Теория формирования спектров МГД-флуктуаций и нетепловых заряженных частиц в межзвездной среде тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕ2ЛЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕйШЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А.Ф.ИОМЕ

На правах рукошса

Быков Андрей Михайлович

УДК 523.165

ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СПЕКТРОВ МГД-ШКТУАЦЩ И НЕТЕПЯОШХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЫЕЯЗБЕЗДЯОЙ СРЕДЕ

(специальность 01.03.02 - астрофазпка а радиоастрономия)

АВТОРЕФЕРАТ диссартацаи на соискакпо ученой степени доктора физико-иатеиатдческих наук

С.-Петербург 1992

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

Официальные оппрненты: член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Г.Б.Христиенсен

(Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова), доктор физико-математических наук B.C. Птускш

(Институт земкого магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН), доктор физико-математических наук, профессор О.Н.Гн&дан

(Главная астрономическая обсерватория РАН).

Ведущая организация - Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН.

Защита состоится " № » ItoJ^hj 1992 г. в часов

на заседании специализированного совета Д 003.23.01 при ФГИ им. А.Ф.Иоффе РАН ш адресу: I94Q2I, С.Петербург, ул. Политехническая, д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ.

Авторзферат разослан " " ОкТЛоЬя 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математическЕХ наук

А.Л.0рбела

[ "т; !

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Нетепловые зарязешше частицы и электромагнитные шля являются, наряду с газом к пылью, основными компонентам!, определяющими структуру и наблкдаемые свойства межзгзздной среды (МЗО). От особенностей распределения нетепловых частиц и флуктуаиий электромагнитного поля существенно зависят тепловой баланс, ионизацовное состояние, химический и изотопный состав межзвездного газа, дана>,така крупномасштабных движений. Высокзя плотность энергии, крупномасштабных флуктуации и нетепловых частиц определяют их важную роль практически во всех неравновесных процессах, протекающих в диске и гало Галактики.

Интенсивное развитие радио, оптической, рентгеновской и гамма-астрономии, непосредственные наблюдения на наземных установках и орбитальных обсерваториях позволили в последние годи накопить значительный наблюдательный материал о свойствах флуктуация и нетепловых частиц в межзвездной ср&де. Для надежной физической интерпретации имеющихся данных, систематизация наблюдений, полученных различными методами и, что особенно вгнно, для разработки программ новых экспериментов, необходимо построение теории генерации и распространения электромагнитных флуктуаций и нетепловых частиц.

Совокупность наблюдательных данных, относящихся к самым различным астрофизическим объектам - от активных ядер галактик до межпланетной среды и магнитосферы Земли - указывает на связь эффектов генерации нетепловых частиц с наличием в объектах интенсивных флуктуаций электромагнитного поля. Таким образом, исследование механизмов формирования спектров турбулентных флуктуаций и нетепловых заряамньлх частиц в МЗС представляет собой атуалъную прсблелхц.

Целью работ является построение теории формирования

спектров флуктуаций и нетепловых заряженных частиц в диффузных

фазах межзвездной среды и анализ конкретных моделей активных

областей МЗС. В диссертации рассмотрены следующие вопросы:

1. Исследование физических механизмов, определяющих эволзцию флуктуаций скорости, плотности и электромагнитного поля в мезсзвездяой среде с учетом эффектов сжимаемости и наличия ударных волн.

2. Построение моделей, описывающих спектры флуктуаций в диффузной. МЗС.

3. Развитие ■"еории переноса и ускорения заряженных частиц сильной крупномасштабной мгд-турбулентностью с ударными волнами.

4. Анализ моделей областей генерации Евтепловых заряженных частиц в МЗС.

Основное положения и резулыаш, выносимые на защиту:

1. Механизм формирования спектров турбулентных флуктуаций в сзимагмых системах с ударными волнами.

2. Статистическое распределение ударных волн различной силы в диффузной межзвездной среде.

3. Модель формирования спектров мгд-флуктуаций в диске и гало Галактики.

4. Метод перенормировки кинетических коэффициентов, описававдих ускорение и перенос заряженных частиц в йлазкэ с длинноволновыми сильными фдуктуацнями.

5. Метод расчета и результаты анализа режимов аномального поперечного переноса замагниченшс заряженных частиц в плазме с крупномасштабной мгд-турбулентностью.

6. Кинетическое уравнение," описывающее взаимодействие заряженных частиц с сильной длинноволновой турбулентность?: с учетом эффектов конечного изменения энергии на коррел.щионном масштабе.

7. Особенности спектров заряженных частиц, взаимодействующих с сильной длизноьолновой мгд-турбулентностью.

8. Кинетическая теория ускорения частиц ансамблями ударных вот в турбулентной космической плазме с учетом эффектов пэреможав-

МОСТИ.

9. Модель генерации космических лучей в ассоциациях звезд 0 и В типов. Сцектры нетепловнх частиц и электромагнитного излучения в ассоциации.

Научная. ноР-Лзпа работ

В работе предлозсен новый механизм Формирования спектров флуктуаций в диффузной ' межзвездной среде. обусловленный множественными взаимодействиями ударных • волн от сверхновых и звезд ранних спектральных классов с неоднородно ст пми МЗС. Установлены закономерности распределения энергии кезду вихровкми и потенциальными мода?,га, определящие относительные флуктуации скорости среди, ее плотности и магнитного поля. Выполнен расчет спектров флуктуаций.

Предложен новый метод построения кинетических уравнений и расчета кинетических коэффициентов, описывающих пространственный перенос и изменение энергии заряженных частиц, взаимодействующих с сильной длинноволновой турбулентностьи мгд-типа. На основе данного метода исследован аномальный перенос заряженных частиц * системах с изотропными, длинноволновыми флуктуациями скорости среды и мзгеитного поля.

Впервые получено кинетическое уравнение, дозволившее исследовать особенности спектров нетешговых заряженных частиц с учетом аффектов конечного изменения их энергии на корреляционном масштабе случайного поля длинноволновых мгд-фдуктуаций.

Развита кинетическая теория- ускорения заряженных частиц в среде с сильной сверхзвуковой и сверхальвеновской турбулентностью с учетом аффектов перемежаемости распределения частиц. Исследованы спектры нетепловнх частиц, сформированные в объектах с множественными ударными волнами.

Построена модель генерации аатеплоЕых заряженных частац в окрестности ассоциаций звезд 0 и В типов на стадии взрывов сверхновых звезд. Выполнен расчет спектров космических лучей в интервале энергий от десятков КэВ до а+зэхю*7 эВ. Установлена высокая ^ЗИйктивность генерации субкосмических лучей. Выполнен

— s —

расчет спектров нетеплового электромагнитного излучения данного типа объектов.

Научное и прашияеское значение работы

В диссертации выполнено систематическое исследование кинетики заряженных частиц и мгд-флуктуаций в межзвездной среде. Результаты диссертации широко используется при анализе неравновесных процессов в активных областях МЗС во многих научных центрах нашей страны, а также в CIA, Германии, Нидерландах и др.

Аналитические метода исследования переноса и ускорения заряженных частиц сильной турбулентностью с ударными волнами, развитие в работе, используются при построении моделей генерации ж распространения космических лучей.

Модель формирования спектров мгд-фшуктуаций в диффузной МЗС, предложенная в работе, используется при интерпретации наблюдательных данных о распространении радиоимпульсов пульсаров через межзвездную плазму и цри построении моделей диффузионного распространения галактических космических лучей.

Результаты диссертации отражены во многих монографиях и обзорах по физике межзвездной среда и космических лучей. Часть материалов диссертации вошла в монографию (написанную в соавторстве) "Турбулентность, токовые слои и ударные волны в космической плазме" (М. Наука 1989, дополненное издание- на английском языке cordon s Breach. 1992) и активно используется в учебном процессе для подготовки студентов и аспирантов.'

/лусбаргя. Основные результаты диссертации долоакны:

- на Всесоюзных конференциях по физике космических лучей (Самарканд, 1981 г,.Тбилиси, 1936 г., Алма - Ата, 1988, Даго-лыс, 1990);

- на Всесоюзном совещании по физика мехзвездаой среда (Клев, 1989).

- на Всесоюзных совещаниях по сверхновым звездам (Москва. 1937, Пулково, 1939, Пущино, 1992).

— 7- на Международных конференциях по космическим лучам (Париж, 1981, Бангалор, 1983, Москва, 1987);

- на Европейских симпозиумах по космическим лучам (Ленинград, 1980, Бордо 1986);

- на 8-м рабочем совещании по проблеме ускорения космических лучей ударными волнами (Лицдау ,ФРГ, 1380);

- на Байкальских школах по проблемам физики космической ххлазми (Иркутск, 1981, 1985, 1988);

- на конференции "Астрофизика сегодня" (Ниаэшй Новгород, 1991).

- на симпозиуме НАС М44 "Взаимодействие диска и гало в галактиках" (Лейден, Голландия, 1990)

- на симпозиуме "Эволиция межзвездной среда и динамика галактик" (Прага, Чехословакия, 1991)

- на конференции НАСА "Ускорение частиц в космической плазме" (Ньюарк, США, 1991).

- - на общемосковском физическом семинаре В.Л.Гинзбурга, на семинарах отдела теоретической физики ФИАН игл. П.Н.Лебедева, кафедры, теоретической физики ЛПИ, сектора теоретической астрофизики ФТИ им. А.Ф.Иоффе, Института Космических Исследований, ГАИш, кафедры астрофизики СпбГУ, Института Теоретической и Экспериментальной Физики, отдела исследований вариаций космических луч^й ИЗМИРАН.

Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в 30 работах, цитируемых в конце автореферата.

Структура, и объем диссертации: Диссертация состоит та

Введения, семи глав, Заклвчения и списка цитированной литературы. Она содержит ,230'стр., в том числе 14 рисунков и 3 таблицы. Список литературы насчитывает 168 наименований.

С0ДЕЕШИЕ РАБОТЫ

Рс ^ведении к диссертации показана актуальность теш,

сформулированы основные цели работы, резюмированы новизна и значение ее результатов, а также апробация. Кратко изложена структура диссертации и сформулированы положения, выносимые на защиту.

В пергой хлазз диссертации дан краткий обзор современных представлений о структуре MX. Наблюдательные данные, суммированное в параграфах I.I и 1.2, свидетельствуют в пользу существования практически во всех фазах МЗС достаточно широких спектров флуктуацай скорости среда, ее плотности и магнитных шлей. Во многих случаях наблюдаются степенные спектры флуктуаций изморяэжее величия. Распределение турбулентности в Галактике неоднородно, флуктуации интенсивнее в окрестности источников выделения энергии. Плотность энергии флуктуаций сравнима с плотностями энергии основных компонент МЗС.

На основе анализа наблюдательных данных и теоретических соображений поставлена задача построения теории формирования слектрсз флуктуаций в МЗС с учетом особенностей источников а фори знергоЕыдалекдя. Такая теория долша учитывать сжимаемость среды, поскольку механизмы переноса энергии и импульса в системе связаны с наличием ударных волн.

Проблему генерации и распространения нетопловнх заряженных частиц и формирования спектров МГД-флуктуаций в МЗС органически связаны.

1. Развитие теории взаимодействия нетепловых частиц низких энергий с крупномасштабными сверхзвуковыми и свэрхальвеновскями флуктуацнями разреженной плазмы в магнитном поле.

2. Построение моделей источников нетопловых частиц и анализ возможностей наблюдений данных источников во всех доступных спектральных диапазонах.

Во второй главе диссертации, предложена а исследована теоретическая модель, описывающая спектры флуктуаций скорости и плотности среды в системах с энерговыделением в форме ударных волн.

Рассмотрено взаимодействие газодинамических мод со структу-

рой, состоящей из ударной волны и области рг.зрежзпия. Показано, что в результате взаимодействия вихревая мода усиливается, г звуковая и энтропийная ослабляются. Наряду с атзм имеет место трансформация энергии мезду модами на фронтах ударных волн.

Для описания преобразования мод, взаимодействующих с ансамблем структур из ударных волн и волн разрешения введена матрица - г^. .'Индексы матрицы -он/? отвечают трем газодинамическим кодам - звуковой (в), вихревой («) и энтропийной (<?)■ Диагональные элементы описывают скорость роста или затухания моды за счет взаимодействия ударными волнами и разрежениями. Недиагональные элементы матрицы описывают взаимную трансформацию мод на ансамбле ударных волн. Получены аппрокскмационные аналитичесг кие зависимости для элементов матрицы преобразования мод на описанной выше структуре, которые далее усреднены по ансамблю реализаций ударных волн с разрежениями.

Ансамбль ударных волн и разрежений, используемый в данной главе, описывает распределение слабых вторичных ударных волн, возникающих при распространении сильной ударной волны в срэде с аводаородаостями в ¿иде плотных облаков.

, Функция распределения ударных волн рсцэ, т.е. среднее чис.-> пересечений датой точки пространства в единицу времени, ударными волнами с числом Маха р, рассчитанное на единичный, интервал'чисол и. мошзт быть представлена в следующем виде:

где параметры о и о, са<1> выражаются через наблюдаемые характеристики межзвездаой среды, а - показатель автомодельности первичной ударной волны, мж- минимальная сила слабых вторичных ударных волн. Показатель а принимает значения 3 и 4 для одномерной и трехмерной моделей, соответственно (подробный анализ параметров дан в главе 3). Из соотношения (I) видно, что в рассматриваемом ансамбле ударных волн превалируют слабые вторичные ударные волны. Как первичные, так и вторичные ударные волны сотгговоздаются длинноволновыми разрежениями, следующими за

(I)

- /о -

фронтами.

Трансформация мод на ударных волнах, их адиабатическое взаимодействие с длинноволновыми разрежениями и нелинейное взаимодействие приводят к перераспределению энергии по спектру. О учетом нелинейных взаимодействий мод, уравнение для плотностей энергии (а И Р - МОЖНО ПрбДСТ8ВИТЬ В ВИД01

1г "а + к "а - I »0 - . «)

Р

где па - поток энергии по спектру а - моды (нелинейный функционал от Гор - коэффициенты усиления (ослабления) и трансформации мод. Уравнение (2) есть уравнение неразрывности для плотности энергии, с учетом взаимодействия мод с ансамблем ударных волн, заданным соотношением (I). Декременты затухания мод - г*<*> определяют границы инерционных интервалов стационарных спектров мод.

В гараграфе 2.6 показано, что формирование спектра флуктуация происходит по следующему сценарию. Малые вихревые возмущения усиливаются ансамблем ударных волн с разрежениями до уровня, когда начинают сказываться нелинейные эффекты дробления вихрей. Баланс усиления и дробления вихрей и определяет их стационарный спектр: который имеет ввд:

г

V сю -

2 Г С к ч279!2 г ^ "Л**'*

7§ ['"И) ] И] 131

Стационарный спектр звуковых мод формируется за счет баланса источника звуковых возмущений, связанного с трансформацией вихрей в звук на фронтах ударных волн, и нелинейного распада звуковых мод. В наиболее реалистическом в условиях ИЗО случае \гтш | < з х

»/4 / . \Э

Г (с Л )

• V -

V ск> а * *

• ое

М^Г (-Н

к < к < к ,

1- — ое

к < к ■< к., о» <1

(4)

— ií—

здесь а - численный фактор порядка нескольких единиц. В максимуме, при * % мо=получим

г

Р

VV О

г

х

(6)

Для вихрей и звука асимптотически (вдали от основного масштаба) имеют место спектры с постоянными потоками энергии, амплитуда которых определяются свойствами ансамбля ударных волн.

Спектральная плотность энергии продольных звуковых мод падает с ростом волнового числа л более медленно, чем для поперечных вихревых возмущений, поэтому в случае слабой диссипации в области больших волновых чисел продольные возмущения будут доминировать над поперечными. Масштаб начиная с

которого звуковые волны превалируют над вихревыми, имеет порядок величины:

Развитая в главе 2 модель позволяет вычислить также и спектры флуктуаций магнитного поля - как возмущение системы с р = впР;вг >1, т.е. для горячей незамагниченной плазмы, что часто является хорошим приближением для описания процессов в МЗС.

В третьей глава рассмотрены конкретные реализации спектров флуктуаций в различных областях МЗС.

В параграфах 3.2 и 3.3рассчитаны статистические распределения ударных волн в диффузных фазах межзвездной среды. Статистическое распределение ударных волн различной силы необходимо знать для построения количественной теории формирования турбулентности в МЗС, моделей распространения космических лучей, определения эффективности разрушения межзвездной пыли и многих других процессов в МЗС,

Мслг^там генерации турбулентности связан с многократным

> —— • >-„„ J

Г 4с к i" • 1 I

(7)

взаимодействием первичной ударной водны от взрыва сверхновой с межзвездными облаками. Межзвездные облака представляют собой контрастные неоднородности плотности, размеры которых меньше, чем максимальный радиус фронта первичной ударной волны, движущейся в разреженном межзвездном газе. Распространение ударной волны от сверхновой по сильно неоднородной среде сопровождается множественной .генерацией более слабых вторичных ударных волн.

Пусть взрывы сверхновых происходят в некоторой области пространства с частотой на единицу объема 5. Сверхновые порождают сильные ударные волны в МЗС, которые мы будем называть первичными. Распространение первичных ударных волн описываем сферически-симметричными решениями. Используя закон движения фронта, получим, связь радиуса фронта ударной волны с ее силой и'.

где максимальный радиус фронта козависат от начальной энергии взрыва и параметров окружающего газа. Решению Седова отвечает «»2, неадиабатическим решениям, учитывающим испарение облаков внутри фронта,-« = 4.5, а закону, описывающему режим расширения оболочки с радиативными потерями, соответствует а «= 1.2. Функция распределения вторичных сферически-симметричных ударных волн, порожденных рассеянием первичных сильных ударных волн от сверхновых на облаках:

4па 5/ ЛЭ

г>'г>С^ =« -ССЗ;а>, и< п , (9)

Сц -

где /е1- объемный фактор заполнения даьной области МЗС облаками, который в типичных условиях МЗС порядка десяти процентов. Функция ссп;со-табулирована в диссертации, тж= 1.87, а м.» Ю-2. В одномерной модели распространения вторичных ударных волн (вдоль или поперек локального магнитного поля) распределение имеет вид:

гттаВ/ к3

Р,г'сц > ---ссг.сО, и< р < (10)

с»

Суперпозиция большого числа ударных волн и сопутствующих

разрежений, распределенных по закону (8), определяет спектр крупномасштабных флуктуаций скорости, плотности и -магнитного поля

мзс.

\KtO-*

4а С

пк К аС

1 * 3/

о

гнг я3 Г

Г я

о Ке1

с1

К

СС2;а> 1тх

СС6;а>

[ ^ 1

кК » 1

(II)

, на « 1,

Подобный по форме спектр флуктуаций тлеет место и для одномерного распределения ударных волн (9).

На основе развитых физических механизмов формирования спектров флуктуаций в главе 3, рассмотрены модели генерации турбулентности в Галактике.

Источником энергии и импульса в диске являются сверхновые звезда, ассоциации звезд о- и а-типов и, вероятно, высокоскоростные облака. Среднее по диску знерговыделение составляет з-/о-27 эрг см"V1, однако распределение источников в диске носит ярко выраженный перемежаемый характер.

Можно выделить две составляющие в распределении плотности энергии турбулентных флуктуаций в галактическом диске:

I. Области интенсивного знерговыделения. Они сосредоточены в основном, по-видимому, в окрестности молодых звездных скоплений. В то аевремя нельзя исключить и наличия областей, сильно возмущенных столкновением высокоскоростного облака с диском. Характерный размер областей интенсивного энерговыделения порядка ста парсок. Доля объема диска, занятая такими областями, по-видимому, порядка десяти (возмогло несколько больше) процентов. Время жизни активных турбулентных областей - порядка ю7 лет.

Спектральные плотности энергии флуктуаций скорости и магнитного поля могно аппроксимировать следующим выражением:

где v * (3-5)xI0® эрг см"2 2x10"1Р см"1, м - ío3 к В обО * ж 771 *

ласти крупных масштабов спектр (12) определяется вкладом ударных волн и разрежений и в соответствии с (II) пропорционален *"2. В области масштабов * ¿ н £ в спектре, согласно (3), превалирует альвеновская (вихревая) ветвь, поскольку для нее имеет место более медленный (Колмогоров сюгй) закон убывания.

Более однородными и протяженными источниками энергии и импульса турбулентной МЗС галактического диска являются сверхновые i типа, крупномасштабные волны плотности и столкновения облаков. Их усредненный энергетический вклад, можно оценить как Ю-27 эрг с-1см~э. Они определяют турбулентный "фон" в диске.

Механизм формирования спектра флуктуаций для теплого диффузного межзвездного газа связан с генерацией ударных волн взрывами сверхновых, звездным ветром, межоблачными столкновениями и взаимодействием высокоскоростных облаков с диском Галактики. Формирование ансамбля вторичных ударных волн происходит в результате многократных взаимодействий ударных волн с облаками. Локальная структура турбулентности в диффузных областях диска регулируется слвдущими процессами:

1) Взаимодействие ударных волн с линэйными и нелинейными флуктуациями (с трансформацией мод).

2); Нелинейная эволюция длинноволновых мод в МЗС.

В рамках этих предположений, спектральная плотность энергия усю флуктуаций скорости газа и магнитного поля в теплой фазе диффузной межзвездной срода имеет вид:

- [~] ] [-¡г] •

гд9 к 8: 2-10"1р см"1

-15-

Спэктр фдуктуаций плотности газа имеет форму:

к 3,2

*л<ю - о. 01 — ] • (14)

где 1.3 Представленное описание спектра обосновано в интервале волновых чисел 2x10"*°< * <• 6*10~,4см~'. Внутренний масштаб спектра флуктуаций ~ 6^10" 1Чсм"1 определен с учетом затухания мод по декреметам, рассчитанным Макивором (1977) и Спанглером (1991).

Таким образом, в первых трех главах исследованы эффективные механизмы формирования спектров МГД-флуктуаций в диффузных фазах МЗС.

В четвертой главе диссертации рассмотрены эффекты пространственного переноса и изменения энергии заряженных частиц в межзвездной среде, обусловленные взаимодействием частиц с сильными крупномасштабными мгд-флуктуациями скорости.

Рассмотрены плазменные системы с развитой, статистически однородной, изотропной МГД-турбулентностьга. Электрические поля, индуцированные турбулентными движениями идеально проводящей среды с вмороженным магнитным шлем, приводят к статистическому изменению энергии надтепловых заряженных частиц. Флуктуации магнитного поля с масштабами меньше или порядка гирорадиуса частицы ведут (в отсутствие кулоновских соударений) к эффективной изотропизации импульсов частиц и определяют их транспортный пробег л. Длинноволновыми считаем флуктуациями с корреляционными масштабами г-с», л. Длинноволновые флуктуации поля . скоростей (определяющие электрические поля) описываем Фурье-образом парной корреляционной функции <иасг, ии^скоторый представлен в виде:

Посредством усреднения уравнения переноса по ансамблю турбулентных флуктуаций в параграфах 4.2 и 4.3 вычислены коэффициенты диффузии частиц в координатном (*) и импульсном (о) пространствах. Основное внимание уделено случаю сильной турбулентности, когда требуется перенормировка кинетических коэффициентов, полученных по теории возмущений.

а ;.^ т)афв 4.3 предложен метод вычисления ренормированных

1

кшетических коэффициентов, аналогичный методу самосогласованного поля. Идея метода перенормировки кинетических коэффициентов сводится к следующему: выберем произвольным образом малый участок ширины л* спектра случайных флуктуаций и вычислим вклады д* и лп от гармоник, содержащихся в этом участке спектра. Поскольку ал -макроскопически малая величина, вклада л* и до можно вычислить точно. При этом в соответствующей функции Грина эффективно учтен весь спектр случайных флуктуаций через полные коэффициенты диффузии, которые на этом этапе считаются неизвестными параметрами. Интегрирование по всему спектру д* и до позволяет получить замкнутые алгебраические трансцендентные уравнения для коэффициентов х и о. Кинетические коэффициенты вычисляются путем решения трансцендентных уравнений. Метод не требует гауссова распределения вероятностей случайных величин, но предполагает, что коррелируют лишь спектральные гармоники с близкими волновыми векторами.

Мотод перенормировки позволяет описать как системы с малым изменением энергии частицы на корреляционном масштабе сильной турбулентности (типа Колмогорова-Фоккера-Плажа), так и системы с конечным изменением энергии на масштабе корреляции.

Для систем, в которых на масштабе корреляции случайного крупномасштабного поля происходит значительное изменение энергии частицы, получено уравнение переноса. Оно содержит операторы, интегральные по импульсной переменной:

<50 г О ОС г. Г)' , О ( в

- " --i-г + 3-1 £хг77-т7'^£3<гг,77,.осгг},= О,

¿>! * ' вг дг„ Зг1

(16)

где вместо импульса частицы р введена переменная ч = ьпСр/р^э. . Показано, что фурье-образы ядор штегрзльшх операторов и

в уравнении (16) удовлетворяют трансцендентным уравнениям

вида:

i p dkda p <

= * + - -r -

з •> сгп^ L

cflcrto Г ггсм, w}+SCk.

•«Л.* -1

f r cflc^w к SC

DCsJ = - - -=-. X = Cs +3isX (18)

9 J CírO'* xCsJ>kz + iu + \DCs2

Здесь * - "затравочный" коэффициент диффузии, подлежащий перенормировке за счет взаимодействия частиц с сильной длинноволновой турбулентностью.

Ядра (17) и (18) могут быть вычислены для заданных спектров турбулентности, которая здесь предполагалась статистически изотропной. Выполнен деталыи,1 расчет фурье-образов ядер кинетического уравнения (16) для различных реализаций спектров флуктуация сжимаемых мгд-систем.

В частном, но важном, случае систем с малым изменением энергии частицы на масштабе корреляции кинетическое уравнение (16) имеет вид перенормированного уравнения

Колмогорова-Фоккера-Планка:

9Г a ÓF í ó 6F

- - - *сф- + -2— DCplp2— , (19)

at ara дгр Р °Р 0р

"aft + "Т J 7Z7 L --J? ~ г--Т?]' (20)

3 J С2пЭ ш * xb- ClQ ♦ xb J

р2 р сПс dio SCh» оО

О - - -7-- ■ (21)

9 J сгпэ * X*

Важный для приложений к замагниченным нетепловым частицам в МЗС случай сильно анизотропного затравочного тензора диффузии рассмотрен отдельно в главе 5.

В параграфе 4.5 получены энергетические спектры нетопловых заряженных частиц с учетом непортурбативных эффектов конечного изменения энергии частицы на длине корреляции случайного электрешпгтюго поля в плазме. Показано, что функция распре-

— ¡в —

деления заряженных частиц в системе с протяженным спектром сжимаемых мгд-фдуктуаций и стационарной инжекцией моноэнергичных частиц имеет интегрируемую логарифмическую особенность в области малых шредашшх импульсов. Асимптотическое выражение для спектра частиц при импульсах, близких к импульсу инжекции р0, имеет вид:

tù- Э>/2

CCp,poi ос. Ъ In |tn CpSpo>\ р -» ро. (22)

Параметр ь характеризует протяженность инерционного интервала, а v- спектральный индекс мгд-флуктуаций. Особенность в спектре (22) связана с возможностью конечного изменения анергии частицы на корреляционном масштабе. В области импульсов р » ро спектр частиц степенной .

В условиях межзвездной среды перенос заряженных частиц, как правило, происходит в случайном магнитном поле во, о, масштаб изменения которого значительно превышает локальный транспортный пробег частиц относительно рассеяния мелкомасштабными электромагнитными полями (кулоновскими или плазменными). При атом в системэ присутствует регулярное квазиоднородное магнитное поле во. Особенно типична такая ситуация при диффузии различных примесей, как тепловых^ так и неравновесных, в турбулентной замагниченной плазме с широким спектром флуктуаций магнитного поля и скорости среды "О, о.

Если ларморов радиус частиц мал по сравнению с транспортным пробегом, то локальная диффузия частиц носит резко анизотропный характер. Движение частиц происходит в основном вдоль направления локального магнитного поля, с отклонениями за счет дрейфов. В то же время глобальный перенос на расстояния, превышающие корреляционную длину случайного поля, за время, много большее корреляционного времени крупномасштабных полей, и при наличии поперечных движений плазмы может сводиться к диффузии, близкой к изотропной. Воз1шкает, таким образом, задача о связи локального и глобального тензоров диффузии. Особенно важен вопрос о поперечном (относительно квазиоднородного магнитного поля во) коэффициенте диффузии. Данная задача актуальна как при анализе распространения космических лучей и элементов, синтезированных в

различных процессах в МЗС.

Для корректного расчета глобального тензора диффузии необходимо учитывать как турбулентное поле скоростей среды, так и особенно стохастическую составляющую крупномасштабного магнитного шля, которая в Галактике имеет тот же порядок величины, что и 1 тулярноо поло спиральных рукавов.

Стохастичность крупномасштабного поля приводит к переносу частиц поперек во за счет отклонения локального поля от среднего. Такую же роль играют поперечные составляющие поля турбулентных скоростей (и связанные с ними электрические поля идеально проводящей плазмы), подробно анализировавшиеся в четвертой главе.

В пятой главе диссертации решается задача расчета глобального тензора диффузии замагниченных пробных частиц без ограничений на амплитуду случайного поля Се =■ < * вЪ> ~ /;>, а также

одновременный самосогласованный учет турбулентных движений. Для решения этой задачи мы используем метод перенормировки, развитый в главе 4.

В параграфе 5.2 метод перенормировки применен к дрейфовому кинетическому уравнению и получены трансцендентные алгебраические уравнения, позволяющие численно или аналитически вычислять коэффициенты диффузии пробных замагниченных частиц поперек среднего магнитного поля, в системах со статистически однородной и изотропной турбулентностью. Коэффициенты диффузии выражены через парные корреляционные Функции полей:

х х , . г <и I

у - •('--гНттг

<и и' ->, с! к Аы - () к.ь>__

г ■> } ¿» ♦ /<; <гп>*

1-е - <■

С1

„4 г <в в'п>. *„ 1 с< мы В_ I а ¡1 к. и> _ _II II I _

(23)

= "и

С, - \

1 . ----- (24)

— го —

Соотношения (23) и (24) при заданных корреляционных функциях являются трансцендентными алгебраическими уравнениями относительно компонент тензора диффузии. Они справедливы для Всего диапазона о < « < /, т.е. без ограничений на амплитуду магнитного поля и поперечных к полю турбулентных пульсаций скорости, в частности для случая сильной альвеновской турбулентности.

В уравнениях (23,24) в приближении магнитной гидродинамики спектральные плотности флуктуаций поля скоростей связаны с соответствующими флуктуациями магнитного поля через турбулентную магнитную вязкость. Связь мезду корреляционными тензорами скорости и турбулентного магнитного поля имеет вид:

<В §">. ~ В* к* I 2 Ck.ujl <u u*>

a ft k,u о I J m I a ft

'cTк,ы •

(25)

где Фурье-образ функции Грина

]"• <26>

В функции Грине от входит перенормированный тензор диффузии поля Т)Ц\ который выражен через коррелятор скоростей:

Г,1,01 « ч" . (27)

ТС к, <л>

+ .1»iei ** + nj"'

. . s Г а '

. тГ + - -- -------tot . • (28)

Х г J СВгг - -tot - -tot

Здесь ?)m - локальная (затравочная) магнитная вязкость.

Описание переноса частиц сильной турбулентностью требует, численного решения трансцендентных алгебраических уравнений (23)-(23), что при типичных турбулентных спектрах, рассмотренных в главе 3, приводит к выводу об пзотропизации глобального тензора диффузии (d± ~ о,) сальной ыгд-турбудентностью. Количественные результаты при этом зависят от особенностей спектров сильных длинноволновых флуктуаций.

Рассмотрены также режимы переноса частиц слабой альвеновской

ДЛИННОВОЛНОВОЙ ТУрбулентаОСТЬЮ (£ <Вг>/Вго= <ux>S\J*a « i). тур-

- г\-

булентность характеризуем среднеквадратичной амплитудой скорости мод, основным масштабом I- и фазовой скоростью мод ид.

При достаточно малом локальном транспортном пробеге имеем » 1. Тогда й «, 4 «Лц/з, а о^ % 2с н^ « * в рассмотренном случае аномальный перенос поперек однородного агнитного поля пропорционален квадрату амплитуды турбулентной составляющей поля. В области параметров « « -оа1. е'\

имеет место режим поперечного переноса с о^ * « «А I.

Если « то флуктуации для таких частиц можно

считать квазистатическими, в этом случае имеем: о^ * в с1 , где числовой множитель / < в < г. Фактически множитель в зависит от. спектра флуктуаций. Перенос заряженных частиц квазистатическими флуктуациями малой амплитуды пропорционален четвертой степени амплитуды. Полученныз, для случая слабой турбулентности, режимы находятся в согласии с результатами исследования в рамках теории возмущений, выполненных Птускиным и Чувильгиным (1990).

В «активных областях МЗС. ввиду наличия множественных источников мощных возмущений, а также сильных неоднОродностей, следует ожидать формирования случайных ансамблей достаточно сильных ударных фронтов на фоне крупномасштабных волн сжатия и разрежония и различных других плавных возмущений с весьма широким спектром пространственных и временных масштабов. Поскольку основными переносчиками кинетической энергии газа в межзвездной среде выступают ударные волны, то присутствие ударных фронтов различной силы является характерной чертой турбулентности в компактных активных областях, которая является сверхзвуковой и СЕерхальвеновской.

В шестой главе диссертации развитв кинетическая теория ускорения и переноса нетепловых заряженных частиц сверхзвуковой и сверхальвеновской турбулентностью. Ускорение частиц флуктуациями электрического поля, индуцированного движениями плазмы в магнитном поле (механизм Ферми), рассматривается как один из основных механизмов формирования спектров надтепловых частиц, в частности, космических лучей.

Особый интерес представляет ускорение частиц ударными волнами в турбулентной среде, универсальный характер которого был

- гг- '

установлен в работах Крымского (1977), Аксфорда и др. (1977), Белла (1978), Блендфорда и ОстраЛкера (1978). В последующие годы этому эффекту заслуженно уделялось большое внимание, поскольку такое ускорение непосредственно наблюдается вблизи фронта головной геомагнитной ударной волны и в межпланетном пространстве. Не вызывает сомнения наличие процессов ускорения частиц и в явлениях большего масштаба с ударными волнами, таких как вспышки сверхновых и сильные звездные ветры от звезд ранних спектральных классов в Галактике.

Поскольку вблизи мгд-ударного фронта происходит ускорение частиц, то в их распределении может сформироваться неоднородность, пространственный масштаб £ которой порядка -иь^ч, где и - скорость фронта, * - локальный коэффициент диффузии в направлении нормали к фронту. Эта диффузия может быть вызвана мелкомасштабными фдуктуациями макроскопических турбулентных полей, а в достаточно плотной среде и кулоновскими столкновениями. Кинетика формирования спектра ускоренных частиц ансамблем фронтов существенно зависит не только от силы фронтов,'но и от соотношения между масштабом I и средним расстоянием I. между фронтами (которое здесь отождествляем с максимальным размером турбулентных ячеек, т.е. с основным масштабом турбулентности).

При V - 1-У1 й « I частица за характерное время провзаимодействует с несколькими фронтами, и неоднородность в распределении частиц будет определяться меньшим из двух масштабов, т.е. величиной г.. Усреднение функции распределения нужно производить по областям с размерами порядка г.. В этих условиях применима теория возмущений.

Более сложен противоположный случай у » I. При таком условии вблизи каждого отдельного ударного фронта успевает сформироваться сильная неоднородность в распределении ускоренных частиц, пространственный масштаб которой будот мал по сравнению с основным масштабом турбулентности. Распределение частиц становится сильно перемежаемым.

Статистическое описание перемежаемых систем требует дополнительной информации, по сравнению с системами статистически однородными во всех масштабах. Поэтому распределение ускоренных частиц мы будем описывать двумя функциями распределения: средней.

отвечащей распределению чготщ в областях между сильными фонтами, и локальной функцией распределения, которая отлична от нуля в окрестности данного фронта. Параметр V характеризует степень перемежаемости системы. При малых у флуктуирующая часть функции распределения мала по сравнению со средней функцией -аспределения. Для больших у (это обычно соответствует нетепловым зстицам низких энергий) флуктуации распределения частиц сильные.

Показано, что задача расчета функции распределения нетепловых заряженных частиц может быть сведена к решению интегро-дифференциального уравнения для средней функции распределения гсг,р. о. Перемежаемая часть функции распределения, обусловленная сильным отклонением от средней функции распределения в окрестности ударных фронтов, выражается через гсг, р, о.

В параграфе 6.3 получены кинетические уравнения для функции распределения частиц, с учетом эффектов сильного изменения энергии частиц на масштабе корреляции. Эти уравнения обобщают уравнения (16)-(18) на случай перемежаемых распределений частиц, (ли приведем здесь частный, но важный для приложений к условиям в МЗС, вид кинетического уравнения, соответствующего случаю малого изменения энергии частицы на масштабе корреляции плавного поля (изменение энергии частицы при взаимодействии с фронтом здесь произвольно сильное):

— * в]Гг + -1 — р*о— + А£*г * гвит, (29)

- ТвЬ J р' аР эР

где использованы обозначения:

р

Г ' 1 3 3-сх Г. , , я а и = —- - р сГр' р' -

Зр" Ор Эр'

о

а - показатель спектра частиц,ускоренных сильной ударной волной, выраженный Крымским (1977) через степень сжатия газа ударной волной. Величина т выражение для которой приведено в параграфе 6.2 диссертации, порядка времени мевду столкновениями сильных удар^знх вслн.Рзнормированные кинетические коэффициенты удовлетворяет уравнениям:

иг

31

У v v г хаО а(1

Р е р = - —

з ар

(30)

х - , + I Г «* [ ^--1. (31)

з J сгпэ* [ ¿и + а<* * х* ]

8 ® ®

о - -лХ Гласелс Г сгь>-'-—--—- . - (32)

9 СгпЗСи* X А ■>

О О

" 00 ¿Ск.ь»

А - впх \к*вк Г -----7~7~ ' (33)

о о

00 00 иСк.оО

В - впХ Гк*<1к Г До -----—— ■ (34)

сгп>*сы3+ ,

О О л. .

Для полного описания процесса ускорения,кроме функций г иг, связанных с вихревыми и потенциальными движениями, необходимо ввести еще две спектральные функции. Одна из них, р(к,ь>>, должна описывать корреляцию скачков скорости на ударных фронтах, а другая - рск.ьо - корреляцию скачков с плавной частью поля скоростей. Введение указанных спектральных функций обусловлено перемежаемым характером функции распределения частиц, для описания которой необходима дополнительная статистическая информация о случайном поле скоростей (ср. со статистически однородными задачами, рассмотренными в главах 4 и 5, где использовано существенно меньшее число корреляторов). Уравнения (29)-(34) обобщают уравнения (19)-(21) на случай систем со сверхзвуковой и сверхальвеновской турбулентностью.

Получены и исследованы стационарные (в $6.4) и нестационарные (в §6.5) спектры нетепловых частиц, формируемые в системах со сверхзвуковой и сверхальвеновской турбулентностью и содержащих ансамбли ударных волн.

В седьмой главе диссертации развита модель ускорения нетепловых частиц в ассоциациях звезд 0 и В - типов.

По существующим представлениям, основанным на наблюдениях, в Галактике имеется несколько тысяч ассоциаций звбзд ранних спектральных классов 0 и В. Каждая такая ассоциация содержит до нескольких десятков массивных ' ярких звбзд с интенсивным истечением вещества в форме звбздного ветра. Эволюция массивных

звбзд с интенсивным, звбздаым ветром продолжается, согласно стандартному сценарию, в течение (* -5) -ю6 лет (звезды Вольфа-Райе - до 5 -<о5 лет) и оканчивается взрывом сверхновой второго типа. Оценки, основанные на функция распределения начальных масс звбзд, показывают, что в ассоциации, масштаб ■ второй изначально порядка 100 пк, может иметься ещб несколько I отен менее массивных звбзд (с массой больше 8М0), эволюция которых длится <з-5э-1о7 лет и тоже заканчивается взрывом сверхновой второго типа.

Наиболее массивные 0 звбзды начинают взрываться как СН второго типа через а-зэчо6, лет после образования ов-ассоциации. Ударные волны, порождаемые первыми взрывами, взаимодействуют с ветрами 0 и В звбзд и друг с другом. В результате формируется сильная сверхзвуковая турбулентность, состоящая из плавных крупномасштабных движений горячей (Т ~ ю® к), разреженной (п ~ ю~г ст~3) плазма, сопровождающихся ансамблем разрывов. Основной (энергосодержзщий) масштаб этой турбулентности порядка среднего расстояния между сильными фронтами С1№ ~ з-ю пк?, а среднеквадратичная величина скорости флуктуаций в масштабах г - порядка

С1-35-108 СМ'С.

Турбулентные движения, согласно существующим представлениям, довольно быстро генерируют флуктуирующее поле с масштабом меньше, чем плотность энергии которого может достигать заметной доли механической энергии. Напротив, регулярное межзвбздное магнитное поле "выдувается" из системы за длительное время порядка /о7 лет. Вся система окружена относительно плотной и массивной (с массой порядка ю5 - юв Мс) оболочкой я/ с усиленным магнитным полем. Эта оболочка медленно расширяется в окружающую среду под действием энергии звбздных ветров до. а-з>/г)5 лет и взрывов СН позже.

Эволюцию нетепловых заряженных частиц - КЛ в ассоциации на с'шдии взрывов сверхновых описываем кинетическими уравнениями (29)-(34), полученными в главе 6.

Стационарный спектр КЛ, ускоренных в ассоциации, в данной модели состоит из трех ветвей:

ысрэ * n

Первая ветвь представляет низкоэнергичную часть спектра с энергиями в интервале £\ср.;>< е < ея и жестким спектром, который содержит большую часть полной плотности энергии КЛ. Эта ветвь описывается функцией распределения. За время порядка /о6 лет, с момента формирования крупномасштабной сверхзвуковой турбулентности в системе, граничная энергия первой ветви спектра - ем-достигает своего стационарного значения.

Вторая ветвь спектра начинается с энергии е„ и продолжается до энергии , определяемой меньшей из двух величин: одна из которых энергия определяемая равенством = I . Вторая -

Евн ~ максимальная энергия частиц, ускоренных одиночной ударной волной в данной ' системе. Для спектра глгд-флуктуаций внутри каверны, образованной звездными ветрами и сверхновыми в ассоциации,(см. выражение (12)), получим:

и 1* Ги1 ГМ*"" Г310® ГэВ!0"33 - — . - (36)

Для рассматриваемого типа систем энергии е1 и по порядку величины совпадают (с принятой степенью точности), они близки к /о6 ГэВ.

Максимальная анергия частиц КЛ, ускоренных в системе, определяется эффективностью их удержания в области ускорения. Если амплитуда флуктуаций магнитного поля в системе в «= (1-3)-1С-5 Гс, а масштаб турбулентности = 10 пк, то имеем г^ ~ о-з;>х/о*7 эВ,

Особый интерес представляет приложение полученных спектров к условиям в локальной окрестности солнечной системы. Эволюция местной ассоциации звезд гсо-ог» определяет физические условия в

р, * р £ р„

р

а-3

р»

— ' Р. 5 * 5 , (35)

а-3 г-а

Р' Р' *>, « Р 5

рг

, ' / - ^ - ''шах.

МЗС в масштабах порядка' ста парсек. Оценки параметров спектра КЛ (35) для местной ассоциации дают: wo</o"7см"3, е1<рР ~ 20 КэВ, есрмэ ^ 100 МэВ, ECpf}< ю& ГаВ, а - а-з>-ю 7 зВ. Модель

предсказывает спектральные индексы 4 < а < в и г > s (при нормировке спектра ып ыср>рглр).

В седьмой главе диссертации показано, что в рамках предложенной модели ускорения вырабатывается жесткий спектр пизкоэнергичных КЛ, в которые может быть передана значи-

тельная доля кинетической энергии системы. Вследствие этого КЛ играют важную динамическую роль в эволюции МЗС в окрестности ассоциаций звезд 0 и В типов (модификация турбулентного поля скоростей, нагрев и ионизация окружающей среды и т.д.).

Расчет спектров жесткого рентгеновского и г-излучения из ассоциации на стадии взрывов сверхновых показал, что в области энергий to кэВ - too МэВ нетепловое излучение имеет интенсивность, достаточную для наблюдения соответствующих галактических объектов. На рисунке I приведен типичный пример рассчитанного спектра нетеплового электромагнитного излучения ассоциации.

-га -

При расчете спектра на Рис.1 учтены вклады от следующих процессов:

1) обратного комптоновского излучения нетепловых электронов на оптических и ультрафиолетовых фотонах с концентрацией 5 фотонов в см3;

2) тормозного излучения нетепловых элоктроноь в оболочке hi, масса которой принята равной ю& MQ ;

3) распад п°-мозонов от взаимодействия протонов, имеющих спектр (35), с оболочкой hi.

Спектр нетепловых электронов имеет лишь первые две ветви (35). Высокоэнергичная ветвь отсутствует из-за' сивхротронных и компто-новских потерь. Концентрация нетепловых электронов н в спектре

—Ю —3

(35) порядка ю '"см , а энергия, соответствующая переходу на вторую ветвь - юо МэВ.

В Заключении изложены основные результаты диссертации:

1. Исследованы особенности формирования спектров флуктуации в сжимаемых системах с ударными волнами, реализующихся в ЮС. Выполнен анализ взаимодействия газодинамических код с ансамблями ударных волн и длинноволновых разрежений. Показано, что в результате взаимодействия вихревая мода усиливается, е акустическая и энтропийная ослабляются. Наряду с этим имеет место трансформация энергии мезду модами. Получены аппроксимационные аналитические зависимости для элементов матрицы преобразования мод.

2. Показано, что формирование спектра флуктуации происходит по следующему сценарию. Малые вихревые возмущения усиливаются ансамблем ударных волн с разрежениями до уровня, когда начинают сказываться нелинейные эффекты дробления вихрей. Баланс усиления и дробления определяет стационарный спектр вихревых мод.

3. Спектральная плотность энергии продольных мод падает с ростом волнового числа более медленно, чем поперечных вихревых возмущений, поэтому в случае слабой диссипации в области больших волновых чисел продольные возмущения доминируют над поперечными.

4. Рассчитана функция распределения ударных волн в ИЗО с учетом эффектов множественного рождения вторичных волн при

распространении возмущений от источников энерговыделения в сильно неоднородной среде. Показано, что в ансамбле вторичных ударных волн превалируют слабые ударные волны.

5. На основе физических механизмов формирования спектров флуктуаций, развитых в главах 2 и 3, построены модели генерации турбулентности в Галактике. Получены спектры флуктуаций скорости, магнитного поля и плотности в активных областях .МЗС.

6. Рассмотрены аффекты пространственного переноса и изменения энергии заряженных частиц, взаимодействующих с крупномасштабными электромагнитными флуктуациями МГД-типа, имеющими конечную амплитуду. Посредством усреднения уравнения переноса вычислены коэффициенты диффузии частиц в координатном и импульсном пространствах.

7. Предложен метод вычисления ренормированзых кинетических коэффициентов, описывающих перенос и ускорение заряженных частиц в системах с сильными г-тд-флуктуациями.

Ренормировэнные кинетические коэффициенты вычислены путем решения трансцендентных уравнений. Метод не требует гауссова распределения вероятностей случайных величин.

8. Рассмотрены системы, в которых на длине корреляции случайного крупномасштабного поля происходит значительное изменение энергии частицы. Для таких систем получено интегро-дифференциальное уравнение переноса.

Получены энергетические спектры нетепловых заряженных частиц с учетом непвртурбативннх эффектов конечного изменения энергии частицы на длине корреляции случайного электромагнитного поля в плазме. Показано, что в области малых переданных импульсов стационарный спектр частиц имеет универсальную логарифмическую особенность.

9. Исследована диффузия замагниченных заряженных частиц в межзвездной плазме с учетом наличия статистически однородных и изотропных флуктуаций магнитного поля и скорости среды, •без предположения о малости их амплитуд. Для вычисления усредненного тензора диффузии частиц использован метод перенормировок. Сильная I ¡гд-турбулентность в система с локально анизотропной диффузией приводит I; изотропизации глобального тензора диффузии.

10. Построена кинетическая теория ускорения и переноса нётепловых заряженных частиц сверхзвуковой и сверхальвеновской

турбулентностью в плазда МЗС. Показано, что описание перемежаемых распределений частиц в системах с ансамбля™ ударных волн требуот статистической информации о корреляциях ударных фронтов и их силе.

Получены стационарные и нестационарные спектры нетепловых частиц, формируемые в системах со сверхзвуковой и сверхальвеновс-кой турбулентностью и содержащих ансамбль ударных волн.

II. Построена модель ускорения нетешювых заряженных частиц в окрестности ассоциаций звезд 0 и В типов на стадии мощного анерговыделения в форме звездных ветров и ударных волн от множественных взрывов сверхновых.

Показано, что наличие интенсивных гидродинамических движений, включающих ансамбль разрывов, приводит к формированию жесткого спектра низкоэнергичных космических лучей, плотность энергии которых достигает заметной доли кинетической анергии системы. '

Предсказана возможность формирования в ассоциациях звезд 0 и В типов спектров космических лучей в широком интервале анергий -от десятков КаВ и до ci-зз-ю17 эВ.

Рассмотрены спектры нетепловых рентгеновского и у-излучений; показано, что в окрестностс ассоциаций их интенсивность достаточна для наблюдения галактических источников рассматриваемого типа.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1.Быков Ä.M. Межзвездная турбулентность и ударше волны. Письма в Астрономический Журнал т 8. 596 - 599, 1982.

2.Быков А.М., Топтыгин И.И. Межзвездная турбулентность и кинетика космических лучей . Известия АН СССР сер. фаз. т.46, с. 1659 - 1662, 1982.

3.Быков А.М., Топтыгин И.Н. Hagn»tohydrodynamiс turbxilenc* in th» cosmic ray confinomont r&gions о/ Galaxy. Proc. XVIII Internat. Cosmic Ray Conf. Bangaloro, v9, p. ¿47 - 250, 1S83.

4.Быков А.М., Топтыгин И.Н. Оп th» cosmic ray diffuston in tho interstellar medivm. Proc, XIX Internat. Cosmic Ray Conf. La Jolla, USA, v3, p. 07 - 7O, 1965.

5.Быков А.М., Топтыгин И.Н. Particl» ассеЫгаЧоп Ьу astrophysical suparsonic twb\il*nc». Proc. XVI Intornot. Cosmic

-31 —

Ray Conf. Kyoto, x>2, p. 66 - .0, 1979.

У.Быков A.M., Топтыгин И.Н. Ускорение космических лучей в

источниках сверхзвуковой турбулентность®.

Известия АН СССР сер. физ. т.45, с. 474 - 485, 1981.

7.Быков A.M., ТОПТЫГИН И.Н. The theorу of particle acceleration n astrophysical objects containing shock waves and turbulent .lasma motions. J. of Geophys. SO, p. 221 -226, 1982.

8.БЫКОВ A.M., Топтыгин И.Н. Cosmic ray acceleration by large scale compressible and incompressible motions of plasma. Froc. XVIII Internat. Cosmic Ray Conf. Bangalore, v9, p. 313 —316, 1983.

Э.Быков A.M., Топтыгин И.Н. Генерация турбулентности ударными волнами и диффузия космических лучей в межзвездной среде. Письма в Астрономический Журнал t II, с.184 - 139, 1985. Ю.Быков A.M., Ушаков A.D. Статистические свойства турбулентности, формируемой ансамблем ударных волн. Препринт ФТИ им. А.Ф.Иоффе № 1059, 1986, 28 стр.

11.Быков A.M., Топтыгин И.Н. Роль космических лучей в эволюции диффузных облаков межзвездной среды. Известия АН СССР сер. физ. Т.51, C-. 1796 - 1798, 1987.

12.Быков A.M., ТОПТЫГИН И.Н. On theory of cosmic ray

acceleration by strong shock turbulence. Froc. XX Internat. Cosmic Ray Conf. Moscov, xi2, p. 203 - 206, 1987.

13.Быков A.M., ТОПТЫГИН И.Н. Shock wave turlrulence in the interstellar medium, and observed parameters of cosmic rays. Prac. XX Internat. Cosmic Ray Conf. Moscow, x>2, p. 107 - 110, 1987.

14.Быков A.M., ТОПТЫГИН И.Н. Effect of shocks on interstellar turbulence and cosmic ray dynamics. Astrophys. Space Sci. v.138, p. 341 - 364, 1987.

T5.Быков A.M. Распространение ударных волн в случайно -неоднородной среде. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, т.62, с.123 - 127, 1988.

16.Быков A.M., Топтыгин И.Н. Генерация кослических лучей свергворьто! звездами в неоднородной межзвездной среде. Известил LI СССР сер. физ. т.52, с. 2290 2292, 1988.

-зг —

17.Быков A.M. К теории формирования турбулентности в межзвездной среде. Письма в Астрономический Журнал т 14, с.145 - 150, 1988.

18.Вайнштейн С.И., Быков A.M., Топтыгин И.Н. Турбулентность, токовые слои и ударные волны в космической плазме. М., Наука, 1989, 311 стр.

19.Быков A.M., Топтыгиа И.Н. Теория ускорения заряженных частиц ансамблем ударных волн в турбулентной среде. ЖЭТФ т. 98, с.1255

- 1268, 1990.

20.Быков A.M.. Топтыгин И.Н. Кинетика заряженных частиц в стохастической среде с длинноволновыми флуктуоцияма . ЖЭТФ т. 97, с.194 - 204, 1990.

21.Божокин С.В., Быков A.M. О процессах переноса в случайно -неоднородной плазме в магнитном поле. Физика плазмы т.16, с.717-722, 1990.

22.БЫКОВ A.M., ТОПТЫГИН И.Н. On the theory of cosmic raj/ transport and acceleration Ъу strong turbulence. Proc. XXI Internat. Cosmic Ran Con/. Adelaide, Australia^, p. 307-310, 1990.

23.Быков A.M. Особенности спектров частиц, взаимодействующих с сильной длинноволновой турбулентностью. Письма в ЖЭТФ т. 54, с.623 - 625, 1991. .

24.Быков A.M., Топтыгин И.Н. Диффузия заряженных частиц в крупномасштабном стохастическом магнитном поле. ЖЭТФ т. 101, с.866 -877, 1992.

25.Быков A.M., Фиейшман Г.Д. Ускорение частиц и нетешювоо. электромагнитное излучение в 0В-ассоциацаях. Письма в Астрономический Журнал т. 18, с.234 - 244, 1992.

26.БЫКОВ A.M., Флейшман Г.Д. On nonthermal particle generation in super bubbles. • Monthly Not, Ron. As t ran. Soc. y. S55, p. 269-275, 1992.

27.Быков A.M., Топтыгин И.Н. Перенос и ускорение космических лучей в диске и гало галактики сильной турбулентностью. Известия АН СССР сер. физ. Т.55, C.205S - 2058, 1991.

28.Быков A.M., Топтыгин И.Н. . Intermittent structure of particle

distribution in the presence of shock waves ensemble. In: Nonlinear dynamizes of structures, ed. R.Z. Sagdeev, U.Frish, F. Hossaine et.al., p. 1STT -138, World Scientific, 1991.