Центробежное ускорение (астрофизика)

Центробежное ускорение астрочастиц ускорение до релятивистских энергий может происходить во вращающихся астрофизических объектах (см. также Ферми ). Устоялось мнение, что активные ядра галактик и пульсары имеют вращающиеся магнитосферы , поэтому потенциально могут разгонять заряженные частицы до высоких и сверхвысоких энергий. Это предлагаемое объяснение космических лучей сверхвысоких энергий (UHECR) и космических лучей крайних энергий (EECR), превышающих предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина .

Ускорение до высоких энергий

Хорошо известно, что магнитосферы АЯГ и пульсаров характеризуются сильными магнитными полями, которые заставляют заряженные частицы следовать силовым линиям. Если магнитное поле вращается (что имеет место для таких астрофизических объектов), частицы неизбежно будут испытывать центробежное ускорение. Новаторская работа Мачабели и Рогавы представлял собой мысленный эксперимент , в котором шарик движется внутри прямой вращающейся трубы. Динамика частицы была проанализирована как аналитически, так и численно, и было показано, что если жесткое вращение сохраняется в течение достаточно длительного времени, энергия шарика будет асимптотически возрастать. В частности, Rieger & Mannheim, основываясь на теории Мачабели и Рогавы, показал, что фактор Лоренца бусины ведет себя как

$\gamma ={\frac {\gamma _{0}}{1-\Omega ^{2}r^{2}/c^{2}}}$ ( 1 )

где $\gamma _{0}$ – начальный фактор Лоренца, Ω – угловая скорость вращения, $r$ – радиальная координата частицы, а $c$ это скорость света. Из такого поведения видно, что радиальное движение будет иметь нетривиальный характер. В ходе движения частица достигнет поверхности светового цилиндра (гипотетической области, где линейная скорость вращения в точности равна скорости света), что приведет к увеличению полоидальной составляющей скорости. С другой стороны, полная скорость не может превышать скорость света, поэтому радиальная составляющая должна уменьшаться. Это означает, что центробежная сила меняет свой знак.

Как видно из ( 1 ), лоренц-фактор частицы стремится к бесконечности, если сохраняется жесткое вращение. Это означает, что в действительности энергия должна быть ограничена определенными процессами. Вообще говоря, существует два основных механизма: обратное комптоновское рассеяние (ОКР) и так называемый механизм пробоя бусинки на проволоке (BBW). Для струйных структур в АЯГ показано, что в широком диапазоне углов наклона силовых линий относительно оси вращения ICS является доминирующим механизмом, эффективно ограничивающим максимально достижимые факторы Лоренца электронов. $\gamma _{ICS}^{max}\sim 10^{8}$. С другой стороны, было показано, что BBW становится доминирующей при относительно малой светимости AGN. $L<8\times 10^{40}\mathrm {erg} /\mathrm {s}$, что приводит к $\gamma _{BBW}^{max}\sim 10^{7}$.

Центробежные эффекты более эффективны в миллисекундных пульсарах, поскольку скорость вращения довольно высока. Османов и Ригер рассмотрел центробежное ускорение заряженных частиц в области светового цилиндра Крабоподобных пульсаров. Было показано, что электроны могут достигать факторов Лоренца. $\gamma _{KN}^{max}\sim 10^{7}$ посредством Комптона -Клейна-Нишины обратного рассеяния .

Ускорение до очень высоких и сверхвысоких энергий

Хотя прямое центробежное ускорение имеет ограничения, как показывает анализ, эффекты вращения все же могут играть важную роль в процессах ускорения заряженных частиц. Вообще говоря, считается, что центробежные релятивистские эффекты могут вызывать плазменные волны, которые при определенных условиях могут быть неустойчивыми и эффективно откачивать энергию из фонового потока. На втором этапе энергия волновых мод может быть преобразована в энергию частиц плазмы, что приводит к последующему ускорению.

Во вращающихся магнитосферах центробежная сила действует по-разному в разных местах, что приводит к генерации ленгмюровских волн или плазменных колебаний из-за параметрической неустойчивости. Можно показать, что этот механизм эффективно работает в магнитосферах АЯГ. и пульсары.

На примере крабоподобных пульсаров показано, что за счет затухания Ландау центробежно-индуцированные электростатические волны эффективно теряют энергию, передавая ее электронам. Установлено, что выигрыш энергии электронами определяется выражением

$\epsilon \approx {\frac {n_{p}F_{reac}\delta r}{n_{_{GJ}}}}$, ( 2 )

где $\delta r\sim c/\Gamma$, $\Gamma$ – приращение неустойчивости (подробнее см. цитируемую статью), $F_{reac}\approx 2mc\Omega \xi (r)^{-3}$, $\xi (r)=\left(1-\Omega ^{2}r^{2}/c^{2}\right)^{1/2}$, $n_{p}$ – плотность плазмы, $m$ это масса электрона и $n_{_{GJ}}$ – плотность Гольдрейха-Джулиана. Можно показать, что при типичных параметрах Крабоподобных пульсаров частицы могут приобретать энергии порядка $100s$ из $TeVs$ или даже $PeVs$. В случае миллисекундных новорожденных пульсаров электроны могут быть ускорены до еще более высоких энергий. $10^{18}eV$ или $EeVs$

При исследовании магнитосферы АЯГ ускорение протонов происходит за счет ленгмюровского коллапса . Как показано, этот механизм достаточно силен, чтобы гарантировать эффективное ускорение частиц до сверхвысоких энергий за счет ленгмюровского затухания.

$\epsilon _{p}\left(eV\right)\approx 6.4\times 10^{17}\times M_{8}^{-5/2}\times L_{42}^{5/2}$,

где $L_{42}\equiv L/10^{42}\mathrm {erg} /\mathrm {s}$ – нормированная светимость АЯГ, $M_{8}\equiv M/(10^{8}M_{\odot })$ - его нормированная масса и $M_{\odot }$ это масса Солнца. Как видно, при удобном наборе параметров можно достичь огромных энергий порядка $10^{21}eV$ или $ZeVs$, поэтому АЯГ становятся космическими Зеватронами.

Дальнейшие ссылки

• Гудавадзе Ираклий; Османов, Заза; Рогава, Андрия (2015). «О роли вращения в истечениях Крабовидного пульсара». Международный журнал современной физики Д. 24 (6): 1550042. arXiv : 1411.7241 . Бибкод : 2015IJMPD..2450042G . дои : 10.1142/S021827181550042X . S2CID   118584645 .
• Османов, Заза (2013). «О роли нестабильности дрейфа кривизны в динамике электронов в активных ядрах галактик». Международный журнал современной физики Д. 22 (13): 1350081. arXiv : 0907.4268 . Бибкод : 2013IJMPD..2250081O . дои : 10.1142/S0218271813500818 . S2CID   119158003 .
• Османов, З. (2010). «Имеет ли BL Lac 1ES 0806+524 очень высокий уровень энерговыделения с центробежным приводом?». Новая астрономия . 15 (4): 351–355. arXiv : 0901.1235 . Бибкод : 2010NewA...15..351O . дои : 10.1016/j.newast.2009.10.001 . S2CID   119192197 .
• Османов З.; Шапакидзе Д.; Мачабели, Г. (2009). «Динамическая обратная связь неустойчивости дрейфа кривизны в процессе ее насыщения» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 503 (1): 19–24. arXiv : 0711.0295 . Бибкод : 2009A&A...503...19O . дои : 10.1051/0004-6361/200912113 . S2CID   15342835 .
• Османов, З. (2008). «Эффективность центробежно-индуцированной нестабильности дрейфа кривизны при АЯГ ветрах» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 490 (2): 487–492. arXiv : 0803.0395 . Бибкод : 2008A&A...490..487O . дои : 10.1051/0004-6361:200809710 . S2CID   17264617 .
• Османов З.; Далакишвили Г.; Мачабели, Г. (2008). «О реконструкции магнитосферы пульсаров вблизи поверхности светового цилиндра» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 383 (3): 1007–1014. Бибкод : 2008MNRAS.383.1007O . дои : 10.1111/j.1365-2966.2007.12543.x .
• Рогава, Андрия; Далакишвили, Георгий; Османов, Заза (2003). «Центробежная релятивистская динамика на изогнутых траекториях». Общая теория относительности и гравитация . 35 (7): 1133–1152. arXiv : astro-ph/0303602 . Бибкод : 2003GReGr..35.1133R . дои : 10.1023/A:1024450105374 . S2CID   119440652 .