Центробежный механизм ускорения; Centrifugal mechanism of acceleration

Центробежное ускорение от astroparticles до релятивистских энергий может иметь место во вращающихся астрофизических объектов (смотри также ускорение Ферми ). Считается, что активные ядра галактик и пульсары имеют вращающиеся магнитосферы , поэтому они потенциально могут разгонять заряженные частицы до высоких и сверхвысоких энергий. Это предлагаемое объяснение космических лучей сверхвысоких энергий (КЛУВЭ) и космических лучей сверхвысоких энергий (КЛЭ), превышающих предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина .

Ускорение до высоких энергий

Хорошо известно, что магнитосферы AGN и пульсаров характеризуются сильными магнитными полями, которые заставляют заряженные частицы следовать за силовыми линиями. Если магнитное поле вращается (что имеет место для таких астрофизических объектов), частицы неизбежно будут испытывать центробежное ускорение. Новаторская работа Machabeli & Rogava была мысленным экспериментом, 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 увеличиваться. В частности, Ригер и Мангейм, опираясь на теорию Мачабели и Рогава, показали, что фактор Лоренца бусины ведет себя как

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

( 1 )

где - начальный фактор Лоренца, Ω - угловая скорость вращения, - радиальная координата частицы, - скорость света. Из этого поведения видно, что радиальное движение будет иметь нетривиальный характер. В процессе движения частица достигнет поверхности светового цилиндра (гипотетическая область, 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 знак. ${\ displaystyle \ gamma _ {0}}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle c}$

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

Центробежные эффекты более эффективны в миллисекундных пульсарах, поскольку скорость вращения довольно высока. Османов и Ригер рассмотрели центробежное ускорение заряженных частиц в области светового цилиндра крабоподобных пульсаров . Было показано, что электроны могут достигать лоренцевых факторов за счет обратного комптоновского рассеяния Клейна – Нишины вверх. ${\ displaystyle \ gamma _ {KN} ^ {max} \ sim 10 ^ {7}}$

Разгон 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 нестабильными, эффективно накачивая энергию из фонового потока. На втором этапе энергия волновых мод может быть преобразована в энергию частиц плазмы, что приведет к последующему ускорению.

Во вращающихся магнитосферах центробежная сила действует по-разному в разных местах, приводя к генерации ленгмюровских волн или плазменных колебаний через параметрическую нестабильность. Можно показать, что этот механизм эффективно работает в магнитосферах АЯГ и пульсарах .

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

${\ displaystyle \ epsilon \ приблизительно {\ frac {n_ {p} F_ {reac} \ delta r} {n _ {_ {GJ}}}}}}$ ,

( 2 )

где , есть приращение неустойчивости (подробнее см приведено название статьи), , , является плотность плазмы, как масса электрона , и является Голдрейх-с.с. плотности. Можно показать , что для типичных параметров Крабовых -подобных пульсаров , частицы могут получить энергию порядка из или даже . В случае миллисекундных новорожденных пульсаров электроны могут быть ускорены до еще более высоких энергий ${\ displaystyle \ delta r \ sim c / \ Gamma}$${\ displaystyle \ Gamma}$${\ Displaystyle F_ {reac} \ приблизительно 2mc \ Omega \ xi (r) ^ {- 3}}$${\ displaystyle \ xi (r) = \ left (1- \ Omega ^ {2} r ^ {2} / c ^ {2} \ right) ^ {1/2}}$${\ displaystyle n_ {p}}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle n _ {_ {GJ}}}$${\ displaystyle 100s}$${\ displaystyle TeVs}$${\ displaystyle PeVs}$${\ displaystyle 10 ^ {18} эВ}$

Изучая магнитосферы АЯГ , мы видим , что 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.

${\ displaystyle \ epsilon _ {p} \ left (eV \ right) \ примерно 6,4 \ раз 10 ^ {17} \ раз M_ {8} ^ {- 5/2} \ раз L_ {42} ^ {5/2 }}$ ,

где - нормализованная светимость СЯГ , - его нормализованная масса и - масса Солнца. Как видно, при удобном наборе параметров можно достичь колоссальных энергий порядка , так что АЯГ становятся космическими зеватронами. ${\ Displaystyle L_ {42} \ Equiv L / 10 ^ {42} \ mathrm {эрг} / \ mathrm {s}}$${\ Displaystyle M_ {8} \ Equiv M / (10 ^ {8} M _ {\ odot})}$${\ displaystyle M _ {\ odot}}$${\ displaystyle 10 ^ {21} эВ}$

Рекомендации

Дальнейшие ссылки

• Гудавадзе Ираклий; Османов, Заза; Рогава, Андрия (2015). «О роли вращения в истечениях пульсара в Крабовике». Международный журнал современной физики D . 24 (6): 1550042. arXiv : 1411.7241 . Bibcode : 2015IJMPD..2450042G . DOI : 10.1142 / S021827181550042X . S2CID   118584645 .
• Османов, Заза (2013). "О роли кривизной дрейфовой неустойчивости в динамике электронов в активных ядрах галактик". Международный журнал современной физики D . 22 (13): 1350081. arXiv : 0907.4268 . Bibcode : 2013IJMPD..2250081O . DOI : 10.1142 / S0218271813500818 . S2CID   119158003 .
• Османов, З. (2010). «Является ли очень высокое излучение энергии от BL Lac 1ES 0806 + 524 центробежным приводом?». Новая астрономия . 15 (4): 351–355. arXiv : 0901.1235 . Bibcode : 2010NewA ... 15..351O . DOI : 10.1016 / j.newast.2009.10.001 . S2CID   119192197 .
• Османов, З .; Шапакидзе, Д .; Мачабели, Г. (2009). «Динамическая обратная связь неустойчивости дрейфа кривизны по процессу ее насыщения» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 503 (1): 19–24. arXiv : 0711.0295 . Бибкод : 2009A & A ... 503 ... 19O . DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 200912113 . S2CID   15342835 .
• Османов, З. (2008). «Эффективность центробежно-индуцированной неустойчивости дрейфа кривизны в ветрах АЯГ» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 490 (2): 487–492. arXiv : 0803.0395 . Бибкод : 2008A & A ... 490..487O . DOI : 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. Bibcode : 2008MNRAS.383.1007O . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2007.12543.x .
• Рогава, Андрия; Далакишвили, Георгий; Османов, Заза (2003). «Центробежно управляемая релятивистская динамика на криволинейных траекториях». Общая теория относительности и гравитации . 35 (7): 1133–1152. arXiv : astro-ph / 0303602 . Bibcode : 2003GReGr..35.1133R . DOI : 10,1023 / A: 1024450105374 . S2CID   119440652 .