Нетепловое электромагнитное излучение в структурированной астрофизической среде

Флейшман, Григорий Давидович

Нетепловое электромагнитное излучение в структурированной астрофизической среде тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Флейшман, Григорий Давидович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.03.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по астрономии на тему «Нетепловое электромагнитное излучение в структурированной астрофизической среде»

Автореферат диссертации на тему "Нетепловое электромагнитное излучение в структурированной астрофизической среде"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

г г а од

* ^ - • На правах рукописи

Флейшман Григорий Давидович

НЕТЕПЛОВОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В СТРУКТУРИРОВАННОЙ АСТРОФИЗИЧЕСКОЙ СРЕДЕ

(специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

в.н.с. В.М.Богод,

-доктор физико-математических наук, профессор Ю.Н.Гнедин,

- доктор физико-математических наук, профессор В.В.Тамойкин. Л

Ведущая организация - Санкт-Петербургский

государственный университет.

Защита диссертации состоится " $I" _1998 г.

в 1 ^ часов на заседании специализированного совета Д.003.23.01 при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу 194021, С.-Петербург, Политехническая ул.^6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института.

Автореферат разослан " ^ " ^ _______1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук А.Л.Орбели

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРТСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Под нетепловым электромагнитным излучением понимают излучение, испущенное заряженными частицами с функцией распределения, отличающейся от равновесной. Наличие таких нетепловых частиц является следствием их ускорения в результате процессов более или менее сильного энерговыделения в плазме. Другим следствием мощного энерговыделения в плазме является изменение самой среды, ее параметров и структуры. В качестве примера таких структурированных астрофизических сред можно привести многофазную межзвездную среду в нашей Галактике; возмущенную ансамблями ударных волн от вспышек сверхновых звезд горячую плазму в ассоциациях О и В звезд; атмосферы звезд (в частности, Солнца), заполненные сложными конфигурациями магнитного поля (магнитными петлями).

Наряду с указанными крупномасштабными неоднородностями в астрофизической плазме обычно возникают и мелкомасштабные неоднородности ее параметров, связанные с возбуждением в ней коротковолновой турбулентности.

Процессы генерации и распространения электромагнитного излучения в структурированной среде могут происходить существенно иначе, чем в однородной плазме. Так, ансамбли ударных волн модифицируют спектры ускоренных частиц, что приводит к изменению спектров как синхротронного радиоизлучения, так и жесткого рентгеновского и гамма излучения. Многофазность межзвездной среды влияет как на испускание радиоизлучения, так и на его распространение (в частности, поглощение). В результате характеристики принимаемого на Земле излучения несут важную информацию о структуре и параметрах межзвездной среды.

В данной работе мы будем различать крупномасштабные и мелкомасштабные неоднородности среды. К последним относятся неоднородности с масштабами (длинами корреляции), сравнимыми или меньшими тех, на которых происходит элементарный акт испускания заряженной частицей электромагнитной волны. Иначе говоря, мелкомасштабные неоднородности плазмы влияют на микроскопический процесс излучения волн отдельной частицей, изменяя спектральные и поляризационные характеристики генерируемого излучения.

Крупномасштабные неоднородности не влияют на спектр излучения отдельной частицы. Их роль может состоять как в формировании функций распределения заряженных частиц (при ускорении ансамблем ударных волн, при движении в магнитных ловушках и т.д.), так и в модификации процессов переноса электромагнитного излучения по сравнению с аналогичной однородной плазмой.

Во всех этих случаях принимаемое на Земле излучение несет информацию о свойствах среды в астрофизических условиях. Однако, эта информация может быть получена из наблюдательных данных только на основе детально разработанной теории. Таким образом, развитие такой теории представляет собой актуальную проблему.

Целью диссертационной работы является разработка теории излучения заряженных частиц в структурированных, случайно-неоднородных астрофизических средах и ее приложение к анализу наблюдений.

Научная новизна работы состоит в следующем. Впервые разработана теория переходного излучения частиц произвольной энергии в случайно неоднородной плазме с учетом всех существенных в астрофизических условиях факторов: регулярной и стохастической кривизны траекторий, гиротропии плазмы, кулоновских столкновений, особенностей дисперсии среды вблизи собственных частот плазмы. На основании детального исследования свойств циклотронного мазерного излучения,

генерируемого степенным распределением неравновесных электронов, и их сравнения с полным набором наблюдательных данных о солнечных миллисекундных радио спайках впервые доказано, что этот тип солнечного радиоизлучения создается циклотронным мазерным механизмом, а также впервые установлена реалистическая модель их генерации. Дана новая трактовка радиоизлучения с плоскими спектрами из протяженных HII областей (связанных с ассоциациями О и В звезд), согласующаяся с наблюдениями в широком диапазоне электромагнитных волн (вплоть до гамма - излучения). Пересмотрена проблема формирования низкочастотного фонового радиоизлучения Галактики; в рамках новой модели получены достаточно точные оценки усредненных параметров местного межзвездного облака, окружающего солнечную систему.

Научное и практическое значение работы состоит в создании теории переходного излучения в астрофизических условиях, развитии теории циклотронного мазерного излучения, нахождении нового режима работы нелинейного плазменного механизма радиоизлучения. Полученные результаты важны как для подготовки новых наблюдательных программ, так и для интерпретации уже накопленных данных.

Апробация. Результаты работы опубликованы в 30-ти научных статьях [1-30] и представлялись на российских и международных конференциях:

Flares 22 workshop "Dynamics of solar flares", Chantilly, France, October 1619, 1990 [31];

Межрегиональная конф. по радиоастрономическим исследованиям Солнечной системы, Н.Новгород, 1992 [32-33]; IAU colloquiun N 142 "Particle accélération phenomena in astrophysical plasmas" Maryland, USA, 1992 [3435]; CESRA workshop "Fragmented energy release in sun and stars", Utrecht, Netherlands, October 1821, 1993 [36]; CESRA workshop "Coronal magnetic energy releases", Potsdam, Germany, May 1620, 1994;

XXV радиоастрономическая конференция, Пущино, 1993 [37];

XXVI радиоастрономическая конференция, СтПетербург, 1995 [3839];

Межрегиональная конф. по радиоастрономическим исследованиям Солнечной системы, Пулково, 1996 [40];

Volga international summer school on space plasma physics, June 1-12, 1993;

Third Volga international summer school on space plasma physics, June 111,1997;

Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах сектора теоретической астрофизики, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН; кафедры теоретической физики СПбГТУ; НИРФИ, ИПФРАН (Н.Новгород).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из семи глав (включая введение и заключение) и списка литературы, всего 250 стр., 61 рис., 1 таблица. Список литературы включает 257 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В вводной главе диссертации обосновывается актуальность темы, описывается ее структура, цель, научное и практическое значение работы, формулируются основные научные положения, выносимые на защиту.

Изложение теории нетеплового излучения в структурированных средах начинается с обсуждения роли мелкомасштабных неоднородностей, поскольку они влияют на элементарные акты испускания волн благодаря включению новых (по сравнению с однородной плазмой) механизмов излучения. Естественно, что традиционные механизмы излучения, реализующиеся в однородной плазме (тормозное, обратное комптоновское, магнитотормозное), работают и в плазме со случайными неоднородностями. Однако, в среде с неоднородностями возникают новые когерентные эффекты, в

частности, когерентное тормозное излучение и переходное излучение.

Оказывается, что макроскопические неоднородности среды могут существенно повлиять на формирование тормозного излучения релятивистскими частицами и привести к тому, что кроме известного некогерентного излучения Бете-Гайтлера появится добавочное когерентное тормозное излучение.

При поляризационном тормозном излучении быстрая частица обменивается со средой виртуальным фотоном с импульсом я, но в данном случае квант света излучают электроны среды. Поэтому учет степеней свободы среды обязателен, хотя квантовое состояние среды может и не изменяться: возможен как упругий по отношению к среде процесс, так и неупругие процессы. Что касается когерентных эффектов, при поляризационном тормозном излучении, то они могут быть двух типов. В области частот со < с/И., где К - радиус экранирования (радиус атома или радиус Дебая в плазме), все электроны атома или дебаевской сферы излучают когерентно. Но если в среде есть макроскопические неоднородности масштаба 1, то при ~ 2л/1, возникает еще один когерентный эффект - переходное излучение, когда все электроны среды, находящиеся в объеме когерентности (существенно превышающем объем дебаевской сферы), излучают когерентно. Отметим, что в обоих случаях как обычного, так и поляризационного тормозного излучения, среда получает или отдает отличный от нуля импульс.

Другой тип когерентного испускания электромагнитных волн может возникнуть, когда в среде имеется ансамбль нетепловых частиц. Если эти частицы сгруппированы в сгустки с масштабом порядка длины излучаемой волны, то результирующее излучение будет пропорционально квадрату (а не первой степени) числа частиц. Особый интерес представляет случай, когда такая группировка возникает под действием самого генерируемого в среде излучения, приводя к той или иной неустойчивости. "Затравочное" излучение при этом может генерироваться

различными механизмами, соответственно различают циклотронный мазерный, переходный мазерный, плазменный и т.д. механизмы излучения. Теоретическому исследованию указанных типов когерентности посвящены главы 2-4.

Во второй главе проводится классификация различных когерентных эффектов в однородных средах и средах с неоднородностями, и излагается теория переходного излучения ультрарелятивистских частиц в магнитоактивной плазме со случайными неоднородностями. Ультрарелятивистский предел рассматривается отдельно от анализа излучения частиц произвольной энергии не случайно. Дело в том, что ультрарелятивистское приближение может быть применимо только на достаточно высоких частотах, превосходящих собственные частоты среды (в частности, плазменную частоту), где диэлектрические свойства любой среды описываются универсальной плазменной формулой. Следовательно, и полученные результаты применимы для анализа излучения ультрарелятивистских частиц в любых средах, от плотных твердотельных лабораторных мишеней до разреженной астрофизической плазмы.

Теория переходного излучения, существовавшая до настоящей работы, была фактически неприменима для типичных астрофизических условий, поскольку не учитывала многих физических факторов, радикально меняющих свойства переходного излучения (ПИ) по сравнению с ранее известными. В частности, при рассмотрении ПИ не учитывалось влияние магнитного поля ни на свойства среды, ни на траектории быстрых частиц. Не рассматривалось влияние рассеяния частиц в среде на спектры ПИ. Не было корректно рассмотрено ПИ, генерируемое умеренно релятивистскими частицами, а также ПИ, возникающее вблизи собственных резонансных частот плазмы. В настоящей работе описаны все перечисленные эффекты и, таким образом, создана теория, пригодная для практических приложений к

астрофизическим условиям, а также приведены примеры таких приложений.

При учете вращения релятивистской частицы в магнитном поле интенсивность переходного излучения уменьшается при увеличении магнитного поля (I ~ ЕГ2/3 в отличие от того, что имеет место для синхротронного излучения), то есть происходит подавление переходного излучения магнитным полем. Полный спектр излучения разбивается на четыре степенных участка: I -кГ2 при со «со», I ~ со у"10/3 при со. « со « сору, I ~ со "у"4/3 при сору « со « <вв у2,1 ~ со "У~2 при со » сов у2. Таким образом, при со > со. интенсивность переходного излучения быстро уменьшается, а основная доля излучения сосредоточена в области частот со < со». Этот эффект наблюдается, если со. < сору. В результате кривизна траектории частиц с достаточно высокой энергией полностью меняет характер их переходного излучения, подавляя излучение на частотах со < сору, где прямолинейно движущаяся частица излучала бы основную долю энергии.

Поскольку частица, движущаяся по винтовой линии в плазме со случайными неоднородностями, генерирует наряду с переходным и синхротронное излучение, заметим, что на частотах о < су/ последнее экспоненциально мало вследствие эффекта плотности, тогда как переходное излучение сосредоточено как раз в этой области частот. Эффект подавления ПИ магнитным полем имеет место на частотах со» < со < сору. Синхротронное излучение протонов и других ядер очень мало из-за их большой массы, так что для них ПИ может доминировать над синхротронным излучением и при со > сору. Таким образом, эффект подавления ПИ магнитным полем происходит на тех частотах, на которых оно оказывается основным механизмом излучения как для электронов, так и для тяжелых частиц. Таким образом, типичной оказывается ситуация, когда переходное излучение значительной части электронов сильно подавлено, тогда как для тяжелых частиц влияние магнитного поля не существенно вплоть до достаточно

высоких энергий. Этот факт делает актуальным исследование переходного излучения слабо и нерелятивистских частиц на не слишком высоких частотах (вблизи плазменной частоты), чему посвящена третья глава.

Характер эффекта подавления переходного излучения несколько модифицируется, если кривизна траектории частицы вызвана ее движением вдоль искривленной силовой линии очень сильного магнитного поля или вызвана ее рассеянием в среде либо на кулоновских центрах, либо случайными электромагнитными полями.

Переходное излучение в магнитоактивной плазме приобретает ряд новых свойств. В частности, при определенных условиях появляются расходящиеся выражения, например, если выполнено условие излучения Вавилова-Черенкова для необыкновенной волны, поскольку вероятность .рассеяния черенковского кванта на бесконечной длине (в неограниченной непоглощающей среде) равна бесконечности. При рассмотрении конкретных ограниченных сред эта расходимость может быть устранена.

При приближении к черенковскому порогу (но когда условие Вавилова-Черенкова еще не выполнено) может иметь место аномальное увеличение интенсивности излучения (необыкновенных волн). Подобное возрастание излучения связано с увеличением длины когерентности при приближении к черенковскому порогу (виртуальные фотоны становятся "почти" реальными). Тем не менее, в реальных условиях рост излучения может ограничиваться вследствие многих факторов: конечности основного масштаба неоднородностей плотности плазмы, кривизны траектории или торможения частицы в плазме и т.п.

Кроме того, интенсивность необыкновенных волн возрастает в области циклотронного резонанса. Здесь, однако, генерируется более интенсивное циклотронное излучение.

В магнитоактивной плазме обыкновенные и необыкновенные волны генерируются существенно по-разному, что приводит к

испусканию сильно поляризованного излучения. При движении частицы вдоль магнитного поля переходное излучение заметно ослабляется на низких частотах из-за подавления поперечного движения электронов плазмы магнитным полем. При поперечном движении релятивистской частицы (протона) в условиях сильной гиротропии обыкновенные волны испускаются значительно эффективнее, чем необыкновенные. Переходное излучение электронов в этих условиях сильно подавлено вследствие искривления их траекторий магнитным полем. На частотах, превышающих гирочастоту, поляризация излучения также может быть весьма высокой. Наблюдение и анализ поляризационных характеристик излучения часто оказывается решающим фактором при идентификации механизмов космического электромагнитного излучения. Для астрофизических приложений важно, что степень поляризации на данной частоте определяется практически только величиной магнитного поля (точнее, его продольной компонентой), что, в принципе, дает дополнительный способ определения магнитного поля в источниках излучения, например, в солнечных вспышках.

В случае переходного тормозного излучения, поляризация на высоких частотах также соответствует преимущественному испусканию необыкновенных волн, однако величина степени поляризации в данном случае более высокая, чем для переходного излучения.

В третьей главе теория переходного излучения обобщается на случай частиц произвольной энергии и любых частот (выше плазменной). Среда при этом по-прежнему описывается плазменным тензором диэлектрической проницаемости, который на этих частотах не является одинаковым для различных сред. Поэтому конкретные результаты, полученные в этой главе, применимы только для излучения частиц в плазме.

С резонансными эффектами в переходном излучении мы уже сталкивались при рассмотрении ПИ ультрарелятивистских частиц в Главе 2. Сюда относится резкое возрастание интенсивности ПИ

вблизи порога черенковской генерации необыкновенных волн или вблизи циклотронной частоты. Аналогичное явление происходит и при приближении к другой собственной частоте плазмы -ленгмюровской частоте Этот эффект является более универсальным, поскольку возникает всегда, независимо от соотношения циклотронной и плазменной частот. Переходное излучение, генерируемое вблизи плазменной частоты, мы будем называть резонансным переходным излучением (РПИ).

Поскольку фазовая скорость поперечных волн вблизи плазменной частоты значительно больше скорости света, то при вычислении резонансного переходного излучения с точностью до (у/урь) достаточно ограничиться вкладом продольного поля быстрой частицы {нерелятивистское приближение). Однако, диэлектрическая проницаемость, входящая в выражение для этого поля, должна быть записана с учетом пространственной дисперсии. Вычисления показывают, что вблизи плазменной частоты в спектре ПИ возникает большой узкий пик, в котором сосредоточена основная энергия излучения.

Эффект, аналогичный резонансному переходному излучению, возникает и в присутствии лишь тепловых флуктуаций фоновой плазмы. Эффект увеличения интенсивности поляризационного тормозного излучения (ПТИ) вблизи плазменной частоты был известен раньше. Однако, количественная оценка величины эффекта была сделана на основе экстраполяции правильных асимптотик за пределы их области применимости, тогда как корректный совместный учет временной и пространственной дисперсии в фотонных функциях Грина проведен не был.

Вычисление спектров ПТИ, справедливых на любых частотах сор< со « шру/ут , проведенное в данной работе, показывает, что истинное значение резонансного ПТИ (РПТИ) в максимуме примерно в с/ут раз превосходит существовавшую ранее оценку, таким образом, до настоящего времени величина эффекта РПТИ существенно занижалась.

Полная энергия, испускаемая РПИ, достаточно велика, чтобы оно проявлялось в природных условиях. Однако, в тех объектах, где существуют условия для испускания РПИ, имеются магнитные поля, оказывающие существенное влияние на движение частиц, дисперсию среды, излучение электромагнитных волн.

Учет влияния магнитного поля на дисперсию плазмы приводит к радикальному изменению свойств резонансного переходного излучения. Действительно, наблюдается уменьшение интенсивности РПИ в максимуме, сдвиг его, уширение пика и уменьшение полной интенсивности РПИ. В излучении изотропного ансамбля частиц появляется угловая зависимость и отличная от нуля поляризация с преимущественным испусканием обыкновенных волн. Степень поляризации может достигать десятков %, а в некоторых случаях - практически 100%. Важно, что высокая интенсивность рассмотренного излучения делает его конкурентно-способным по сравнению с другими, ранее известными механизмами нетеплового излучения.

Поскольку интенсивность РПИ велика, то оптическая толщина радиоисточников по переходному излучению может превышать единицу. В работе вычислены соответствующие коэффициенты реабсорбции для изотропных и анизотропных распределений частиц и выяснены условия, при которых возможно развитие неустойчивости РПИ (переходное мазерное излучение).

Основные свойства мазерного РПИ, доступные наблюдательной проверке, сводятся к следующему:

принципиально отсутствует гармоническая структура радиоизлучения, генерируемого мазерным РПИ: существенно усиливается только излучение вблизи локальной плазменной частоты.

- наибольшее усиление происходит в направлении внешнего магнитного поля.

- наличие неустойчивости РПИ не чувствительно к особенностям энергетического спектра электронов в области 1 МэВ, так что мазерное РПИ может как сопровождаться, так и не сопровождаться

мягким гамма-излучением, в отличие от циклотронного мазерного излучения.

Четвертая глава посвящена анализу когерентных эффектов, возникающих при распространении излучения в плазме с примесью неравновесных нетепловых электронов. Такие популяции электронов естественно возникают при движении заряженных частиц в магнитных структурах (петлях) в атмосферах Солнца и звезд. При этом когерентные эффекты проявляются в форме неустойчивостей, приводящих либо к генерации циклотронного мазерного излучения, либо к усилению плазменных волн с их последующей конверсией в электромагнитные (плазменный механизм радиоизлучения). В данном разделе особое внимание уделено выбору адекватных уравнений и исходных параметров модели.

В Главе 3 получен эффект усиления переходного излучения при наличии анизотропного распределения быстрых • частиц -переходное мазерное излучение. Ясно, что такие распределения могут усиливать и другие типы излучения - циклотронное и плазменное. Для того чтобы надежно различать между собой эти механизмы излучения в наблюдениях, требуется их детальная теоретическая проработка, выяснение "ключевых" свойств, характерных для каждого из указанных механизмов.

Интерес, проявляемый в последние годы к теории циклотронного мазерного излучения (ЦМИ), связан с большим объемом данных радионаблюдений интенсивного нестационарного радиоизлучения Солнца, некоторых планет и звезд. Это излучение часто имеет когерентный характер, о чем свидетельствуют его высокие яркостные температуры, Т <1018 К. Одним из возможных механизмов такого излучения является ЦМИ. Иногда, например, для аврорального километрового излучения, имеются прямые подтверждения работы циклотронного мазерного механизма, полученные путем измерения функции распределения частиц и спектра электромагнитных волн на космических аппаратах. Для

другого типа излучения, солнечных радиоспайков, имеются косвенные свидетельства работы этого механизма.

Некоторые свойства наблюдаемого мощного радиоизлучения (узкая частотная полоса, высокие яркостные температуры, возможность 100% поляризации) были с успехом объяснены на основе линейного анализа инкрементов собственных мод магнитоактивной плазмы. Однако, целый ряд важных характеристик такого излучения (длительность и временной профиль, повторяемость пиков, спектральный состав и др.) требует использования нелинейной теории и максимально реалистических исходных предположений модели. Интерпретация радиоспайков плазменным механизмом рассматривается как одна из возможных альтернатив циклотронному мазерному излучению, т.е. прямому усилению поперечных волн быстрыми электронами. В четвертой главе выводится и анализируется система уравнений для циклотронного мазерного излучения, вычисляются линейные инкременты высокочастотных собственных мод плазмы, исследуется роль различных нелинейных эффектов.

Исходя из результатов этого рассмотрения, сформулированы основные предсказания модели ЦМИ, генерируемого степенным распределением электронов.

1 .Излучение генерируется в отдельных узких областях в интервале со = (1-2.5) со ве.

2.Направление преимущественного усиления волн варьируется от продольного до квазипоперечного в зависимости от параметра У.

3.ЦМИ обязательно сопровождается жестким рентгеновским излучением, тогда как мягкое гамма-излучение отсутствует или имеет низкую интенсивность.

4.Вероятность выполнения условий циклотронной неустойчивости тем выше, чем жестче спектр электронов в области Е - 10-200 кэВ.

5.Типичная форма фазы роста импульса излучения описывается гауссовским законом.

б.Отношения гармонических полос излучения в общем случае не целые.

Показано также, что при определенных условиях ЦМИ может давать осциллирующее излучение. Аналогичный осциллирующий режим для нелинейного плазменного механизма излучения был известен довольно давно. Тем не менее, существующая теория опиралась на некоторые приближения, точность которых является плохо контролируемой. Поэтому был предпринят численный анализ интегро-дифференциального уравнения для нелинейного плазменного механизма.

Такой- анализ приводит к ряду новых результатов. Во-первых, наряду с режимом квазипериодических осцилляций может реализовываться и режим непериодических пульсаций, в зависимости от формы области неустойчивости плазменных волн. Во-вторых, временные профили отдельных импульсов излучения различаются в двух указанных случаях (и отличаются от импульсов ЦМИ). В-третьих, правильные значения периодов осцилляций зависят от величины максимального инкремента, а не от значения характерного (максимального) декремента в нерезонансной области.

В пятой главе теоретические результаты, изложенные в главах 2-4, применяются для интерпретации различных типов нестационарного радиоизлучения солнечных вспышек и диагностики вспышечной плазмы.

Наличие релятивистских частиц и магнитоактивной турбулентной плазмы типично для большинства астрофизических объектов. Однако, для многих источников, таких как радиогалактики или остатки сверхновых звезд, переходное излучение генерируется в низкочастотном диапазоне длин волн и не может наблюдаться с Земли из-за поглощения в меж звездной среде и непрозрачности атмосферы.

Одним из примеров, где ПИ дает наблюдаемый вклад в радиоспектры, являются солнечные вспышки. Соответствующие радиоспектры объясняются переходным излучением релятивистских

частиц, если в плазме имеются неоднородности плотности с относительной величиной - 10"2'4

В плавно неоднородном источнике (такую ситуацию естественно ожидать в стратифицированных атмосферах Солнца и звезд) более существенным оказывается резонансное переходное излучение. В солнечной короне фактор превышения РПИ над ПИ порядка 30-100 (при преимущественной поляризации, соответствующей обыкновенным волнам). Это значит, что для генерации переходным механизмом наблюдаемого радиоизлучения достаточно иметь весьма низкий уровень неоднородностей ~ 10"4"6, так что предложенная схема анализа радиоизлучения солнечных вспышек весьма перспективна для определения уровня мелкомасштабных неоднородностей плазмы (или соответствующих верхних пределов) во вспышечных петлях.

Сверхтонкая временная структура радиоизлучения солнечных (и звездных) вспышек содержит важную информацию о процессах ускорения заряженных частиц, их динамике во вспышках, механизмах излучения. После открытия быстрых флуктуаций микроволнового излучения вспышек выяснилось, что миллисекундные особенности радиоизлучения весьма разнообразны, и они, по-видимому, не могут быть объяснены в рамках какого-то одного механизма излучения или одной модели.

В данном разделе анализируются резкие уменьшения потока радиоизлучения и квазипериодические пульсации во вспышке, зарегистрированной 17 ноября 1991 (811Е86) в 7:00-7:12 1Л в излучении На, мягком и жестком рентгеновском диапазонах, и сопровождавшейся радиоизлучением на частотах 0.65-9.3 ГГц.

Показано, что в событии 17 ноября 1991 реализуется нелинейный плазменный механизм радиоизлучения при повторяющейся инжекции быстрых электронов вверх. Эта модель позволяет определить следующие параметры для данной вспышки: плотность фоновой плазмы, кинетическая температура электронов, магнитное поле, уровень плазменной турбулентности, яркостная температура, линейный размер источника, плотность захваченных

электронов, плотность инжектированных электронов, энергия инжектированных электронов, длительность инжекции.

Радиоспайки представляют собой еще один вид сверхтонкой временной структуры радиоизлучения солнечных вспышек, характеризующийся более или менее случайным распределением отдельных импульсов излучения на динамическом спектре. Наиболее общие свойства радиоспайков, такие как короткая длительность, высокая поляризация, высокая яркостная температура и узкая частотная полоса импульсов радиоизлучения, могут быть объяснены в рамках различных моделей и механизмов радиоизлучения. По этой причине до сих пор не была установлена не только модель генерации радиоспайков, но даже механизм их излучения, что не позволяло использовать их диагностический потенциал. В работе обсуждаются полученные к настоящему времени наблюдательные данные и проанализирована возможность их интерпретации в рамках различных теоретических моделей, учитывая, что детальные предсказания различных моделей и механизмов различаются между собой.

Сделан вывод о том, что модель, согласно которой радиоспайки генерируются в корональных арках с достаточно сильными неоднородностями магнитного поля циклотронным мазерным механизмом вблизи 1й и 2й гармоник локальной гирочастоты при реализации достаточно жесткого кусочно-степенного энергетического спектра нетепловых электронов, адекватно описывает всю совокупность наблюдательных данных и ее следует принять за основу при дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях дециметровых и микроволновых радиоспайков.

Основные черты полученной нами модели радиоспайков следующие. Энергетическим источником излучения радиоспайков являются нетепловые, умеренно релятивистские электроны с жестким степенным энергетическим спектром в области от десятков кэВ до нескольких сотен кэВ и обрывом (укручением) при Е > 300 кэВ. Угловая часть функции распределения (точная

функциональная зависимость которой пока не установлена) флуктуирует вследствие движения электронов в корональной арке с более или менее сильными неоднородностями магнитного поля. В отдельных участках арки (локальных ловушках) величина анизотропии распределения оказывается достаточной для развития циклотронной неустойчивости. Вероятность выполнения условий неустойчивости тем выше, чем жестче энергетический спектр электронов, поэтому наибольшее количество спайков генерируется на фазе наиболее жесткого спектра частиц (и, соответственно, рентгеновского излучения). Таким образом, радиоспайки возникают не из-за фрагментации первичного энерговыделения, как считалось ранее, а вследствие "вторичной" фрагментации -наличия в петле достаточно сильных неоднородностей магнитного поля, хотя сами эти неоднородности, по-видимому, являются непосредственным следствием первичного энерговыделения.

Шестая глава посвящена анализу диффузного излучения галактической межзвездной среды. В качестве особого класса нетепловых диффузных источников рассматриваются ассоциации О и В звезд, ускорение частиц в которых происходит под действием ансамблей ударных волн от вспышек сверхновых на определенном этапе эволюции ассоциации. Главным отличием таких объектов от других нетепловых источников является плоский спектр радиоизлучения (аналогичный тепловым спектрам в оптически тонкой области). Поэтому отличить эти источники от тепловых удается лишь с использованием наряду с радиоданными также рентгеновских и гамма-наблюдений. Вторым примером, в котором учет крупномасштабной структурированности является принципиально необходимым, является фоновое радиоизлучение Галактики на предельно низких частотах. Спектр этого излучения подробно исследован в двух последних параграфах шестой главы.

Межзвездная среда (МЗС) представляет собой яркий пример структурированной астрофизической плазмы. Действительно, диапазон пространственных масштабов неоднородностей очень широк, от крупномасштабной спиральной структуры Галактики до

очень мелкомасштабных неоднородностей плазмы порядка 107 см. МЗС характеризуется многофазностыо, то есть содержит области, существенно различающиеся своими физическими параметрами (плотность, температура, размеры и т.п.): плотные холодные молекулярные облака; облака Рейнольдса (зоны НН низкой поверхностной яркости с концентрацией пе ~ 0.2 см"3, температурой Т ~ 104К, линейным размером ~ 30-50 пк и объемным фактором заполнения порядка 20%), окруженных газом с более низкой электронной концентрацией; области, заполненные горячим (Т ~ 10бК) разреженным (пе ~ 0.003 см"3) "корональным" газом с фактором заполнения 10-50%. По существующим представлениям, внутри таких областей также имеется развитая турбулентность, связанная, например, с ударными волнами, возникающими при взрывах сверхновых звезд.

В настоящей главе рассматриваются особенности генерации синхротронного излучения в активных областях, связанных с ассоциациями О и В звезд (порождающих вспышки сверхновых).

Сделан вывод о том, что указанные активные области представляют собой особый класс нетепловых диффузных источников, основными чертами которого являются: плоский радиоспектр синхротронного излучения вплоть до частот порядка нескольких ГГц и изломом на этих частотах; жесткий спектр рентгеновского и гамма-излучения со светимостью порядка 1035 эрг/с.

Далее исследуется низкочастотное фоновое радиоизлучение Галактики. Галактическое синхротронное излучение (со степенным распределением по частотам от нескольких ГГц до нескольких МГц) несет информацию о распределении релятивистских электронов и магнитных полей в Галактике. При уменьшении частоты наблюдения на параметры синхротронного радиоизлучения начинает влиять межзвездная среда (МЗС), в которой это излучение генерируется и распространяется. Раньше всего проявляется эффект Фарадея, приводящий к деполяризации излучения, а на еще более низких частотах включается тормозное

поглощение радиоволн и эффект плотности (эффект Разина-Цытовича). Это означает, что исследование достаточно низкочастотного радиоизлучения несет информацию не только о магнитных полях и релятивистских электронах, но и о самой межзвездной среде (ее концентрации, температуре, пространственном распределении и т.п.).

Особый интерес в этом плане представляет анализ галактического радиоизлучения на предельно низких частотах, Г < 3 МГц, где поведение спектра радикально отличается от ситуации на высоких частотах. В частности, интенсивность излучения уменьшается более чем на два порядка при уменьшении частоты в десять раз (об этой особенности спектра говорят как о низкочастотном завале галактического радио спектра), что не может быть связано ни с какими особенностями энергетического спектра релятивистских электронов.

Прежде всего нетепловое фоновое радиоизлучение Галактики вычисляется в рамках статистически однородной модели (как и в предшествующих работах), но с учетом современных данных о структуре МЗС и различных механизмов излучения.

Последовательное применение статистически однородной модели с учетом современных представлений о структуре МЗС к анализу галактического радиофона на частотах ниже спектрального максимума, Г < 3 МГц, приводит к следующим результатам. Объяснение резкого обрыва спектра при 5 < 0.6 МГц эффектом плотности требует отсутствия заметных вариаций величины пе/В в газовом диске Галактики, по крайней мере, в областях теплого газа. Вместе с тем, вся совокупность современных наблюдательных данных и теоретических представлений свидетельствует о сильно неоднородной, многофазной МЗС, с развитой облачной структурой межзвездного ионизованного газа. Такая среда характеризуется сильными изменениями электронной концентрации теплого газа от межоблачной среды к облакам и слабой корреляцией пе с В. Таким образом, в условиях, реализованных в МЗС, Разин-эффект

приводил бы к более медленному убыванию спектра, чем это наблюдается.

Для согласования с результатами наблюдений галактического радиофона в диапазоне Г < 0.25 МГц, интенсивность радиоизлучения разреженных областей в однородной модели не должна превышать 5% от интегральной интенсивности радиодиска 1(0. Этот результат представляется тем более удивительным, что на расстояниях < 0.5 кпк от солнечной системы среда, по-видимому, более разрежена, чем в среднем по диску.

Поскольку последовательное проведение однородной модели приводит к непреодолимым противоречиям, мы приходим к выводу о неприменимости однородной модели для анализа низкочастотного галактического радиоспектра и необходимости последовательного учета влияния неоднородной структуры МЗС на процессы генерации и поглощения синхротронного излучения Галактики. По этой причине проанализирована роль облаков межзвездного ионизованного газа в формировании низкочастотного галактического радиоизлучения, в частности, возможность объяснения наблюдаемой особенности 1(0 ниже 0.6 МГц поглощением радиоволн от более удаленных участков Галактики в местном межзвездном облаке (ММО). Наличие такой особенности коэффициента тормозного поглощения на расстояниях 1-10 пк от солнечной системы действительно подтверждается спектральными наблюдениями ближайших звезд. Такой подход открывает новые возможности использования наблюдений низкочастотного галактического радиоизлучения для анализа физических условий в Галактике и позволяет получить независимые оценки параметров ионизованного газа локальной межзвездной среды (ЛМЗС).

Анализ усредненного галактического радиоспектра в диапазоне 0.13-1 МГц в облачной модели МЗС с учетом поглощения радиоизлучения более удаленных участков Галактики в местном межзвездном облаке позволил определить оптическую

толщину ММО, величина которой согласуется с современными данными о локальной межзвездной среде.

Последовательное рассмотрение облачной модели МЗС переносит начало проявления Разин-эффекта в МЗС с частот ~ 0.6 МГц в область Г ~ 3-4 МГц (но не в МЗС в целом, а в более плотных облаках Рейнольдса). Это приводит к необходимости пересмотра существующей интерпретации формирования максимума усредненного спектра 1(Г) только в терминах тормозного поглощения радиоволн.

Выяснена важная роль исследований низкочастотного галактического радиоизлучения как независимого канала получения информации о структуре локальной межзвездной среды. Для этого необходимы новые наблюдения в диапазоне { < 0.2 МГц на аппаратах типа иНззеэ и WГND, функционирующих на больших расстояниях от Солнца, где эффекты квазишумового радиоизлучения околосолнечной плазмы в значительной мере ослаблены. Кроме того, наблюдения на еще более низких частотах позволят установить связь между средним значением электронной концентрации и среднеквадратичным значением, поскольку интенсивность переходного излучения, определяющего спектр на этих частотах, зависит от величины среднеквадратичной вариации электронной концентрации.

Основные научные положения, выносимые на защиту, сводятся к следующему:

1 .Теория переходного излучения релятивистских частиц в магнитоактивной плазме, включая:

1.1.Эффект подавления переходного излучения магнитным полем.

1.2.Эффект подавления переходного излучения кулоновскими столкновениями.

1.3.Спектры переходного излучения различных собственных мод в гиротропной среде.

2.Теория переходного излучения в плазме частиц произвольной энергии, включая:

2.1.Спектры резонансного переходного и поляризационного излучения в изотропной плазме.

2.2.Спектры резонансного переходного излучения при наличии магнитного поля.

2.3.Коэффициенты реабсорбции резонансного переходного излучения.

2.4.Определение условий, при которых происходит усиление переходного излучения (мазерное переходное излучение).

3.Теория циклотронного мазерного излучения при степенных энергетических спектрах излучающих электронов.

4.Объяснение явления миллисекундных солнечных радиоспайков циклотронным мазерным механизмом на основе детального сравнения предсказаний теории с совокупностью всех (накопленных к настоящему времени) наблюдательных данных.

5.Теоретическое обнаружение нерегулярного режима работы нелинейного плазменного механизма радиоизлучения (наряду с ос цилляторным режимом).

6.Диагностика вспышечной плазмы по пульсирующим радиовсплескам, генерируемым плазменным механизмом.

7.Нетепловая природа радиоизлучения с плоскими спектрами, генерируемого в ОВ ассоциациях.

8.Диагностика параметров локальной межзвездной среды по особенностям спектра низкочастотного фонового радиоизлучения Галактики.

Список литературы

1.Платонов К.Ю., Топтыгин И.Н., Флейшман Г.Д. Излучение частиц в средах с неоднородностями и когерентное тормозное излучение. УФН, 160(4), 59 (1990).

2.Платонов К.Ю., Топтыгин И.Н., Флейшман Г.Д. Когерентное тормозное излучение релятивистских частиц, движущихся в плазменном канале. Физика плазмы, 16, 1517 (1990).

3.Флейшман Г.Д. Переходное излучение релятивистской частицы, движущейся по кривой. УФН,161(1), 165 (1991).

4.Флейшман Г.Д. Подавление переходного излучения магнитным полем. ЖЭТФ,99, 488 (1991).

5.Флейшман Г.Д. Переходное излучение космических лучей в магнитоактивной случайно-неоднородной плазме. Изв. АН СССР, сер. физ. 55,2059 (1991).

6.Флейшман Г.Д. Переходное излучение релятивистских частиц в магнитоактивной плазме со случайными неоднородностями. ЖЭТФ,101, 432 (1992),

7.Корсаков В.Б., Флейшман Г.Д. О поляризации переходного тормозного излучения в слабо гиротропной плазме. Изв. вузов -радиофизика 38,887 (1995)

8.Флейшман Г.Д. Переходное излучение в спектрах некоторых радиоисточников с переменной кривизной. Астрон. журн., 66, 932 (1989).

9.Платонов К.Ю., Флейшман Г.Д. Резонансное поляризационное тормозное излучение в плазме. Письма в ЖЭТФ,59, 586 (1994). Ю.Платонов К.Ю., Флейшман Г.Д. Переходное излучение умеренно релятивистских частиц в плазме со случайными неоднородностями. ЖЭТФ.Юб, 1053(1994).

11.Fleishman G.D., Platonov K.Yu. Transition radio emission of mildly relativistic particles. Space Sei. Rev.,68, 243 (1994).

12.Платонов К.Ю., Флейшман Г.Д. Резонансное переходное излучение в магнитном поле. ЖЭТФ, 108, 1942 (1995).

1 З.Платонов К.Ю., Флейшман Г.Д. Реабсорбция резонансного переходного излучения. Изв. вузов - радиофизика 40, 941 (1997). М.Флейшман Г. Д., Чариков Ю.Е. Нелинейное насыщение циклотронного мазерного излучения. Астрон. журн.,68, 719 (1991).

15.Charikov Yu.E., Fleishman G.D. On saturation of electroncyclotron masers in solar flares. Solar Phys.,139, 387 (1992).

16.Флейшман Г.Д. Нелинейная теория циклотронного мазерного излучения. Астрон. журн.,71,401 (1994).

17.Fleishman G.D. Nonlinear treatment for solar radio spikes. I.Basic equations. Solar Physics., 153, 367 (1994).

18.Флейшман Г.Д., Ястребов С.Г. К нелинейной теории циклотронного мазерного излучения. ¡.Доминирующая мода. Астрон. журн.,71, 531 (1994).

19.Fleishman G.D., Yastrebov S.G. Nonlinear treatment for solar radio spikes. II.The fastest growing mode. Solar Phys., 153, 389 (1994).

20.Fleishman G.D., Yastrebov S.G. On harmonic structure of solar radio spikes. Solar Phys.,154, 361 (1994).

21.Fleishman G.D., Stepanov A.V., Yurovsky Yu.F. Radio signature of fragmented electron injection into a coronal loop. Solar Physics., 153, 403(1994).

22.Fleishman G.D., Stepanov A.V., Yurovsky Yu.F. Microwave burst of November 17, 1991: evidence of fragmented particle injection into a coronal loop. Space Sci. Rev.,68, 205 (1994).

23.Корсаков В.Б., Флейшман Г.Д. Периодический и нерегулярный режимы нелинейного плазменного механизма радиоизлучения. Изв. вузов - радиофизика 41, с.46 (1998).

24.Fleishman G.D., Kovaltsov G.A. Transition radio emission from gamma ray solar flares. В сб.: Ядерная астрофизика. Ред. Г.Е.Кочаров, с. 102 (1991).

25.Fleishman G.D., Kahler S.W. Microwave transition radiation in solar flares and in astrophysics. Astrophys. J.,394, 688 (1992)-

26.Bykov A.M., Fleishman G.D. On nonthermal particle generation in superbubbles. Mon. Not. Roy. Astron. Soc.,255,269 (1992).

27.Быков A.M., Флейшман Г.Д. Ускорение частиц и нетепловое электромагнитное излучение в ОВ-ассоциациях. Письма в Астрон. журн.,18, 234 (1992).

28.Byk.ov A.M., Fleishman G.D. Superbubbles in galaxies: a new class of nonthermal sources. Astron. Astrophys.,280, L27 (1993).

29.Fleishman G.D., Tokarev Yu.V. Ultra-low-frequency background radiation of the Galaxy. Astron. Astrophys.,293, 565 (1995).

30.Корсаков В.Б., Токарев Ю.В., Флейшман Г.Д. О влиянии местного межзвездного облака на спектр фонового радиоизлучения Галактики. Письма в Астрон. журн.,23,262 (1997).

31.Charikov Yu.E., Fleishman G.D. The nature of the temporal fine structure of p-waves in solar flares Proc. of Flares 22 workshop "Dynamics of solar flares", Chantilly, France, p.59 (1990).

32.Флейшман Г.Д., Ястребов С.Г. Гиросинхротронное мазерное излучение анизотропно распределенных умеренно релятивистских электронов. Межрегиональная конф. по радиоастрономическим исследованиям Солнечной системы. Тез. докл. М., с. 48 (1992).

33.Ковальцов Г.А., Флейшман Г.Д. Определение мелкомасштабных неоднородностей плотности плазмы по микроволновому излучению солнечных вспышек. Межрегиональная конф. по радиоастрономическим исследованиям Солнечной системы. Тез. докл. М.,с..68 (1992).

34.Bykov A.M., Fleishman G.D. Cosmic ray generation in superbubbles. Abstract of IAU colloquium N 142 "Particle acceleration phenomena in astrophysical plasmas" Maryland, USA, v.2 (1992).

35.Fleishman G.D. Nonlinear treatment for solar radio spikes. Abstract of IAU colloquium N 142 "Particle acceleration phenomena in astrophysical plasmas" Maryland, USA, v.2 (1992).

36.Fleishman G.D., Platonov K.Yu. Transition radio emission of mildly relativistic particles. Abstract of CESRA workshop "Fragmented energy release in sun and stars", Utrecht, Netherlands, p.17 (1993).

37.Токарев Ю.В., Флейшман Г.Д. Низкочастотная асимптотика галактического радиоспектра. XXV радиоастрономическая конференция. Тез. докл. Пущино, с.72 (1993)-

38.Корсаков В.Б., Токарев Ю.В., Флейшман Г.Д. Низкочастотное фоновое радиоизлучение Галактики. Неоднородная модель. XXVI радиоастрономическая конференция. Тез. докл. СтПетербург, с.82 (1995).

39.Платонов К.Ю., Флейшман Г.Д. Резонансное переходное излучение в магнитном поле. XXVI радиоастрономическая конференция. Тез. докл. СтПетербург, с. 100 (1995).

40.Корсаков В.Б., Флейшман Г.Д. Пульсирующий и нерегулярный режимы плазменного механизма радиоизлучения. Тез. докл. "Радиофиз. иссл. солн. сист." Пулково, с.39 (1996).

Отпечатано в типографии ПИЯФ 188350, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 151, тир. 100, уч.-изд. л. 1,4; 11.03.1998 г.

Текст научной работы диссертации и автореферата по астрономии, доктора физико-математических наук, Флейшман, Григорий Давидович, Санкт-Петербург

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

нетепловое электромагнитное излучение в структурированной астрофизической среде

Специальность 01.03.02 - Астрофизика, радиоастрономия

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Содержание

Глава 1 .Введение. ..................................................4

1.1. Постановка проблемы........................................4

1 .2. Структура и основные результаты работы.....................6

Глава 2.Переходное излучение релятивистских частиц в магнито-

активной плазме со случайными не однородно с тями............12

2.1 .Когерентные механизмы излучения в среде...................12

2.2.Теория переходного излучения, генерируемого частицей, движущейся по кривой......................................19

2.3.Подавление переходного излучения магнитным полем..........25

2.4.Влияние многократного рассеяния на переходное излучение.. 34

2.5.Переходное излучение в гиротхюпной плазме.................40

2.6.Поляризация переходного тормозного излучения..............63

Глава 3.Переходное излучение частиц произвол!,пой онергии..........69

3.1 .Переходное излучение в изотропной плазме..................69

3.2.Резонансное переходное излучение..........................70

3.3.Резонансное поляризационное тормозное излучение...........83

3.4.Резонансное переходное излучение в магнитном поле.........87

3.5. Ре абсорбция переходного излучения........................102.

Глава 4 .Циклотронное мазерное излучение..........................113

4.1.Система уравнений для циклотронного мазерного излучения..115

4.2.Линейные инкременты нормальных мод........................ 127

4.3.Качественное рассмотрение нелинейных эффектов............137

4.4.Численный анализ нелинейного плазменного механизма

радиоизлучения............................................140

Глава 5.Генерация радиоизлучения в магнитных ловушках при

вспышках на Солнце и звездах:.............................154

5.1 .Переходное излучение в солнечных вспышках................154

5.2.Миллисекундные срывы и пульсации радиоизлучения при вспышках на Солнце и звездах.............................163

5.3. Миллисекундные солнечные радиоспайки.....................170

Глава 6.Диффузное радиоизлучение межзвездной среды...............199

6.1.Нестационарные спектры ускоренных частиц в ОВ ассоциациях..............................................199

6.2.Нетепловое электромагнитное излучение из ОВ ассоциаций...208

6.3.Низкочастотное фоновое радиоизлучение Галактики. Статистически Однородная модель..........................216

6.4.Низкочастотное фоновое радиоизлучение Галактики. Учет локальных неоднородностей................................226

Глава 7.Заключение...............................................234

Список литературы................................................236

Глава 1.Введение

Фундаментальный характер астрофизических исследований определяется, главным образом, двумя причинами. Во-первых, астрофизика вырабатывает представления о структуре и эволюции Вселенной и ее составных частей. Во-вторых, изучение различных астрофизических объектов позволяет исследовать свойства материи в экстремальных условиях, которые не могут быть обеспечены в лабораторных условиях. В ряду таких условий следует упомянуть сверхсильные магнитные и гравитационные поля, сверхядерные плотности вещества, сильное энерговыделение. Данная работа посвящена анализу наблюдаемых последствий сильного энерговыделения в астрофизических условиях.

1.1.Постановка проблемы.

Под нетепловым электромагнитным излучением понимают излучение, испущенное заряженными частицами с функцией распределения, отличающейся от равновесной. Наличие таких нетепловых частиц является следствием их ускорения в результате процессов более или менее сильного энерговыделения в плазме. Другим следствием мощного энерговыделения в плазме является изменение самой среды, ее параметров и структуры. В качестве примера таких структурированных астрофизических сред можно привести многофазную межзвездную среду в нашей Галактике; возмущенную ансамблями ударных волн от вспышек сверхновых звезд горячую плазму в ассоциациях О и В звезд; атмосферы звезд (в частности - Солнца ), заполненные сложными конфигурациями магнитного поля - магнитными петлями.

Наряду с указанными крупномасштабными неоднородностями, в астрофизической плазме обычно возникают и мелкомасштабные неоднород-

ности ее параметров, связанные с возбуждением в ней коротковолновой турбулентности.

Процессы генерации и распространения электромагнитного излучения в структурированной среде могут происходить существенно иначе, чем в однородной плазме. Так, ансамбли ударных волн модифицируют спектры ускоренных частиц, что приводит к изменению спектров как син-хротронного радиоизлучения, так и жесткого рентгеновского и гамма излучения. Многофазность межзвездной среды влияет как на испускание радиоизлучения, так и на его распространение (в частности - поглощение ). В результате характеристики принимаемого на Земле излучения несут важную информацию о структуре и параметрах межзвездной среды.

В данной работе мы будем различать крупномасштабные и мелкомасштабные неоднородности среды. К последним относятся неоднородности с масштабами (длинами корреляции) сравнимыми или меньшими тех, на которых происходит элементарный акт испускания заряженной частицей электромагнитной волны. Иначе говоря, мелкомасштабные неоднородности плазмы влияют на микроскопический процесс излучения волн отдельной частицей, изменяя спектральные и поляризационные характеристики генерируемого излучения.

основе детально разработанной теории. Таким образом, развитие такой теории представляет собой актуальную проблему.

Целью работы является разработка теории излучения заряженных частиц в структурированных, случайно-неоднородных астрофизических средах и ее приложение к анализу наблюдений.

1.2.Структура и основные результаты работы.

Изложение теории нетеплового излучения в структурированных средах мы начнем с обсуждения роли мелкомасштабных неоднородностей, поскольку они влияют на элементарные акты испускания волн благодаря включению новых (по сравнению с однородной плазмой) механизмов излучения. Естественно, что традиционные механизмы излучения, реализующиеся в однородной плазме (тормозное, обратное комптоновское, магни-то-тормозное), работают и в плазме со случайными неоднородностями. Однако, в среде с неоднородностями возникают новые когерентные эффекты, в частности, когерентное тормозное излучение и переходное излучение.

в любых средах, от плотных твердотельных лабораторных мишеней до разреженной астрофизической плазмы.

Четвертая глава посвящена анализу когерентных эффектов, возникающих при распространении излучения в плазме с примесью неравновесных нетепловых электронов. Такие популляции электронов естественно возникают при движении заряженных частиц в магнитных структурах (петлях) в атмосферах Солнца и звезд. При этом когерентные эффекты проявляются в форме неустойчивостей, приводящих либо к генерации циклотронного мазерного излучения, либо к усилению плазменных волн с их последующей конверсией в электромагнитные (плазменный механизм радиоизлучения ). В данном разделе особое внимание уделено выбору адекватных уравнений и исходных параметров модели.

чески тонкой области). Поэтому отличить эти источники от тепловых удается лишь с использованием наряду с радио данными также рентгеновских и гамма наблюдений. Вторым примером, в котором учет крупномасштабной структурированности является принципиально необходимым, является фоновое радиоизлучение Галактики на предельно низких частотах. Спектр этого излучения подробно исследован в двух последних параграфах шестой главы.

Основные положения, выносимые на защиту, сводятся к следующему:

1.Теория переходного излучения релятивистских частиц в магнитоактив-ной плазме, включая:

1.1.Эффект подавления переходного излучения магнитным полем, 1.2.Эффект подавления переходного излучения кулоновскими столкновениями,

1.3.Спектры переходного излучения различных собственных мод в гиро-тропной среде.

2.Теория переходного излучения в плазме частиц произвольной энергии, включая:

2.1.Спектры резонансного переходного и поляризационного излучения в изотропной плазме,

2.2.Спектры резонансного переходного излучения при наличии магнитного поля,

2.3.Коэффициенты реабсорбции резонансного переходного излучения,

3.Теория циклотронного мазерного излучения при степенных энергетичес-

ких спектрах излучающих электронов.

4.Объяснение явления миллисекундных солнечных радио спайков циклотронным мазерным механизмов! на основе детального сравнения предсказаний теории с совокупностью всех (накопленных к настоящему времени) наблюдательных данных.

6.Диагностика вспышечной плазмы по пульсирующим радио всплескам, генерируемых плазменным механизмом.

7.Нетепловая природа радиоизлучения с плоскими спектрами, генерируемого в ОВ ассоциациях.

Научная новизна работы состоит в следующем. Впервые разработана теория переходного излучения частиц произвольной энергии в случайно-неоднородной плазме с учетом всех существенных в астрофизических условиях факторов: регулярной и стохастической кривизны траекторий, гиротропии плазмы, кулоновских столкновений, особенностей дисперсии среды вблизи собственных частот плазмы. На основании детального исследования свойств циклотронного мазерного излучения, генерируемого степенным распределением неравновесных электронов и их сравнения с полным набором наблюдательных данных о солнечных миллисекундных радио спайках впервые доказано, что этот тип солнечного радиоизлучения соз-

дается циклотронным мазерным механизмом, а также впервые установлена реалистическая модель их генерации. Дана новая трактовка радиоизлучения с плоскими спектрами из протяженных НИ областей (связанных с ассоциациями 0 и В звезд), согласующаяся с наблюдениями в широком диапазоне электромагнитных волн (вплоть до гамма излучения). Пересмотрена проблема формирования низкочастотного фонового радиоизлучения Галактики; в рамках новой модели получены достаточно точные оценки усредненных параметров местного межзвездного облака, окружающего солнечную систему.

Научное и практическое значение работы состоит в создании теории переходного излучения в астрофизических условиях, развитии теории циклотронного мазерного излучения, нахождении нового режима работы нелинейного плазменного механизма радиоизлучения. Полученные результаты важны как для подготовки новых наблюдательных, программ, так и для интерпретации уже накопленных данных.

Апробация. Результаты работы представлялись на российских и международных конференциях.

-Piares 22 workshop "Dynamics of solar flares", Chantilly, France, October 16-19, 1990 M .313;

-Межрегиональная конф. по радиоастрономическим исследованиям Солнечной системы, Н.Новгород, 1992 [1.32-33J;

-IAU colloquiun N 142 "Particle acceleration phenomena in astrophysi-cal plasmas" Maryland, USA, 1992 [1 .34-35J; -CESRA workshop "Fragmented energy release in sun and stars", Utrecht, Netherlands, October 18-21, 1993 11.36];

-CESRA workshop "Coronal magnetic energy releases", Potsdam, Germany,

May 16-20, 1994;

-XXV радиоастрономическая конференция, Пущино, 1993 [1.37J; -XXVI радиоастрономическая конференция, С.-Петербург, 1995 [1.38-39]; -Межрегиональная конф. по радиоастрономическим исследованиям Солнечной системы, Пулково, 1996 [1.40];

-Volga international summer school on space plasma physics, June 112, 1993;

-Third Volga international summer school on space plasma physics, June 1-11 , 1997;

Глава 2.Перегодное излучение релятивистских частиц в магнитоактивной плазме со случайными неоднородностями.

2.1 .Когерентные механизмы излучения в среде.

Изолированная заряженная частица (электрон), движущаяся в среде, испускает электромагнитные волны. Это может быть некогерентное тормозное излучение или магнито-тормозное (циклотронное, синхротрон-ное) при наличии магнитного поля. Однако, при определенных условиях генерируемое электроном излучение приобретает когерентный характер.

Хорошо известно, что релятивистский электрон, движущийся в монокристалле, генерирует когерентное тормозное излучение (КТИ), причем когерентность связана в данном случае с упорядоченностью расположения атомов. В идеальном бесконечном монокристалле имеется так называемый дальний порядок, т.е. положения атомов строго коррелированы ж произвольно больших расстояниях.

В плазме и некристаллических конденсированных средах также возможны ситуации, когда имеется упорядоченность в положениях частиц на макроскопических расстояниях 11.1]. Такая упорядоченность может осуществляться, если в среде имеются случайные неоднородности (турбулентность в плазме), распространяются акустические волны или искусственно созданы структуры (стопка пластинок из различных материалов). I этих случаях, однако, корреляция имеет иной, чем в монокристалле, статистический характер, а упорядоченность частиц является локальной (в пределах соответствующей длины корреляции).

Оказывается, что макроскопические неоднородности среды могут существенно повлиять на формирование тормозного излучения релятивистскими частицами и привести к тому, что кроме известного некогерентно го излучения Бете-Гайтлера появится добавочное когерентное тормозное

излучение. Это имеет место несмотря на то, что длина излучаемой волны мала по сравнению с масштабами неоднородностей среды, и связано с малостью продольного импульса, передаваемого среде излучающей релятивистской частицей. Вследствие этого излучение частоты ш формируется на длине порядка

1 * (го-^/и^/И + (Л2Л)2)] (2.1)

с Р

(J - лоренц-фактор частицы, 0) - плазменная частота), которая может

достигать макроскопических значений. При наличии в среде неоднородностей плотности такого же или меньшего масштаба, в которых положения электронов и ядер корре