Иркутск, Россия
В работе обсуждается возможность ускорения частиц до сверхвысоких энергий в релятивистских волнах, возбуждаемых взрывами в межзвездной среде. В качестве генератора высокоэнергичных космических лучей (КЛ) предлагается использовать серфотронный механизм ускорения заряженных частиц (серфинг), захваченных во фронте релятивистских волн. Обсуждаются условия, при которых возможно серфотронное ускорение. Показано, что в плоских и сферических релятивистских волнах за счет серфинга возможно ускорение КЛ до сверхвысоких энергий. Обсуждается серфинг в нелинейных ленгмюровских волнах, возбуждаемых сильным электромагнитным излучением или мощными релятивистскими пучками, а также в сильных ударных волнах, генерируемых релятивистскими джетами или быстро расширяющимися сферическими образованиями (огненными шарами — fireballs).
космические лучи, космическая плазма, релятивистские волны
ВВЕДЕНИЕ
Взрывные процессы - достаточно частые явления в космической среде. Примером могут служить взрывы сверхновых, вспыхивающие рентгеновские звезды - барстеры, активные процессы в ядрах галактик, квазаров и т. п. Типичные взрывные процессы - солнечные вспышки постоянно наблюдаются на Солнце - ближайшей к Земле звезде. Многие взрывные явления характеризуются огромным выделением энергии, часть которой переходит в кинетическую энергию движущегося вещества, разогнанного до больших скоростей. Так, процессы, происходящие, например, в окрестности черных дыр, приводят к образованию релятивистских джетов - струй, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. С релятивистскими скоростями происходит сферическое расширение так называемых огненных шаров. После взрыва сверхновых остатки звезды расширяются с большими скоростями. Из-за уникальности явлений, сопровождающих взрывы в космосе, они в последнее время привлекают пристальное внимание исследователей.
Как правило, рассматриваемые взрывы происходят в среде, которая в типичных ситуациях является слабозамагниченной плазмой. Электромагнитные волны и пучки быстрых частиц, генерируемые при взрывах и затем распространяющиеся в межзвездной среде, могут возбуждать в плазме ленгмюровские волны большой амплитуды. Плазменные (ленгмюровские) волны большой амплитуды могут зарождаться в различных нелинейных процессах в плазме, но в основном их образование происходит либо за счет трансформации сильных электромагнитных волн в плазменные, либо в процессе развития неустойчивостей в плазме при движении в ней быстрых пучков заряженных частиц. В космосе мощное электромагнитное излучение наблюдается от пульсаров (магнитодипольное излучение), а также из областей, где происходят взрывные процеccы. Плазменные волны могут возникать в результате конверсии электромагнитных волн в гибридных резонансных слоях [Ерохин и др., 1989] или при распространении в плазме мощных пучков (кильватерные волны). Необходимо отметить, что в работе [Ерохин и др., 1989] впервые была высказана идея серфотроного ускорения до сверхвысоких энергий заряженных частиц в плазменных волнах и было показано, что в космической плазме за счет серфинга можно ускорить КЛ до энергий порядка 1020 эВ.
Очевидно, что при распространении быстродвижущихся возмущений вещества, выброшенного в среду в результате взрыва, образуются также ударные волны. Так, мощные релятивистские ударные волны образуются при быстром движении масс в окрестности черных дыр, в частности при выбросе релятивистских джетов; при столкновении нейтронных звезд в коллапсирующем звездном скоплении; при сферическом расширении в межзвездную среду огненных шаров и во многих других случаях. Например, вспышки на Солнце сопровождаются выбросами вещества, движение которого в гелиосфере приводит к образованию межпланетных ударных волн.
Мы полагаем, что ленгмюровские волны большой амплитуды и ударные волны, зарождающиеся в космической среде, - это наиболее вероятные источники частиц высоких энергий, ускоряющихся в окрестности фронтов нелинейных и ударных волн. При выяснении возможности использования релятивистских волн как генераторов космических лучей (КЛ) сверхвысоких энергий в первую очередь возникнет вопрос: а каков механизм ускорения частиц? Широко используемый в настоящее время механизм ускорения Крымского [Крымский, 1977] в ударных волнах, возбуждаемых взрывами сверхновых, не позволяет частицам набрать энергию более 1015 эВ [Бережко и др., 1988]. Более того, оценки, полученные в самом общем виде, показывают, что в принципе в остатках сверхновых невозможно ускорить частицы до энергий больше 1017 эВ [Кичигин, 2008]. Это связано с относительно невысокой скоростью расширения оболочки сверхновой. Для того чтобы получить энергии КЛ порядка 1020 эВ, т. е. предельные энергии КЛ, регистрируемые на Земле, необходимо рассматривать релятивистские ударные волны, скорость движения U которых близка к скорости света c, а соответствующий лоренц-фактор Г=(1-U2/c2)-1/2 много больше единицы.
К сожалению, применение механизма Крымского для ускорения частиц в релятивистских ударных волнах вызывает большое сомнение [Niemiec, Ostrowski, 2006; Деришев и др., 2007], следовательно, в этом случае необходимо привлекать другие способы ускорения частиц. Один из таких способов - конверсионный механизм ускорения частиц [Деришев и др., 2007]. Еще один возможный способ ускорения - серфотронное ускорение (серфинг) частиц, захваченных волнами большой амплитуды, распространяющимися в космической плазме [Сагдеев, 1964; Dawson, Katsouleas, 1983; Ерохин и др., 1989; Кичигин, 1995, 2001, 2003a, 2009; Кичигин, Строкин, 2007]. В настоящей работе мы рассмотрим принципиальную возможность получения сверхвысоких энергий КЛ (до 1020 эВ) за счет серфинга в релятивистских ударных волнах, образованных при движении в межзвездную среду вещества, разогнанного до релятивистских скоростей взрывными процессами. Мы не затрагиваем следующие вопросы: сколько частиц захватываются в волну и как это происходит, какие причины могут прервать ускорительный процесс, какие существуют каналы потерь энергии и каково их влияние на конечную энергию и т. п. Эти и другие аспекты, связанные с процессом сер-фотронного ускорения частиц, захваченных волнами, подробно проанализированы в работах [Кичигин, 2001, 2003a; Кичигин, Строкин, 2007].
_________________________________________________________________________________________________
* Впервые статья опубликована на английском языке в журнале "Advances in Space Reserch". 2013. V. 51. P. 309-314. На русском языке публикуется впервые по лицензии издательства.
1. Ахиезер А.И., Половин Р.В. К теории волновых движений в электронной плазме // ДАН. 1955. Т. 102. С. 919–927.
2. Бережко Е.Г., Елшин В.К., Крымский Г.Ф., Петухов С.Н. Генерация космических лучей ударными волнами. Новосибирск: Наука, 1988. 179 с.
3. Деришев Е.В., Железняков В.В., Корягин С.А., Кочаровский Вл.В. Релятивистские джеты в астрофизике // Природа. 2007. № 3. С. 4.
4. Ерохин Н.С., Моисеев С.С., Сагдеев Р.З. Релятивистский серфинг в неоднородной плазме и генерация космических лучей // Письма в Астрон. журн. 1989. Т. 15. С. 3.
5. Кичигин Г.Н. Исследование процесса ускорения ионов во фронте магнитозвуковой ударной волны с изомагнитным скачком // ЖЭТФ. 1992. Т. 101. С. 1487.
6. Кичигин Г.Н. Особенности серфотронного ускорения электронов // ЖЭТФ. 1995. Т. 108. С. 1342.
7. Кичигин Г.Н. Серфотронный механизм ускорения космических лучей в галактической плазме // ЖЭТФ. 2001. Т. 119. С. 1038.
8. Кичигин Г.Н. Модель происхождения космических лучей в Галактике // ДАН. 2003a. Т. 392. С. 470.
9. Кичигин Г.Н. Теория продольных плазменных волн с учетом движения ионов // Физика плазмы. 2003б. Т. 29, № 2. С. 172.
10. Кичигин Г.Н. О предельной энергии космических лучей, генерируемых в оболочках cверхновых // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 87. С. 403.
11. Кичигин Г.Н. Серфинг и генерация космических лучей в релятивистских ударных волнах // ЖЭТФ. 2009. Т. 136. С. 476.
12. Кичигин Г.Н. Взрывные процессы в космосе — источники космических лучей сверхвысоких энергий // ДАН. 2010. Т. 431, № 1. С. 42.
13. Кичигин Г.Н., Строкин Н.А. Процессы энерговыделения в космической плазме. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. 396 с.
14. Крымский Г.Ф. Регулярный механизм ускорения частиц во фронте ударной волны // ДАН. 1977. Т. 234. С. 1306.
15. Сагдеев Р.З. Коллективные процессы и ударные волны в разреженной плазме // Вопросы теории плазмы. М.: Атомиздат, 1964. Вып. 4. С. 20.
16. Dawson J.M., Katsouleas T. Unlimited electron acceleration in lazer-driven plasma waves // Phys. Rev. Lett. 1983. V. 51. P. 392–396.
17. Gehrels N., Ramirez-Ruiz E., Fox D.B. Gamma-ray bursts in the swift era // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 2009. V. 47, N 1. P. 567–617.
18. Niemiec J., Ostrowski M. Cosmic ray acceleration at ultrarelativistic shock waves effects of a “realistic” magnetic field structure // Astrophys. J. 2006. V. 641. P. 984.
