частиц разработана достаточно хорошо. Однако это приближение не разропает важную проблему инжекции, которая эак-

лючается а) в определении доли ускоренных частиц и б) в определении пороговой энергии частицы, начинал с которой она подвергается регулярному ускорению. Теоретическое решение этой проблемы в рамках нелинейных теорий задача очень сложная и пока далека от своего разрешения. Только привлечение наблюдательных данных может ограничить диапазон свободных параметров, необходимых для дальнешего развития теории. Основной целью работы являлось применение механизма регулярного ускорения для расчетов некоторых наблюдаемых параметров адиабатических ОСИ обол очечного типа, сравнение их с наблюдениями, выявление таких аффектов, которые однозначно характеризовало бы действие в остатках регулярного ускорения и получение ограничений на некоторые свободные параметры теории.

Научная новизна.

- Получена и исследована функция распрсдслс::::л глентронов в ОСН, ускоренных регулярным механизмом. Это позволило выполнить расчеты, описывающие эволюцию радиопарамвтров "ОСН, т.е. зависимость от числа Наха светимости, поверхностной яркости, спектрального индекса и др. Такие расчеты дали возможность выявить ряд признаков, характерных для механизма регулярного ускорения.

- Для выяснения роли неоднородности МЗС и аффектов селекции на происхождение наблюдательных статистических зависимостей

£ (I) ) и Д/(Р ) с помощью метода Монте-Карло смоделированы эти распределения. При этом варьировались такие начальные параметры, как энергия вспышки, масса выброшенной оболочки, плотность и давление МЗС, соотношение между разными фазами ЫЗС.

- Для молодого ОСН Кассиопея А, радиоизлучение которого на

укладывается в рамки простой модели, применен комплексный подход с использованием данных радио, рентгеновских и гамма-наблюдений . Для него предложен двухкомпонентный радиоспектр, который качественно объясняет частотную зависимость векового уменьшения радиопотока. Оценено значение Магнитного поля. Предсказаны потоки ожидаемого гамма-излучения.

- Получено, что радиоизлучение адиабатических ОСН оболочеч-

ного типа может бить объяснено регулярным механизмом, если

—3

эффективность ускорения электронов составляет 10 .

Практическое значение. Результаты диссертации могут быть использованы для расчета эволюции радиоизлучения адиабатических ОСН оболочечного типа, описываемых решением Седова для точечного взрыва. При построении теорий ускорения на бесстолкновитедьных ударных волнах важно принять во внимание, что эффективность ускорения частиц по энергии не превышает 2С$. Результаты работы могут быть использованы как при постановке новых радионаблюдвний ОСН, так и при интерпретации статистических данных.

Основные результаты, полученные в работе.

1. В аналитическом виде получены выражения, описывающие эволюцию сикхротронного радиоизлучения адиабатических ОСН в предположении об ускорении электронов регулярным механизмом на фронте ударной волны.

2. Основным механизмом, ответственным за генерацию электронов высоких энергий в оболочечных ОСН, находящихся на адиабатической фазе эволюции, является механизм регулярного ускорения на фронте ударной волны. Доля ускоренных частиц от фо-

новых составляет . При это« меззвзздноо иапигноа по-

ле, скатов на фронте ударной еояш до 4-х раз, яплязтся достаточным для обеспечения наблвдаешх потоков радиоизлучения.

3. Б ходе своей эволзции поверхностная радиопркость остается почти постоянной с последующим кругам пздешгем ( пручэ, чем D ). Излом на (J) ) - трзке происходит при чмслаг liaxa ударной волны остатка М с: 7 - В.

4. Обнаружен избыток ОСН со спектральным:« индексами cCczQ.6, который рассматривается кап важный аргумент, говорящий однозначно в пользу ыэхшшзма регулярного ускорения.

5. Показано, что для ОСН, у которых одела Маха 7, наблюдаемые радаодиаыотры должны бшь иеньоа рзального дигкзтра ударной волны. Приведены каблвдательниа подтверждения огсго.

6. Основным фактором, влиявщкы на происхоздетш наблцда-тельних , Ы(<д)-]) - распрэдолешгё, является неоднородность ШС, а на аффэкты селекции. Для нахождения расстояний до ОСИ предлагается использовать анпирпческаа зависимости Еида

( tL - плотность плазмы а оболочке ОСН) вместо обычно используемых 2 ф) - зависимостей.

7. Д1я молодого ОСН Кассиопея А прэдлоязн двухкомпонэнтнаЗ радиоспектр. Предсказано, что поток радиоизлучения »a бнсоких

( »30 ГГц) частотах долсен расти со временем.

Апробация.

Основные результаты диссертации доклада «лйсь и обвуадаяквь № тупых семинарах ШенахинскоЙ еетрс|мяич;8екоЗ обсертаторяз я Института физики All Азербайджана, на кефэдрзх аетрсфиаюгз з теоратотеской физикн Еаккгспого утавораггзта, га асгро нса семинара £НАН, на евмянарэ отдела космических дуче/; 1ШНРДН.

- Ь -

Результаты работы докладывались на У1 Всесоюзном совещании по гамма и рентгеновской астрономии (Баку,1987), 21 Международной конференции по космическим лучам (Аделаида,Австралия,1990), Всесозном совещании по межзвездной среде (Москва,1990), XXIII Всесоюзной конференции по галактической и внегалактической радиоастрономии (Ашхабад,1991).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы и изложена на 101 странице машинописного текста, в том числе 20 рисунков, 4 таблиц и библиографического списка, включающего 117 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во ВВЕДЕНИИ дано современное состояние проблемы радиоизлучения ОСН, ускорения частиц и приводится краткое описание круга задач, рассматриваемых в диссертации.

ГЛАВА I посвящена получению функции распределения влектро-нсв в прздполоаении, что они ускорены регулярным механизмом на ударной волне. На этой основе рассмотрена эволюция радиоизлучения ОСН оболочвчмого типа.

В { I дано современное состояние проблеш регулярного ускорения еаряяекншс частиц на фронтах ударных волн. Для справочных цздей приведен кратпкй вывод функции распрвдвлвння уско-р?ннь&: частиц в приближении пробных частиц с учетом роли ко-качноста враыени ускорения и ограниченности размеров области ускорения.

§ 2 посвящен получению функция распределения электронов в ОСН, опнсыэдешх автомодельным решением Седова. Используется

метод суммирования слоев в првдполояенин о малости коэффициента пространственной диффузии для ускоренных электронов. Учтены только адиабатические потерн электронов. Так как конечной целью исследования является сравнение с радионаблюдениями на частотах 0.1-10 ГГц, то основной интерес представляет область энергий для ускоренных электронов 0,1 - 50 ГэВ. Для таких энергий сделанные допущения оправданы. Считается, что энергия инжекцин пропорциональна температуре газа за фронтом ударной волны. Получено выражение, описывающее радиальное распределение электронов с энергиями I ПэВ п оболочке ОСН. За параметр, характеризующий эволюцию ОСИ, принято число Ыаха ударной-волны ОСН - М. Получено, что если при больших Ы профиль распределения концентрации имеет максимум у самого фронта волны, го при Л 10 пик в распределении ускоренных ояоктроков начинает отставать от фронта. Генерация электронов о с;;срг:и:1п: порядка I ГэВ прекращается при II 7-8.

В 5 3 получено выражение для коэффициента объемной излуча-гедьной способности в зависимости от расстояния до центра ОСН I Ц. Получены формулы, описывающие эволюцию радиосветимости и мверхностной яркости на частота I ГГц. Исследовано иэыененно зветимости, поверхностной яркости, спектрального индекса и других параметров ОСН. Практическое эначогаго гагеэт слодущиа )бнаружешп19 эффекты, которкэ должны проявиться в случав рза-шзацяи представленной модели радиокзлуто:гая ОСН: I) С умзнь-гениви чнева Маха до Ы — 7-8 рздиоевзттгзеть растет, после чэ->0 происходит ое крутое падежи. При переходе к еашсЕ&мсти по-юрхносяшЗ яркости от диакзтра получается, что соворхностная фЕость при И > Нцр остаются почтя постоянней е пэс^дувда!

крутым падением при Ы < . Такое поведенио поверхностной яркости с диаметром может послужить полоаительнаы ответом на вопрос - сучаствует ли нзлои на эмпирических 2. (1>) - зависимости;

2) Спектральный индекс на частоте I ГГц принимает свое максимальное значение £ 0.6 при Ы~3. Ход эволюции этого параметра позволяет сделать вывод о разделении ОСН на два класса по спектральным индексам: остатки с сС* 0.5, для которых М>3 и остатки сС*£0.6, у которых Ы4 3.

3) Относительная толщина радиооболочки растет с уменьшением Ы.

4) При Ы< 7 внешний радиус радиооболочки, определенный по критерию половины максимальной поверхностной яркости, меньше радиуса ударной волны. Путем аппроксимации расчетных данных получено выражение, опнешшвдее отставание радиуса радиооболочки от радиуса ударной волны. Отмечено, что ети эффекты слабо яави-сят от используемых в расчетах входных параметров.

I 4 посвящен обсуждению условий применимости модели к реальным ОСН. Так рассмотрение откосится к ОСН, описываемых автомодельным решением. Седова, то главным припятствием реализации «одели является возможное наступление радиационной фазы. Доя наблюдательного проявления предсказанных эффектов, необходимо, чтобы ОСН эволюционировал в разреженной среде. Проведено краткое обсуждение проблемы действия механизма регулярного ускорения на фазе интонсивного высвечивания ОСН.

ГЛАВА II посвящена сравнению модели с наблюдениями н

интерпретации кмаодихся данных раднонаблвдений. »

В $ 5 проведено краткое обсукдение проблемы происховде1Л* ашнрпчаскнх ¿ф) - вависимостей и анализ существующих таоро-тачвекнх моделей радиоизлучения оболочечных ОСН. Дзя статистического сравнения предложенной в работе модели с наблюдениями

1ропаведен выбор наблюдательных данных. Приведены таблицы, содержащих информацию о 24 галактических ОСН с известными рассто-тилми и 30 ОСН в Большом и Малом МО. При выборе наблюдательно материала автор руководствовался тем, чтобы материал был ¡днородный и принадлежал одному автору.

В § 6 проведен выбор и анализ входных параметров модели. )дним из наблюдательных параметров ОСН является диаметр, в то фемл как в моделях в качестве параметра, характеризующего 1ВОЛЮЦИЮ ОСН выбрано число Маха. Для седовского закона растления радиус ударной волны R и число !'аха II связаны ссотнопа-1ием И « M0(20/R)3/2, где RQ и MQ - радиус и число Маха в мо-гент, когда начинается седовская фаза. Установлена связь между 10 к RQ с такими параметрами как начальная кинетическая энор-ня выброшенной при вспышке сверхновой оболочки, концентрация давление вещества LJ3C. За RQ принят не радиус ОСН, обычно пределяешй из условия равенства выброшенной сверхновой и иаг-сбенной оболочкой масс, а гораздо кеньйее значение. Приведено боснование такого выбора. Отдельно обсуждается вопрос о маг-итных полях в ОСН. Для расчетов выбран случай, когда напря-енность межзвездного магнитного поля пропорциональна плот-ости среды. Для параметра Белла ty-tf^/ft выбрано значение

1Телы!шг: распределением. Для сравнения выбран и приведен таблице список 9 моделей. Отмечается, Что наблюдаемый избы-эк ОСН с диаметрами 30 - 40 пс не является результатом оффек-эв селекции, а следствием того факта, что при этих диаизтрах эресекаются и сближаются Т0) - треки ОСН, зволюционирующих-I в разных условиях ШС. Из общего согласия наблюдений с рас-

треков с наблю-

четами делается вывод о реальности сделанных приближений. По данным об ОСИ в МО проведано сравнение радио, pt.frгановских и оптических диаметров. Из 20 ОСН в БМО для 18 известны ради и рентгеновские диаметры. Из этого числа для 16 ОСН рентгено ские диаметры больше радиодиаметров более чем на 5?6. Из 30 О в БМО и КЫО с известными радио и оптическими диаметрами для остатков оптические диаметры больше радиодиаметров. Эти дакн рассматривается как факт, говорящий в пользу регулярного мех низма. Проведено также сравнение теоретических треков " пото - диаметр" с наблюдательным распределением.

$ 8 посвящен исследованию спектрального индекса радиоиз лучения. По 67 ОСН из каталога Грина (1991) построена гистограмма' "спектральный индекс - число остатков". Выявлен пи» при 0.6, который рассматривается как подтверждение пр* сказания модели и как важный аргумент в пользу регулярного ускорения. На гистограмме наблюдается также избыток ОСН с <Х 0.4, который не объясняется регулярным механизмом. Рассматр{ вается несколько возможных объяснений происхождения этого т В рамках регулярного ускорения объясняется отсутствие кoppeJ ции с другими наблюдательными параметрами ОСН.

В § 9 проведено моделирование 1(1>)'& 5^(2))- распределен! с помощью метода Монте-Карло при следующих предположениях: I) максимальный возраст ОСН 2.5 10^ лет; начальные энергии 1

массы выброшенных оболочек генерируются случайным образом &

сл 5т

ответственно из интервалов 10 - 10 эрг и 0.5 - 10 Ыд;

3) Каждый ОСН расширяется по закону Седова в однородной сре,

плотность которой генерируется случайным образом из интерва 3 3

5 10 - 5 см , который разбит на три "фазы", согласно ста

тной модели Макки-ОетраПкера; 4) Для магнитного поля ЮС нята зависимость Не<и/3( Па - концентрация частиц в ШС). смоделированным данным построоны и 2>Х(Ь) - распределе-, которые имеют больное сходство с наблюдательными распре-ениями. Проведен статистический анализ. Выявлено, что ве-ина поверхностной радногтркости ныеот более высокая степень реляции с плотностью среда чем с диаметром. Получено, что екты селекции не так сильно влияют на эмпирические IL (Х>) -исимости, как неоднородность ¡J3C. Предлагается, что для эделения расстояний до ОСН может бить использована завиеи-гь вида ^ (Dj П.) вместо обычно используема« Z (2>) - зави-зстзй. Построена гистограмма "число остатков - спектральный ;кс", где также видны два пина: приСУ» 0.5 и ~ 0.6. Иссле-ша проблема h/feD)-]) - зависимости. Как и о случае наблю-!Й,показатель этой зависимости приблизительно равен сдини-а не 2."5, что следует из закона расширения Седова. Отсюда тн вывод, что основным аффектом, приводящим к зависимости 1>) °<Х>1 , является неоднородность ШС.

ГЛАВА III посвящена молодому ОСН Кассиопея А, » которому »тенима протая модель радиоизлучения. В 5 10 приводятся ме о радиоизлучении этого пекулярного во многих отнолзкиях

Отмечается, что эти данные но согласуются с оочовтлти дами подели, основанной на мзханизма регулярного ускорения, новном это касается векового умекьзокия потока радкопзлу-я н спектрального индекса. Отмочаотся, что наблюдения на них частотах (> 30 ГГц) выявляет ипбнтоа потока над оеь ьм при интерполяции единиц стопоннкн сглвтрои. В сабяяцэ едены потоки, изкорешие на эпоху 1983-1965гг. По этим

данным получен спектр радиоизлучения в виде суммы двух степенных спектров. Причем второй компонент со спектральным индексом 0.5 возникает на внешей ударной волне по предложенной в данной работе схеме. Этот компонент не дает вклада в вековое уменьшение потока и проявляется на высоких частотах.Предоказывает-ся, что на частотах >> 30 ГГц радиопоток от Кассиопеи А должен быть растущим со временем. Вклад второго компонента на частоте I ГГц оценивается в 1556. Отмечается, что наиболее вероятным механизмом ускорения олектроиов, ответственных за возникновение первого компонента, также является механизм регулярного ускорения, но действующий на возвратной волне и/или на головных ударных волнах, Бознлкавдихся при движении плотных образований в оболочке ОСП. Как следует из теории, ускоренные при таких условиях частицы должны иметь более крутой спектр, чем в случае плоской бесконечной волны. Делается предположение, что и в других молодых ОСН радиоизлучение возникает таким же образом.

В § XI проведен анализ имеющихся рентгеновских данных в жестком (>10 кэВ) диапазоне. Из предположения, что рентгеновский спектр при энергиях фотонов 25 кэВ определяется тормознш излучением ускоренных регулярным механизмом с тепловых анергий олектроиов, а также используя радиоданные, оценивается величин* напряженности магнитного поля (1.5 - 4) 10"^ Гс. Предсказывается ожидаемые потоки тормозного гамма-излучения электронов и 50 и 100 ЫэВ в предположении о едином спектре от тепловых до ультрарелятивистских энергий.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ приведены основные результаты, полученные в работе.