Перенос излучения и радиационное давление в плазменных оболочках магнитных вырожденных звезд тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ
|
Сербер, Александр Волькович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Нижний Новгород
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.08
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
Российская академия наук Институт прикладной физики
На правах рукописи
СЕРВЕР Александр Волькович
ПЕРЕНОС ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИАЦИОННОЕ ДАВЛЕНИЕ В ПЛАЗМЕННЫХ ОБОЛОЧКАХ МАГНИТНЫХ ВЫРОЖДЕННЫХ ЗВЕЗД
01.04.08 - физика и химия плазмы, -01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Автореферат
Нижний Новгород - 1998
Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород
Научный руководитель:
Академик РАН В.В.Железняков
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук Ю. Н. Гнедин
доктор физико-математических наук М. Д. Токман
Ведущая организация:
Институт космических исследований РАН
Защита состоится ноября 1998 г. в на заседа-
нии диссертационного совета К 003.38.01 в Институте прикладной физики РАН (603600, г. Нижний Новгород, ГСП-120, ул.Ульянова, 46)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН
Автореферат разослан
октября 1998 г.
Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук уп^ ^^ А. М. Белянцев
Общая характеристика работы
Актуальность темы диссертации.
Согласно современным данным, вырожденные звезды — белые карлики (с радиусами ~ 108-109 см и массами, сравнимыми с массой Солнца ^ Mq ~ 2 • 1033г) и нейтронные звезды (размеры ~ 106 см, масса ~ (1 — 3)М0) —■ могут иметь магнитные поля 106 — 109 Гс и Ю10 — 1012 Гс, соответственно. Плазма в столь сильных полях приобретает специфические свойства, радикально меняющие характер ее взаимодействия с излучением.
В условиях магнитных вырожденных звезд время циклотронного высвечивания поперечной энергии электронов [1] i_L —2.6 • 10-16(В/1012 Гс)-2 с может стать много меньше других характерных времен в системе, в частности, времени между столкновениями tst. В такой «бесстолкновительной» плазме собственное циклотронное излучение на первой гармонике оказывает существенное влияние на распределение электронов по поперечным импульсам (по уровням Ландау). В пренебрежении столкновениями (е = ix/^st —^ 0) стационарное поперечное распределение электронов оказывается больц-мановским с температурой, равной локальной эффективной температуре излучения на первой гармонике [1,2]. В случае «редких» столкновений (еС 1) ударные переходы дают лишь малую (порядка е) поправку к этому распределению [3]. С точки зрения переноса излучения условие е <С 1 означает, что поглощенные плазмой фотоны, в основном, переизлучаются, спонтанно или индуцированно, (вообще говоря, в другом направлении и на другой частоте), и лишь малая их доля (порядка е) теряется за счет столкновений, отдавая свою энергию в тепловое движение электронов вдоль магнитного поля. Иными словами, процесс переноса излучения на частотах ш~и>в в этом случае можно трактовать как резонансное
рассеяние [4].Наконец, в «столкновительной» плазме с распределение электронов по поперечным импульсам определяется столкновениями. В этих условиях поперечная температура равна продольной и в конечном счете определяется условиями ускорения и нагрева части плазмы.
Условие £ 1 характерно, например, для плазмы солнечной короны и магнитных Ар-звезд. На этих объектах под действием столкновений устанавливается локально равновесное распределение электронов с температурой, не зависящей от излучения и, таким образом, реализуется случай локального термодинамического равновесия. Условие е «С1 хорошо выполняется в плазме на нейтронных звездах [5]. Однако, на белых карликах, в зависимости от соотношения концентрации плазмы N, ее температуры Т и величины магнитного поля В этот параметр может быть как больше, так и меньше единицы. В частности, могут реализоваться и такие условия, при которых е~1 и указанные выше результаты неприменимы. Для корректного исследования переноса циклотронного излучения необходима теория, которая описывала бы общий случай произвольного е.
Сильное магнитное поле может изменить свойства электрон-позитронного вакуума вблизи вырожденной звезды, вызывая его поляризацию и намагниченность [6,7]. На нейтронных звездах обычно хорошо выполняются условия, при которых на частотах \ш — шв\ ^Агц {Рт\\ — отношение продольной тепловой скорости электронов к скорости света) малые отличия тензоров диэлектрической и магнитной проницаемости от единицы, обусловленные влиянием плазмы, существенно меньше, чем связанные с вакуумными эффектами. В этом случае именно намагниченный вакуум определяет дисперсионные свойства и поляризацию нормальных волн [8]. Наличие разреженной плазмы приводит лишь к поглощению излучения в плазме на циклотронных часто-
тах. (Поглощение в намагниченном вакууме за счет рождения электрон-позитронных пар на частотах в области Нш -С тс2 отсутствует.) Коэффициенты поглощения и вероятности спонтанного излучения на первой циклотронной гармонике вдоль поля одинаковы, но имеют различную угловую зависимость [2,8,9]. При этом следует ожидать, что в рассеивающей плазме будет происходить эффективная конверсия волн одного типа в другой при каждом акте рассеяния. Следует подчеркнуть, что этот процесс отличается от хорошо известной линейной трансформации волн в плавно-неоднородной плазме [10]. Там обмен энергии между модами обусловлен нарушением геометрико-оптического приближения в тех частях среды, где характерный масштаб изменения поляризации нормальных волн сравним с длиной волны биений между ними, и в целом связан с действительной частью показателя преломления Напротив, интересующий нас эффект обусловлен отличием друг от друга мнимых частей показателей преломления мод (или их коэффициентов рассеяния XI,2)- Он может проявляться в условиях, когда линейная трансформация отсутствует, и представляет собой испускание одной нормальной волны электроном, осциллирующим в поле другой.
Для плазмы на белых карликах характерны другие условия, согласно которым влиянием вакуумных эффектов на перенос циклотронного излучения можно пренебречь. Квазипоперечные нормальные волны с показателями преломления, близкими к единице, в данном случае поляризованы эллиптически. Форма эллипсов поляризации мод совпадает, с проекцией ларморовского кружка электрона на плоскость, ортогональную волновому вектору, причем вектор электрического поля необыкновенной волны вращается в ту же сторону, что и электрон в магнитном поле, а в обыкновенной волне — в противоположном направлении. Такая поляризация мод при-
водит к резкому различию их коэффициентов непрозрачности: соответствующее отношение Х2/Х1 ~ /?т -С так что обыкновенное излучение взаимодействует с плазмой весьма слабо [1,3,11,12]. Тем не менее, и в этом случае конверсия при циклотронном рассеянии становится существенной в плазме достаточно большой оптической толщины.
В данной работе анализируются два аспекта проблемы взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой на замагниченных белых карликах и нейтронных звездах.
Во-первых, сильное магнитное поле может качественно изменить характер переноса излучения в плазме, в особенности на частотах, близких к шв и ее гармоникам. Вследствие этого спектры и поляризация наблюдаемого излучения магнитных вырожденных звезд и тех же объектов, не обладающих заметным магнитным полем, могут существенно отличаться. Несмотря на обширные исследования, проведенные в последние годы, вне поля зрения остались некоторые проблемы, играющие важную роль в формировании спектров излучения намагниченных белых карликов и нейтронных звезд. К ним относятся учет конверсии нормальных волн при циклотронном рассеянии [13], анализ переноса циклотронного излучения в условиях, когда вклад рассеяния сопоставим с влиянием истинного поглощения и излучения [12]. Исследования в этом направлении позволили развить в данной работе теорию формирования циклотронных линий в спектре космических гамма-всплесков [2,14,15] и рассчитать тепловое циклотронное излучение горячих корон магнитных белых карликов [16].
Во-вторых, сильные магнитные поля вырожденных звезд резко меняют динамику их плазменных оболочек. С одной стороны, магнитное давление рт = В2¡Ьтх вблизи этих звезд существенно превышает динамическое и газокинетическое давление вещества и давление излучения, так что магнитное
поле канализирует плазменные потоки и оказывает доминирующее влияние на гидродинамику аккреции на эти объекты или эжекции с них. С другой стороны, при поглощении или рассеянии циклотронного излучения происходит передача его импульса плазме — возникает сила радиационного давления. Поэтому можно ожидать, что при определенных условиях пространственное распределение и движение плазмы в окрестности магнитных вырожденных звезд будет определяться давлением циклотронного излучения, подобно тому как параметры атмосфер звезд ранних типов определяются излучением в резонансных линиях ионов [17]. В частности, давление циклотронного излучения может понизить критическую светимость магнитных вырожденных звезд, порождать ветры с их поверхности и разгонять плазму до субрелятивистских скоростей [4,18-22], тормозить вещество в аккреционной колонке рентгеновского пульсара [23-25], формировать плазменные структуры в магнитосферах белых карликов и нейтронных звезд с сильным магнитным полем [26-30]. В этом свете весьма актуальными представляются расчеты радиационного давления в фотосферах и атмосферах магнитных вырожденных звезд и анализ строения плазменных оболочек, поддерживаемых циклотронным излучением в их магнитосферах [21,22,27,30]. Разумеется, специфическое строение радиационно-доминированных плазменных конфигураций вокруг магнитных вырожденных звезд изменяет наблюдаемое излучение этих объектов [16,31]. Анализ этих эффектов также составляет предмет данной работы.
Из сказанного ясно, что в условиях магнитных вырожденных звезд довольно широко представлены ситуации, когда макроскопическая скорость плазмы отлична от нуля. Это может быть, например, плазма аккреционной колонки, натекающая в магнитосферу белого карлика или нейтронной звезды от компаньона в двойной системе, ускоряемая давле-
нием излучения электрон-позитронная плазма, образующаяся над горячим полярным пятном нейтронной звезды во время гамма-всплеска, либо стационарное плазменное течение из горячих фотосфер магнитных вырожденных звезд, порождаемое циклотронным излучением. В связи с этим необходим анализ переноса циклотронного излучения в движущейся плазме [32].
Цели работы: Исследование эффектов, оказывающих ключевое влияние на циклотронное взаимодействие излучения с разреженной плазмой на магнитных вырожденных звездах. Построение теоретических моделей, позволяющих интерпретировать наблюдаемое спектры белых карликов и нейтронных звезд с сильным магнитным полем либо предсказывать особенности этого излучения, обусловленные его циклотронным взаимодействием с плазменными оболочками этих объектов.
Научная новизна.
(1) Методом коэффициентов Эйнштейна в пренебрежении эффектом отдачи при циклотронных переходах и перераспределением по частотам, обусловленным конечной естественной шириной циклотронной линии, аналитически решена начальная задача о квазилинейной релаксации пространственно однородной системы электронов по уровням Ландау при взаимодействии с циклотронным излучением на первой гармонике, которое имеет широкий угловой спектр. Определены характерные времена и стадии этого процесса.
Показано, что на временах много меньше времени спонтанного циклотронного перехода на первой гармонике Ьу релаксация населенностей протекает со скоростью, зависящей от интенсивности излучения. На этой стадии влияние индуцированных процессов оказывается существенным. На временах порядка ¿х темп релаксации определяется только этим временем и отношением плотностей вещества и излучения в
фазовом пространстве.
(2) Получены точные аналитические выражения для из-лучательной способности и коэффициента поглощения циклотронного излучения произвольной поляризации на любой гармонике в нерелятивистской плазме при произвольном соотношении между временем циклотронного перехода и эффективной частотой столкновений.
(3) Последовательно учтены два эффекта, определяющих характер переноса циклотронного излучения в разреженной плазме на магнитных вырожденных звездах: (а) конверсия нормальных волн при циклотронном рассеянии и (б) терма-лизация излучения вследствие процессов истинного поглощения и теплового излучения, связанных со столкновениями в плазме.
Первый эффект — конверсия мод — ранее в литературе подробно не обсуждался. Он может оказаться существенным в «бесстолкновительной» плазме, где скорость радиационных процессов существенно превышает скорость столкновитель-ной релаксации. В условиях белых карликов, где поляризация мод определяется разреженной плазмой, влияние конверсии мод, как правило, мало. Напротив, в плазменных оболочках нейтронных звезд, где поляризация нормальных волн определяется намагниченным вакуумом, при циклотронном рассеянии происходит сильное перемешивание нормальных волн на расстояниях, соответствующих оптической толщине порядка единицы. Таким образом, учет конверсии мод при анализе переноса циклотронного излучения в этом случае принципиально необходим.
Что касается эффекта термализации излучения из-за влияния столкновений в плазме, то в данной работе он исследован при любом соотношении между вероятностью спонтанного циклотронного перехода и эффективной частотой столкновений, а также в широком диапазоне параметров плазмы,
включая квазиклассический и квантовый пределы.
(4) Исследовано влияние макроскопического движения плазмы на циклотронное рассеяние. Получено уравнение переноса в локально сопутствующей системе отсчета. Для случая «больших» градиентов скорости плазмы, когда допле-ровский сдвиг частоты за счет изменения макроскопической скорости много больше ширины циклотронной линии, найдено решение этого уравнения для течения типа плазменного ветра, освещаемого излучением заданной интенсивности.
(5) Рассчитано давление циклотронного излучения в изотермических фотосферах магнитных вырожденных звезд с барометрическим распределением плотности плазмы N ос ехр(—г/Н) (II — приведенная высота). Показано, что при определенных условиях радиационное давление может сравниваться с силой тяжести или даже превышать ее. В этом случае существующие модели атмосфер магнитных белых карликов должны быть пересмотрены с точки зрения учета эффектов радиационного давления. Кроме того, циклотронное излучение может порождать у достаточно горячих звезд этого класса фотосферные ветры и усиленную потерю массы. Установлены области параметров магнитных вырожденных звезд, у которых могут существовать подобные плазменные течения из фотосферы.
(6) Развита теория строения плазменных оболочек, порождаемых и поддерживаемых в магнитосферах горячих белых карликов давлением циклотронного излучения. Предложена модель радиационного дискона — магнитного белого карлика с эжекцией плазмы из горячей фотосферы и протяженной нестационарной плазменной оболочкой, формируемой и поддерживаемой давлением циклотронного излучения, объясняющая формирование широкой и глубокой полосы депрессии на длинах волн 2000-3000 А в ультрафиолетовом спектре магнитного белого карлика СБ 229.
(7) Построена модель формирования линий на кратных частотах в спектре космических гамма-всплесков, которая позволяет по положению и относительной глубине этих спектральных особенностей определить не только параметры области формирования линий (магнитное поле, температуру и плотность плазмы, угол между магнитным полем и лучом зрения), но также указать верхний предел расстояния до источника. Наблюдение и интерпретация линий на циклотронных гармониках — пока единственный способ надежной оценки расстояния до источников гамма-всплесков. Результаты данной работы свидетельствуют, что гамма-всплески с линиями на кратных частотах, зарегистрированные спутником в^а, находятся в диске Галактики.
(8) Показано, что горячие короны магнитных белых карликов проявляют себя наиболее заметно не в рентгеновском диапазоне, а в длинноволновой части электромагнитного спектра (оптика, ИК-диапазон), где их тепловое циклотронное излучение может наблюдаться как сильный избыток над уровнем фотосферного континуума. Таким образом, поиск циклотронного излучения этих звезд в указанных диапазонах является гораздо более чувствительным и надежным способом обнаружения их горячих корон, чем рентгеновские наблюдения.
Основные работы по теме диссертации выполнены в период с 1989 по 1998 год.
Научная и практическая значимость.
Накопленный к настоящему времени богатый экспериментальный материал об излучении магнитных вырожденных звезд в различных диапазонах электромагнитного спектра требует для своей интерпретации адекватных теоретических моделей. В диссертации рассматриваются особенности взаимодействия циклотронного излучения с плазмой на магнитных вырожденных звездах, без учета которых невозможно
построение таких моделей для астрофизических источников излучения, связанных с этими объектами. Детальное исследование процессов формирования наблюдаемого излучения и его влияния на структуру и динамику плазмы позволяет определить физические условия в излучающей области.
Апробация работы. Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей в рецензируемых научных журналах, 2 препринта, 4 статьи в трудах конференций, 5 тезисов докладов. Основные положения диссертации отражены в работах [2,12-16,21,22,27,30-38].
Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной конференции «Физика космической плазмы» (Ереван, 1989), на Международной молодежной школе по физике плазмы и УТС (Нарва, 1989), на IV Всесоюзной школе по космической физике (Суздаль, 1990), на Международной конференции по плазменной астрофизике (Телави, 1990), на Рабочей группе по гамма-всплескам (Хантсвилл, США, 1991), на I общем собрании Европейского астрономического общества (Льеж, Бельгия, 1992), на Международных зимних школах и конференциях по физике плазмы (Пихль, Австрия, 1992, 1993, 1994), на Европейских конгрессах молодых физиков (Франция, 1992, 1993), на Симпозиуме MAC № 142 «Ускорение частиц в астрофизической плазме» (Колледж Парк, США, 1993), на III Международной летней школе по астрофизике элементарных частиц (Триест, Италия, 1993), на Международных школах по физике космической плазмы (Нижний Новгород, Волга, 1993, 1995), на Научной школе НАТО по астрофизике высоких энергий (Эриче, Италия, 1994), на XXX Генеральной Ассамблее КОСПАР (Гамбург, Германия, 1994), на Международной конференции «Космология и астрофизика после Гамова» (Одесса, Украина, 1994), на Международной рабочей группе «Фрагментированное энерговыделение на Солнце и,звездах» (Утрехт, Нидерланды, 1994), а
также на семинарах в ИПФ РАН, НИРФИ, в Мерилендском университете (США) и на коллоквиумах в Астрономическом институте Утрехтского университета и в Центре по астрофизике высоких энергий Амстердамского университета (Нидерланды).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации — 176 страниц, рисунков — 12, таблиц — 2, библиография — 131 наименование.
Краткое содержание работы
Во введении дан краткий обзор параметров и наблюдательных астрофизических проявлений магнитных вырожденных звезд, указаны специфические свойства плазмы на магнитных вырожденных звездах, обоснована актуальность выбранной темы, обозначены общие задачи работы, приведено краткое содержание каждой главы, перечислены основные положения, выносимые на защиту и даны сведения об апробации работы.
В первой главе рассматриваются задачи переноса циклотронного излучения в плазме в условиях, характерных для фотосфер и атмосфер белых карликов и нейтронных звезд с сильным магнитным полем.
В разделе 1.1 методом коэффициентов Эйнштейна рассмотрена радиационная релаксация электронов по уровням Ландау в однородной бесстолкновительной плазме под действием циклотронного излучения на первой гармонике. Для этого случая методом производящей функции получено точное аналитическое решение нестационарной системы балансных уравнений при произвольной зависимости интенсивности излучения на первой гармонике от времени. Переход от искомых населенностей к производящей функции — степенному ряду, в котором они являются коэффициентами, позво-
ляет свести бесконечную цепочку дифференциальных уравнений для населенностей к одному уравнению первого порядка в частных производных, для которого получено аналитическое решение. В этом разделе исследована самосогласованная эволюция системы электронов и циклотронного излучения на первой гармонике. Получено решение уравнения для плотности энергии излучения в приближении Эддинг-тона для распределения фотонов по углам. Определены характерные времена эволюции системы. В приближении «заданной накачки» (постоянной интенсивности излучения), по аналогии с известными задачами о релаксационных процессах в молекулярных газах, указаны нормальные координаты и спектр времен релаксации системы электронов на уровнях Ландау. Интересно отметить, что эти времена определяются исключительно временем спонтанного перехода и не зависят от интенсивности излучения.
В разделе 1.2 рассмотрены стационарные балансные уравнения, учитывающие как радиационные переходы на первой гармонике, так и столкновения. Они описывают состояние системы в случае, когда внешние условия меняются на временах, существенно превышающих время спонтанного перехода между уровнями Ландау. В плазменных оболочках магнитных вырожденных звезд это условие обычно хорошо выполняется. С помощью производящей функции получено точное решение стационарных балансных уравнений, которое справедливо при любом соотношении между временем циклотронного перехода и эффективной частотой столкновений. Для найденного распределения электронов по уровням Ландау определены коэффициенты переноса циклотронного излучения. Применение для этих расчетов производящей функции существенно упростило вычисления и позволило получить точные аналитические выражения для излучатель-ной способности и коэффициента поглощения циклотронного
излучения произвольной поляризации на любой гармонике в разреженной плазме в случае, когда распределение электронов по уровням Ландау определяется радиационными циклотронными переходами на первой гармонике и столкновениями.
В разделе 1.3 рассматривается перенос циклотронного излучения в случае, когда вкладом процессов истинного поглощения и теплового излучения, обусловленных межчастичными столкновениями, можно пренебречь. В этих условиях основным каналом взаимодействия циклотронного излучения с плазмой является резонансное рассеяние на первой гармонике, при котором происходит конверсия нормальных волн. Проанализирован перенос циклотронного излучения в однородном плазменном слое, находящемся в квазиоднородном магнитном поле. Рассчитаны характеристики выходящего из слоя излучения. Полученное в диссертации решение уравнения переноса показывает, что конверсия мод существенно влияет на световой режим, если оптическая толщина плазменного слоя на первой циклотронной гармонике велика по сравнению с характерным масштабом конверсии ~ (от)-1/2, который определяется отношением вероятностей спонтанных циклотронных переходов на первой гармонике от с излучением обыкновенной и необыкновенной волн. В плазме на нейтронных звездах, где поляризация мод определяется намагниченным вакуумом, величина от = 3, так что эффектив-
»
ная конверсия нормальных волн происходит в каждом акте рассеяния, и учет этого процесса принципиально необходим.
Раздел 1.4 посвящен анализу влияния столкновений на формирование спектра циклотронного излучения плазмы достаточно большой оптической толщины. Здесь рассмотрен случай произвольного параметра е — отношения времени циклотронного перехода к времени между столкновениями. Термализация, то есть приближение интенсивности цикло-
тронного излучения к термодинамически равновесной с температурой, равной температуре плазмы, происходит в тех областях, которые отстоят от границ плазмы на расстояние, соответствующая оптическая толщина которого превышает «глубину термализации» ~ А-1/2. Отношение А = е/(е + 1) имеет смысл вероятности гибели фотона (при одном акте взаимодействия с электроном) в результате циклотронного поглощения с последующим ударным девозбуждением уровня Ландау.
В разделе 1.5 рассмотрено рассеяние циклотронного излучения в плазме, движущейся вдоль силовых линий однородного магнитного поля. Получено уравнение переноса излучения в сопутствующей системе отсчета. Выделены предельный случай «малых» градиентов скорости плазмы, когда доплеровский сдвиг частоты за счет изменения скорости течения много меньше ширины циклотронной линии, и противоположный случай «больших» градиентов скорости, который аналогичен приближению В.В.Соболева в теории движущихся оболочек звезд. В последнем случае, когда влияние движения плазмы на циклотронное рассеяние наиболее существенно, получено решение уравнения переноса для течения типа ветра, освещаемого излучением заданной интенсивности. Показано, что циклотронное рассеяние в движущейся плазме отличается от качественно аналогичных друг другу случаев резонансного рассеяния в движущихся звездных атмосферах и циклотронного рассеяния в неподвижной плазме, помещенной в неоднородное магнитное поле. В частности, в спектре выходящего циклотронного излучения формируется симметричная абсорбционная полоса, остаточная интенсивность которой пропорциональна градиенту скорости плазмы, тогда как в двух указанных известных случаях глубина спектральной особенности не может превышать половины уровня континуума. Подробный качественный анализ задачи пока-
зал, что такое отличие обусловлены специфическим законом перераспределения по частотам при циклотронном рассеянии.
Вторая глава диссертации посвящена расчету силы давления излучения в плазме на магнитных вырожденных звездах и изучению эффектов радиационного давления в плазменных оболочках этих звезд.
В разделе 2.1 рассмотрен перенос излучения и рассчитана сила радиационного давления (в континууме и в циклотронной линии) в изотермической водородной фотосфере одиночной вырожденной звезды с дипольным магнитным полем. Предполагается, что высотное распределение концентрации плазмы определяется в основном силой тяжести и газокинетическим давлением и имеет барометрический профиль осехр(—г/Н). При этом учитывались как эффект насыщения линии, связанный с термализацией излучения в глубине фотосферы, так и неоднородность магнитного поля по поверхности звезды.
В разделе 2.2 определены значения температуры и магнитного поля, при которых давление циклотронного излучения превышает силу тяжести и порождает плазменный ветер с поверхности звезды. Оценивается верхний предел темпа потери массы из фотосфер этих звезд под действием циклотронного излучения. На основе выполненных расчетов указаны параметры магнитных вырожденных звезд, потеря массы которых определяется давлением излучения их фотосфер на циклотронных частотах. Интенсивная эжекция из фотосферы под действием циклотронного излучения может происходить у магнитных белых карликов (либо одиночных, либо окруженных планетарной туманностью), у молодых нейтронных звезд, во время вспышек рентгеновских барстеров, обладающих магнитным полем свыше Ю10 Гс, а также во время гамма-всплесков (в случае, если они возни-
хают на нейтронных звездах с сильным магнитным полем). В частности, три из известных магнитных белых карликов — вБ 229, вг,УУ+70о8247 и Рв 1031+234 — имеют параметры, при которых сила давления циклотронного излучения в верхних слоях фотосферы сравнима с силой тяжести. Радиационная сила может даже оказаться превалирующей, если в верхних слоях фотосфер этих звезд температура растет с высотой.
В разделе 2.3 рассчитано распределение радиационного давления в оптически тонкой магнитосфере белого карлика и определена гидростатическая конфигурация плазмы в области замкнутых силовых линий. Из-за сферической расходимости фотосферного излучения и уменьшения напряженности дипольного магнитного поля при удалении от звезды сила давления излучения спадает с расстоянием гораздо быстрее, чем сила тяжести. Благодаря этому оптически тонкая плазма скапливается в потенциальной яме вблизи равновесной поверхности, на которой сила тяжести компенсируется силой радиационного давления, а также в тонком диске, простирающемся вдоль магнитного экватора в области между фотосферой и равновесной поверхностью, где доминирует радиационное давление. Проанализировано влияние конечной оптической толщины на поведение плазмы в области между фотосферой и равновесной поверхностью. В приближении холодной плазмы рассчитан профиль плотности в оптически толстой оболочке. Определена предельная масса вещества, которая может поддерживаться в указанной области фото-сферным излучением. Указано на возможность существования квазипериодических пульсаций плотности магнитосфер-ной плазмы при наличии стационарного ветра с поверхности звезды.
В третьей главе диссертации результаты теоретического анализа первых двух глав применяются для построе-
ния моделей и интерпретации наблюдаемого излучения тех астрофизических объектов, где эффекты взаимодействия циклотронного излучения с плазмой оказывают доминирующее влияние на формирование спектров наблюдаемого излучения и/или пространственной структуры плазмы.
В разделе 3.1 построена модель, объясняющая формирование линий на кратных частотах в спектрах космических гамма-всплесков, о регистрации которых свидетельствуют наблюдения спутника СШОА. Эти абсорбционные особенности интерпретируются как циклотронные линии на первой и второй гармониках электронной гирочастоты шв в магнитном поле Б^Ю12 Гс. Полученное значение В указывает, что источниками всплесков с такого рода спектральными особенностями являются нейтронные звезды с сильным магнитным полем. Согласно обсуждаемой модели, источником излучения гамма-всплеска в континууме является горячее пятно на магнитном полюсе нейтронной звезды. Над ним располагается более холодный плазменный слой в квазиодиородном магнитном поле, где и формируются относительно узкие абсорбционные особенности. Линия на первой гармонике возникает за счет резонансного рассеяния, при котором происходит эффективная конверсия нормальных волн. Линия на второй гармонике формируется балансом поглощения при распаде одного фотона этой гармоники на пару фотонов первой и обратного ему процесса излучения на второй гармоники за счет слияния двух фотонов первой. На основе решения уравнений переноса излучения на первой и второй гармониках определены характеристики наблюдаемого излучения. Сравнение этих расчетов с наблюдательными данными позволило определить параметры области формирования линий. Для всплесков СВ 870303 и вВ 880205 указаны магнитное поле, температура плазмы, число частиц в столбе, угол между лучом зрения и магнитным полем. Кроме того, предложенная
модель позволяет по относительно глубине линий на первых двух гармониках определить абсолютное значение интенсивности излучения в источнике, и, следовательно, указать верхний предел расстояния до источника. Как следует из полученных результатов, гамма-всплески GB 870303 и GB 880205 с линиями на кратных частотах, зарегистрированные спутником GING А, находятся в диске Галактики.
В разделе 3.2 рассчитано тепловое циклотронное излучение, которое может создаваться плазменной короной магнитного белого карлика GR 290. Излучение горячей короны с температурой 107 К и концентрацией iV~ 2.4 • 1012 см-3 (что соответствует рентгеновскому потоку практически на пределе чувствительности обсерватории "Эйнштейн") может наблюдаться на первой циклотронной гармонике, расположенной для этой звезды в ИК-диапазоне на длинах волн 4-8 мкм (стандартный фильтр ), как избыток в несколько раз над уровнем фотосферного чернотельного излучения. Показано, что уровень циклотронного излучения короны достаточно большой оптической толщины слабо зависит от концентрации плазмы в ней. В частности, указанный ИК-избыток в спектре GR 290 может наблюдаться вплоть до концентраций, на два порядка меньше указанной выше. Это делает поиск теплового циклотронного ИК-избытка более чувствительным и надежным способом обнаружения горячей короны GR 290, чем ее рентгеновские наблюдения.
В разделе 3.3 в рамках модели радиационного дискона — горячей магнитной звезды с плазменной оболочкой, создаваемой и поддерживаемой в магнитосфере давлением циклотронного излучения, — предложено объяснение неиден-тифицированной полосы депрессии на длинах волн 2000-3000 Ä в ультрафиолетовом спектре магнитного белого карлика GD229. При этом считается, что наблюдаемая спектральная особенность формируется за счет циклотронного рассея-
ния на первой гармонике в оптически толстых гирорезонаис-ных слоях, расположенных между фотосферой звезды и равновесной поверхностью в плазме с концентрацией ^108 см-3. Предсказано существование переменности излучения в указанной полосе с характерными временами порядка часа, связанные с пульсациями плотности плазмы. Приведены результаты спектрометрических наблюдений белого карлика СБ 229 с помощью спутника ШЕ, проведенных с целью поиска указанной переменности излучения звезды в диапазоне 2000-3000 А.
В Заключении перечислены основные результаты диссертации.
Основные результаты работы
1. Рассмотрено взаимодействие циклотронного излучения с разреженной плазмой в сильном магнитном поле при произвольном соотношении между эффективной частотой столкновений электронов и обратным временем радиационных потерь. Исследована самосогласованная эволюция излучения на первой циклотронной гармонике и электронов на уровнях Ландау с учетом как спонтанных, так и индуцированных циклотронных переходов. Указаны характерные времена радиационной релаксации системы. Найдено стационарное распределение электронов по уровням Ландау, формирующееся под действием излучения и столкновений. Получены выражения для циклотронной излучательной способности и коэффициента поглощения, справедливые как в классической, так и в квантованной плазме и при произвольном соотношении между эффективной частотой столкновений электронов и обратным временем радиационных потерь их поперечной энергии.
2. Исследовано циклотронное рассеяние в движущейся плазме. Получено уравнение переноса излучения на первой
хлотронной гармонике в плазменном течении с переменяй скоростью, движущемся вдоль силовых линий однородного магнитного поля. Рассмотрена зависимость частотного профиля спектральной особенности, возникающей при циклотронном рассеянии, от параметров течения. Показано, что оптически толстый ветер, в котором доплеровский сдвиг частоты за счет изменения скорости течения много больше ширины циклотронной линии, формирует в выходящем излучении симметричную абсорбционную полосу, остаточная интенсивность которой пропорциональна градиенту скорости плазмы.
3. Исследовано влияние конверсии нормальных волн на перенос циклотронного излучения в квазиоднородном магнитном поле. Рассчитаны параметры спектральных линий на циклотронных гармониках, формирующихся в плоском плазменном слое. Построена модель формирования циклотронных линий в спектрах космических гамма-всплесков, позволяющая определить параметры области формирования линий по их наблюдаемым характеристикам. Для всплесков GB870303 и GB880205, зарегистрированных спутником GING А, определены магнитное поле, температура и плотность плазмы, угол между лучом зрения и магнитным полем, а также максимальное расстояние до источника. Полученные результаты свидетельствуют о галактическом происхождении рассмотренных всплесков.
4. Исследовано влияние межчастичных столкновений на перенос циклотронного излучения в разреженной плазме. Рассмотрен перенос излучения в фотосферах и коронах белых карликов и нейтронных звезд. Рассчитано тепловое циклотронное излучения горячей короны магнитного белого карлика GR 290. Показано, что оно может наблюдаться в ИК-диапазоне как сильный избыток на уровнем фотосферного континуума на длинах волн А ~ 4 — 8мкм, соответствую-
щих разбросу значений гирочастоты из-за неоднородности магнитного поля по поверхности звезды. Для окончательного вывода о наличии или отсутствии горячей короны вокруг этой звезды предложено провести ее наблюдения в инфракрасном диапазоне.
5. Рассчитана сила давления излучения в континууме и в циклотронной линии, действующая на плазму в изотермической водородной фотосфере магнитной вырожденной звезды. Указаны параметры белых карликов и нейтронных звезд, для которых радиационная сила сравнивается с силой тяжести, действующей на протон, и может существенно изменять распределение плазмы или порождать течение типа ветра. Получена оценка темпа потери массы белых карликов и нейтронных звезд под действием давления циклотронного излучения.
6. Рассчитана сила давления излучения, действующая на плазму в магнитосфере одиночного невращающегося белого карлика с дипольным полем, испускающего излучение с планковским спектром. Исследовано формирование плазменной оболочки в магнитосфере горячего белого карлика под действием давления циклотронного излучения. Указано на возможность временных вариаций плотности оптически толстой плазмы, поддерживаемой в магнитосфере звезды циклотронным излучением. В случае, когда источником вещества для магнитосферной оболочки служит истечение плазмы из горячей фотосферы белого карлика под действием радиационного давления, определено характерное время этих вариаций. На основе модели радиационного дискона — магнитного белого карлика с эжекцией плазмы из горячей фотосферы и протяженной нестационарной плазменной оболочкой, формируемой и поддерживаемой давлением циклотронного излучения, предложена интерпретация глубокой полосы депрессии в ультрафиолетовом спектре магнитного белого карлика
GD229 на длинах волн 2000-3000 Á. Ее формирование связывается с циклотронным рассеянием в оптически толстых гирорезонансных слоях в неоднородном магнитном поле вокруг звезды. Предсказана переменность этой спектральной особенности с характерным временем порядка часа, которая обусловлена нестационарным движением плазмы в оболочке дискона. Проведены спектрометрические наблюдения GD 229 на ультрафиолетовом спутнике IUE с целью поиска указанной переменности излучения звезды в диапазоне 2000-3000 Á.
Цитированная литература
1. Zheleznyakov, V.V. / Interaction of hot plasma ith radiation on
magnetic white dwarfs. //Astrophys. Space Sei. 1983. V.97. P.229.
2. Железняков В. В., Сербер А. В. / О циклотронных линиях в
спектре гамма-всплесков //Астрон. журн. 1993. Т. 70. С. 1002-1017.
3. Zheleznyakov, V.V., Litvinchuk A.A. / On the theory of cy-
clotron lines in the spectra of magnetic white dwarfs. //Astrophys.Space Sei. 1984. V.105. P.73.
4. Железняков В.В., Литвинчук A.A. / О давлении излучения на
плазму в окрестности вырожденных звезд с сильным магнитным полем // Астрон. журн. 1987. Т.64. С.306.
5. Железняков В.В. /Циклотронное излучение в астрофизике
// Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1987. Т. 30. С.144.
6. Adler S.L. //Ann. Phys. (N.Y.). 1971. V.67. Р.599.
7. Павлов Г.Г., Гнедин Ю.Н. / Поляризация вакуума магнитным
полем и ее астрофизические проявления //Итоги науки и ' техники. Астрономия. Т.22.-М.: ВИНИТИ, 1983.-С.172.
8. Железняков В.В. /Циклотронное п0глощение рентгеновских
лучей классической плазмой в сильных магнитных полях нейтронных звезд // Астрофизика. 1980. Т.16. С.539.
9. Melrose D.B., Zheleznyakov V.V. / Quantum theory of cyclotron
emission and the X-ray line in Her X-l. //Astron. Astrophys. 1981. V.95. P.86.
10. Железняков В.В. Излучение в астрофизической плазме.-М:
Янус-К, 1997.- 528 С.
11. Железняков В.В. Электромагнитные волны в космической
плазме.-М.: Наука, 1977.
12. Сербер А. В. / Перенос циклотронного излучения в разрежен-
ной плазме со столкновениями на магнитных белых карликах //Астрон. журн. 1990. Т. 67. С. 582-601.
13. Zheleznyakov V. V., Serber А. V. / Cyclotron Scattering with
Mode Conversion in Magnetized Plasma on Neutron Stars //Plasma in Space. Int. Summer School on Space Plasma Phys.-Uppsala, 1993-P.69
14. Zheleznyakov V. V., Serber A. V. / On the Origin of Cyclotron
Lines in GRB Spectra //Gamma-Ray Bursts. AIP Conference Proc. 265. N.Y., 1992. P.262-266.
15. Zheleznyakov V. V., Serber A. V. / Cyclotron Harmonic Lines as
a Probe of the Distance to Cosmic Gamma-Ray Burst Sources // Astrophysics and Cosmology after Gamow. Abstracts of Int. Conf.-M.: КОСМОСИНФОРМ, 1994.-C.12.
16. Zheleznyakov V. V., Serber A. V. /On UV and IR spectra of
magnetic white dwarfs having hot plasma envelopes // Adv. Space Res. 1995. V. 16. P.(3)77-(3)80
17. Cassinelly J.R. / Stellar winds // Ann. Rev. Astron. Astrophys.
1979. V.17. P.275.
18. Митрофанов И.Г., Павлов Г.Г. //Астрон. журн. 1981. Т.58.
С.309.
19. Gnedin Yu.N., Nagel W. / Critical luminosity of a magnetic neu-
tron star. //Astron.Astrophys. 1984. V.138. P.356.
20. Mitrofanov I.G. Tsygan, A.I. / Relativisticejection from compact
stars with a strong magnetic field // Astrophys. Space Sci. 1982. V.84. P.35.
21. Железняков В. В., Сербер А. В. / О потере массы магнитных
вырожденных звезд //Письма в Астрон. журн. 1991. Т. 17.
С. 419-432.
22. Zheleznyakov V. V., Serber A. V. / Radiation-Driven Accelera-
tion in Photospheres of Non-Accreting Magnetic White Dwarfs //Astrophys. J. Suppl. 1994. V. 90. P. 783-787.
23. Braun A., Yahel R.Z. / On the nechanism of deceleratin gas in-
falling onto magnetized neutron stars //Astrophys. J. 1984. V.278. P.349.
24. Zheleznyakov V.V., Litvinchuk A.A. / Radiation transfer and ra-
diation pressure on plasma by magnetic degenerates // Plasma Astrophysics. Proc. Joint Varenna-Abastumani Int. School and Workshop, ESA SP-251.-Noordwijk: ESA Publication Division, 1986 - P.375.
25. Herold H., Wolf K., Ruder H. / Hydrodynamics of accretion
columns //Astrophys. Space Sei. 1987. V.131. P.591.
26. Беспалов П.А., Железняков B.B. / Формирование дисков во-
круг горячих магнитных звезд под действием давления излучения //Письма в Астрон. журн. 1990. Т. 16. С. 539.
27. Bespalov P.A., Serber A.V., Zheleznyakov, V.V. /Radiation-
driven diskon as a new astrophysical object // Plasma Astrophysics. Proc. Joint Varenna-Abastumani-Nagoya-Potsdam-ESA Int. School and Workshop, ESA SP-311.-Noordwijk: ESA Publication Division, 1990 - P.309-317.
28. Dermer C.D., Sturner S.J. / Existence of scattering atmospheres
near luminous, magnetized compact objects //Astrophys. J. 1991. V.382. P.L23.
29. Sturner S.J., Dermer C.D. / Energy-dependent effects of scatter-
ing atmospheres on X-ray pulsar pulse profiles// Astron. Astrophys. 1994. V.284. P.161.
30. Zheleznyakov V. V., Serber A. V., Kuijpers J. / Radiation-Driven
Envelopes around Magnetic White Dwarfs //Astron. Astrophys. 1996. V. 308. P.465-471.
31. Zheleznyakov V. V., Serber A. V. / Radiation-Driven Diskons:
an Overview //Space Sei. Rev. 1994. V. 68. P. 275-289.
32. Сербер A.B. / Рассеяние циклотронного излучения в движу-
щейся плазме.-Препринт № 432 ИПФ РАН.-Нижний Нов-
город, 1997.-24 С.
33. Сербер А. В. /О влиянии столкновений на перенос цикло-
тронного излучения в разреженной плазме // "Физика кос-мич. плазмы." Тезисы докл. Всесоюзн. конф. Ереван, 1989. С.29-30.
34. Zheleznyakov V. V., Serber А. V. / Cyclotron Radiation Pressure
in Plasma Photospheres of Magnetic White Dwarfs //Current Topics in Astrophysical and Fusion Plasma Research, dbv-Verlag Graz, 1993. P.58-63
35. Zheleznyakov V: V., Serber A. V., Kuijpers J. / Radiation-Driven
Diskons // Current Topics in Astrophysical and Fusion Plasma Research. dbv-Verlag Graz, 1994. P.191-196.
36. Zheleznyakov V.V., Serber A.V. /Cyclotron Harmonic Lines in
GRB Spectra and Distances to Their Sources //30th COSPAR Scientific Assembly. Hamburg, Germany, 11-21 July 1994. II. Abstracts. P.225.
37. Zheleznyakov V.V., Serber A.V. /On UV and IR spectra of
magnetic white dwarfs having hot plasma envelopes. //30th COSPAR Scientific Assembly. Hamburg, Germany, 11-21 July 1994. II. Abstracts. P.240.
38. Железняков В.В., Корягин С.А., Сербер А.В. / Критическая
температура белых карликов с сильным магнитным полем.-Препринт № 459 ИПФ РАН-Нижний Новгород, 1998 -16 С.
¿3 9 Д ~ и
v Пг ^ v'
Российская Академия Наук Институт прикладной физики
На правах рукописи
СЕРВЕР Александр Волькович
ПЕРЕНОС ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИАЦИОННОЕ ДАВЛЕНИЕ В ПЛАЗМЕННЫХ ОБОЛОЧКАХ МАГНИТНЫХ ВЫРОЖДЕННЫХ ЗВЕЗД
01.04.08 — физика и химия плазмы, 01.03.02 — астрофизика, радиоастрономия
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель: Академик РАН В.В.Железняков
Нижний Новгород 1998
Оглавление
Введение 3
1 Перенос циклотронного излучения в разреженной плазме 22
1.1 Динамика населенностей уровней Ландау в бес-столкновительной плазме.............. 25
1.2 йзлучательная способность п коэффициент поглощения на циклотронных частотах....... 44
1.3 Конверсия мод при циклотронном рассеянии в квазиоднородном магнитном поле......... 59
1.4 Термализация циклотронного излучения в плазме 66
1.5 Рассеяние циклотронного излучения в движущейся плазме........................ 74
2 Давление излучения в плазме на вырожденных звездах 97
2.1 Давление излучения в фотосферах магнитных вырожденных звезд.................... 98
2.2 Критическая температура и потеря массы магнитных вырожденных звезд............109
2.3 Давление излучения и распределение плазмы в магнитосферах белых карликов. Радиационные дисконы.......................124
3 Циклотронные эффекты на магнитных выро-
ж денных звездах 138
3.1 Интерпретация особенностей на кратных частотах в спектрах космических гамма-всплесков . . 1-39
3.2 Наблюдательные проявления горячей короны .магнитного белого карлика GR290 ...............151
3.3 Интерпретация ультрафиолетового спектра магнитного белого карлика GD 229 ..........157
Литература
168
ВВЕДЕНИЕ
Вырожденные звезды — белые карлики и нейтронные звезды — представляют собой конечные продукты эволюции обычных звезд. В недрах вырожденных звезд вещество в целом или какая-либо его компонента находится в состоянии вырождения [1,2]. Белые карлики с радиусами порядка размеров Земли 108-109 см) и массами, сравнимыми с массой Солнца ~2 • 1033 г. удерживает от гравитационного коллапса давление вырожденных электронов. Нейтронные звезды могут иметь массы ~ (1 — 3)Ме, при размерах порядка 106см. Они поддерживаются в равновесии главным образом за счет давления вырожденных нейтронов, образовавшихся при обратном бета-распаде. Средняя плотность нейтронных звезд сравнима с ядерной.
Белые карлики доступны для непосредственных наблюдений в течение длительного периода их остывания. В настоящее время диапазон наблюдений этих объектов простирается от радиоволн до рентгеновских лучей. Дополнительным источником излучения белых карликов, входящих в состав двойных систем, может быть аккреция
— перетекание вещества с обычной звезды-компаньона. В этом случае белые карлики могут наблюдаться как стационарные или вспыхивающие источники излучения
— поляры и катаклизмические переменные [3,4].
Спектральные и поляриметрические наблюдения позволили обнаружить у белых карликов магнитные поля 106 — 109 Гс [5, 6]. О наличии таких полей свидетельствует линейная и круговая поляризация оптического излучения этих объектов, а также наблюдаемые зеемановские смещения спектральных линий водорода. Не исключено, что некоторые линии и полосы в оптических и ультрафиолетовых спектрах этих звезд формируются за счет резонансного взаимодействия плазмы в их окрестностях с излучением на электронной циклотронной частоте ив = еВ/тс и ее гармониках вив — целое число). В частности, циклотронную природу могут иметь широкая и глубокая полоса депрессии на длинах волн 2000-3000 А в УФ-спектре ОБ 229 [7,8], полоса поглощения с центром на длине волны 5260 А, шириной 2400 А и глубиной
20% в оптическом спектре G 240-72 [5].
Что касается нейтронных звезд, то непосредственным наблюдениям доступны лишь пульсары — периодические источники импульсного излучения с периодами ~ 10"3 — 5 с, которые представляют собой вращающиеся нейтронные звезды. Поляризованный характер их радио- и оптического излучения указывает на существование у этих объектов сильного магнитного поля. Если считать, что наблюдаемое замедление вращения пульсаров обусловлено потерями энергии за счет низкочастотного излучения вращающейся намагниченной звезды, го величина магнитного поля на поверхности нейтронных звезд может достигать 1012 — 191J Гс. Дополнительную информацию о магнитных полях нейтронных звезд дают рентгеновские наблюдения аккрецирующих двойных систем, одним из компонентов которых является нейтронная звезда. Среди них рентгеновские пульсары и барстеры — переменные источники рентгеновского излучения, связанные с маломассивными двойными системами, содержащими компактный компонент. Вполне возможно, что источниками некоторых гамма-всплесков (импульсов гамма-излучения длительностью от миллисекунд до минуты) также могут быть нейтронные звезды с сильным магнитным полем. Для особого класса гамма-всплесков — так называемых soft gamma-repeaters, источников повторяющихся всплесков в мягком гамма-диапазоне — этот факт является общепризнанным. Спектральные особенности в виде абсорбционных линий, которые регистрируются в спектрах рентгеновских пульсаров и интерпретируются как циклотронные линии на частоте lob, также приводят к значениям магнитных полей в источниках В ~ 1012 Гс. В частности, в спектре рентгеновского пульсара НегХ-1 наблюдается абсорбционная линия на энергиях квантов ~35 кэВ, что соответствует частоте ujs в магнитном поле В ~ 3 • 1012 Гс [9]. Подобные линии, по положению которых в спектре можно определить 2 • 1012 Гс и • 1012 Гс, соответственно, обнаружены также в спектрах пульсаров 4U 1538-52 и 4U 0115+69 [10-12]. Спектр транзиентного рентгеновского пульсара X 0115+634 содержит абсорбционные особенности на кратных энергиях 12 и 24 кэВ, которые объясняются как первая и вторая
циклотронные гармоники в магнитном поле ¿?~1012Гс [13].
Данные наблюдений космических гамма-всплесков детекторами КОНУС на борту советских межпланетных станций серии «Венера», также позволили обнаружить в спектрах некоторых событий абсорбционные особенности в диапазоне энергий фотонов 20-80 кэВ, которые были интерпретированы как циклотронные линии [14,15]. Эти результаты свидетельствовали о присутствии в источниках гамма-всплесков сильных магнитных полей того же порядка, что и на рентгеновских пульсарах. Затем спутник GINGA и межпланетная станция «Фобос-2» зарегистрировали в спектрах некоторых ярких всплесков узкие провалы на кратных частотах, что послужило дополнительным сильным аргументом в пользу интерпретации этих особенностей как циклотронных линий на гармониках гирочастоты [16-18]. Однако, измерения частотных спектров и координат источников гамма-всплесков, выполненные всплесковым комплексом BATSE на орбитальной обсерватории GRO., не дают указаний на существование циклотронных линий. Вместе с тем, эти наблюдения свидетельствуют, что источники всплесков расположены на небесной сфере с высокой степенью изотропии [19]. Оба эти обстоятельства стимулировали интерес к альтернативным моделям всплесков, согласно которым их источники расположены вдали от нашей Галактики. В 1997 году от нескольких гамма-всплесков, зарегистрированных спутником Вср-poSAX, удалось обнаружить послесвечение в других диапазонах электромагнитного спектра. Гамма-всплески GRB 970228 и GRB 970402 ассоциирован с транзиентными источниками рентгеновского и оптического излучения [20,21]. Всплеск GRB 970508 сопровождался излучением в рентгеновском, оптическом и радиодиапазонах [22-24]. В оптическом излучении, зарегистрированном через 2 дня после этого события, обнаружен набор абсорбционных линий ионизованного железа и магния (Fell и Mgll), положение которых смещено в сторону больших длин волн [25]. Наблюдаемое красное смещение соответствует космологическим расстояниям.
Взятые в целом, известные к настоящему времени наблюдательные данные о космических гамма-всплесках не могут напрямую ни подтвердить, ни опровергнуть ги-
потезу о связи источников всплесков с нейтронными звездами в нашей Галактике [26]. Окончательное решение этого вопроса может потребовать длительного времени. Новые данные о спектральных особенностях в спектрах всплесков или статистически достоверное отклонение гипотезы об их существовании могут потребовать нескольких лет наблюдений, поскольку темп регистрации достаточно интенсивных всплесков весьма мал. С другой стороны, вполне возможно, что космические гамма-всплески, показывающие значительное разнообразие кривых блеска, спектров и положения на небесной сферы, могут генерироваться разными механизмами в источниках различной природы, расположенных как внутри нашей Галактики, так и на космологических расстояниях.
Накопленный к настоящему времени богатый экспериментальный материал об излучении магнитных вырожденных звезд в различных диапазонах электромагнитного спектра требует для своей интерпретации адекватных теоретических моделей. В диссертации рассматриваются особенности взаимодействия циклотронного излучения с плазмой на магнитных вырожденных звездах, без учета которых невозможно построение таких моделей для астрофизических источников излучения, связанных с этими объектами. Детальное исследование процессов формирования наблюдаемого излучения и его влияния на структуру и динамику плазмы позволяет определить физические условия в излучающей области.
В данной работе анализируются два аспекта проблемы взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой на замагниченных белых карликах и нейтронных звездах.
Во-первых, сильное магнитное поле может качественно изменить характер переноса излучения в плазме, в особенности на частотах, близких к шв и ее гармоникам. Вследствие этого спектры и поляризация наблюдаемого излучения магнитных вырожденных звезд и тех же объектов, не обладающих заметным магнитным полем, могут существенно отличаться. Как показали исследования, проведенные в последние годы, поля В ~ 107 — 1012 Гс. радикально меняют как условия распространения
излучения (дисперсионные свойства, поляризацию нормальных волн), так и характер элементарных процессов в плазме.
В условиях магнитных вырожденных звезд время циклотронного высвечивания поперечной энергии электронов ['27]
tx ~ (3/4)(mc3/f24) ~ 2.6 • 1(Г16(£/1012 Гс)-2 с
может стать много меньше других характерных времен в системе, в частности, времени между времени пробега электрона между столкновениями tst. В такой «бес-столкновительной» плазме собственное циклотронное излучение на первой гармонике оказывает существенное влияние на распределение электронов по поперечным импульсам (по уровням Ландау). В пренебрежении столкновениями (ti_/tst—^0) стационарное поперечное распределение электронов оказывается больцмановским с температурой, равной локальной эффективной температуре излучения на первой гармонике [27,28]. В случае «редких» столкновений (ij_ <ist) распределение по уровням Ландау также определяется излучением на первой гармонике, а ударные переходы дают лишь малую (порядка fj_/ist) поправку к этому распределению [29]. С точки зрения переноса излучения условие t\_ С tst означает, что поглощенные плазмой фотоны, в основном, переизлучаются, спонтанно или индуцированно, (вообще говоря, в другом направлении и на другой частоте), и лишь малая их доля (порядка tj_/tst) теряется за счет столкновений, отдавая свою энергию в тепловое движение электронов вдоль магнитного поля. Иными словами, процесс переноса излучения на частотах ■jj '^Lüg в этом случае можно трактовать как резонансное рассеяние [30]. Наконец, в «столкновительной» плазме с ix ^ ist распределение электронов по поперечным импульсам определяется столкновениями. В этих условиях поперечная температура равна продольной и в конечном счете определяется условиями ускорения и нагрева части плазмы.
Условие t_l ist характерно, например, для плазмы солнечной короны и маг-
ниткых Ар-звезд, где собственное излучение плазмы практически не влияет на формирование функции распределения. На этих объектах под действием столкновений устанавливается локально равновесное распределение электронов с температурой, не зависящей от излучения и, таким образом, реализуется случай локального термодинамического равновесия. Условие t± ist хорошо выполняется в плазме на нейтронных звездах [31]. Однако, на белых карликах, в зависимости от соотношения концентрации плазмы N, ее температуры Т и величины магнитного поля этот параметр может быть как больше, так и меньше единицы. В частности, могут реализоваться и такие условия, при которых tj_ ~ tst и указанные выше результаты неприменимы. Для корректного исследования переноса циклотронного излучения необходима теория, которая описывала бы общий случай произвольного б.
Сильное магнитное поле может изменить свойства электрон-позитронного вакуума вблизи вырожденной звезды, вызывая его поляризацию и намагниченность [32,33]. На нейтронных звездах обычно хорошо выполняются условия
ßr^B 457Г hc V BC1
где ßr — (кТ/тс2)1/2 — отношение тепловой скорости электронов к скорости света с, Гц — продольная (вдоль магнитного поля) температура плазмы, cjl - плазменная частота, Всс — 4.4 • 1013 Гс - критическое поле, для которого Кизв = тс2. Согласно первому из этих условий, которое можно представить в виде
(jV/IO20 см"3) С 3.4 {В/1012 Гс)4(Гц/108 К)1/2, (0.2)
на частотах — ив \ ußrv отличия тензоров диэлектрической и магнитной проницаемости от единицы, обусловленные влиянием плазмы, существенно меньше, чем связанные с вакуумными эффектами. В этом случае именно намагниченный вакуум определяет дисперсионные свойства и поляризацию нормальных волн [35]. В одно-
< 1,
(0.1)
осной негиротропной среде, каковой является разреженная плазма в намагниченном вакууме, могут распространяться две электромагнитные моды, необыкновенная (которую мы в дальнейшем будем обозначать индексом 1 = 1) и обыкновенная (I = 2). Обе нормальных волны поляризованы линейно, причем вектор электрического поля необыкновенной компоненты лежит в плоскости, образованной волновым вектором к и вектором В, тогда как для обыкновенной волны этот вектор перпендикулярен к и В. Второе из неравенств (0.1) позволяет не учитывать отличие показателей преломления мод от единицы. Наличие весьма разреженной плазмы с параметрами, удовлетворяющими (0.2), оказывает пренебрежимо малое влияние на показатели преломления и поляризацию мод и приводит лишь к поглощению излучения в плазме на циклотронных частотах.1 Коэффициенты поглощения и вероятности спонтанного излучения на первой циклотронной гармонике вдоль поля одинаковы, но имеют различную угловую зависимость [28,35,36]. При этом следует ожидать, ч то в рассеивающей плазме будет происходить эффективная конверсия волн одного типа в другой при каждом акте рассеяния. Следует подчеркнуть, что этот процесс отличается от
хорошо известной линейной трансформации волн в плавнонеоднородной плазме [37].
- • » - .
Там обмен энергии между модами обусловлен нарушением геометрико-оптического приближения в тех частях среды, где характерный масштаб изменения поляризации нормальных волн сравним с длиной волны биений между ними, и в целом связан с действительной частью показателя преломления п^- Напротив, интересующий нас эффект обусловлен отличием друг от друга мнимых частей показателей преломления мод (или их коэффициентов рассеяния хл.г)- Он может проявляться в условиях, когда линейная трансформация отсутствует, и представляет собой испускание одной нормальной волны электроном, осциллирующим в поле другой.
поглощение в намагниченном вакууме за счет рождения электрон- позитронных пар на частотах в области Ни <С тс2 отсутствует.
Для плазмы на белых карликах характерны другие условия
1 е2 45тг Кс
-Г
« < 1 Л)
(0.3)
согласно которым влиянием вакуумных эффектов на перенос циклотронного излучения можно пренебречь. Квазипоперечные нормальные волны с показателями преломления, близкими к единице, в данном случае поляризованы эллиптически. Форма эллипсов поляризации мод совпадает с проекцией ларморовского кружка электрона на плоскость, ортогональную волновому вектору к, причем вектор электрического поля волны 1 вращается в ту же сторону, что и электрон в магнитном поле, а в волне 2 - в противоположном направлении. Такая поляризация мод приводит к резкому различию их коэффициентов непрозрачности: соответствующее отношение Х2/Х1 ~ ^ 1- так что обыкновенное излучение взаимодействует с плазмой весьма слабо [27,29,38,39:. Тем не менее, и в этом случае конверсия при циклотронном рассеянии становится существенной в плазме достаточно большой оптической толщины.
Несмотря на обширные исследования, проведенные в последние годы, вне поля зрения остались некоторые проблемы, играющие важную роль в формировании спектров излучения намагниченных белых карликов и нейтронных звезд. К ним относятся учет конверсии нормальных волн при ц
