Синхротронное радиоизлучение во вселенной

Синхротронное радиоизлучение Галактики.

Магнитные поля галактики

Магнитные поля Галактики

Доказательства наличия поля. Явление поляризации света звезд было открыто В. Хилтнером и Дж. Холлом в США и независимо В. А. Домбровским в СССР, в 1948 г. По этому поводу О. Струве сказал так: «Обнаружение межзвездной поляризации света на­всегда останется одним из самых ярких примеров чисто случай­ного открытия, подобно открытию Вильгельмом Рентгеном в 1895 г. рентгеновских лучей. От экспериментатора требовалось исключительное мастерство, но еще важнее было осознать, что этот эффект совершенно новый и не предсказанный прежними работами».

Сущность явления межзвездной поляризации света заклю­чается в том, что от звезды к наблюдателю приходят волны о преимущественно одинаково ориентированным электрическим вектором. Другими словами, в межзвездном пространстве имеет место селективное поглощение света: поглощаются волны с опре­деленной ориентацией электрического вектора. Мы уже отмети­ли, что это явление связано с присутствием в межзвездной среде пылинок. Однако эффект поляризации света будет заметным, только если эти пылинки ориентированы одинаковым образом. Что же выполняет роль «дирижера»?

Почти сразу же после открытия межзвездной поляризации света, астрономы в 1949 г. пришли к выводу, что в межзвездном пространстве существуют магнитные поля напряженностью око­ло 10 -5 эрстед. Именно они и ориентируют пылинки одинаковым образом. Из теории следует, что каждая пылинка быстро вра­щается вокруг своей малой оси, оставаясь как бы нанизанной на магнитную силовую линию.

Изучение поляризации света звезд стало важным источником информации о геометрии межзвездных магнитных полей. Так, было установлено, что в Галактике имеется магнитное поле, па­раллельное плоскости Млечного Пути и направленное вдоль ее спиральных ветвей. Другой метод исследования магнитного поля Галактики заключается в изучении формы светлых туманностей. Идя таким путем, Г. А. Шайп пришел к выводу, что вытянутость этих туманностей является результатом их расширения в магнитном поле, причем движение вещества происходит вдоль магнитных силовых линий, тогда как поперечные движения тор­мозятся магнитным полем.

К 1949 г. уже был установлен состав космического излучения за пределами земной атмосферы и оценена плотность энергии космических лучей в расчете на единицу объема. Оказалось, что последняя примерно равна плотности энергии излучения звезд. Но как объяснить высокую степень изотропии космических лу­чей? Здесь следовало сделать выбор между двумя предположе­ниями: 1) космическое излучение изотропно во всей Вселенной и 2) космические лучи «замкнуты» внутри нашей Галактики. Но если осуществляется первый случай, то в межгалактическом про­странстве полная энергия космических лучей будет уже в тысячи раз больше энергии излучения. Таким образом, необходимо было предположить, что во Вселенной существуют мощные источники, обеспечивающие плотность энергии в форме космических лучей, примерно в 10 4 раз большую, чем в форме излучения. Более приемлемой поэтому представлялась вторая возможность.

Но ведь Солнце не находится в центре Галактики. Поэтому, чтобы объяснить изотропию космического излучения, необходимо было предположить, что траектории космических лучей в Галак­тике сложны и запутаны. Искривить же траекторию быстрой за­ряженной частицы может только магнитное поле. Мы уже виде­ли (см. гл. 5), что в магнитном поле частица движется по спира­ли, радиус которой прямо пропорционален ее энергии и обратно пропорционален напряженности поля. Несложный расчет показывает, что траектория частицы с энергией Е = 10 18 эВ имеет радиус кривизны порядка 1000 пс при напряженности поля »10 -6 эрстед. Этого достаточно, чтобы удержать частицу в Галактике.

Здесь напрашивался вывод, что магнитное поле спиралей не может удержать релятивистскую частицу, которая все же может ускользнуть в межгалактическое пространство. Магнитное поле должно заполнять всю Галактику, он должно быть и в спиралях и вне их, в газовых облаках и между ними, иначе сквозь эти про­межутки происходила бы утечка космических лучей.

В присутствии магнитного поля устанавливается своеобразное динамическое равновесие между полем и движением вещества, происходит равномерное распределение энергий. Это значит, что плотность кинетической энергии газа rn 2 /2 в стационарном состоянии становится равной плотности энергии поля Н 2 /(8* p ). Вне спи­ральных ветвей и облаков плотность вещества невелика, поэтому частицы разреженного газа обладают большими скоростями, поз­воляющими им подниматься высоко над плоскостью Галактики. На этом основании С. Б. Пикельнер (СССР) пришел к выводу, что разреженный газ должен образовывать гало Галактики или галактическую корону — сферическую подсистему толщиной в несколько тысяч парсек.

Синхротронное радиоизлучение Галактики.

В 1952 г. И. С. Шкловский установил, что наблюдаемое радиоизлучение Галактики подразделяется на две составляющие, сильно отли­чающиеся по спектру. Первая из них, плоская составляющая — это тепловое излучение ионизованных облаков межзвездной га­зовой среды, обусловленное движениями электронов вблизи ионов. Оно характеризуется яркостной температурой порядка 10000 К. При этом, в полном соответствии с теорией, если излу­чающий газ является оптически тонким, то интенсивность его излучения не зависит от частоты. Если же слой становится опти­чески толстым, эта интенсивность, как и в случае абсолютно черного тела, зависит от частоты.

Интенсивность сферической составляющей радиоизлучения Галактики растет с длиной волны. В частности, при l = 10 м она соответствует температуре 100000 К. Очевидно, что такое излучение не может быть связано с тепловыми движениями электронов в поле атомных ядер. Но какова же природа этого нетеплового радиоизлучения?

В 1950 г. X. Альвеп и Н. Герлофсон (Швеция) и независимо от них К. Киппенхойер (ФРГ) пришли к выводу, что источником этого космического радиоизлучения могут быть релятивистские электроны, движущиеся в межзвездных магнитных полях. Таким образом, нетепловое радиоизлучение Галактики явилось доказа­тельством того, что в межзвездном пространстве существуют маг­нитные поля напряженностью порядка 10 -5 эрстед и реляти­вистские электроны с энергиями, достигающими 10 8 эВ.

Благодаря работам В. Л. Гинзбурга, Г. Г. Гетманцева и М. И. Фрадкина (СССР), гипотеза о синхротронном излучении релятивистских электронов превратилась в стройную теорию, объясняющую интенсивность, спектр и другие основные харак­теристики космического радиоизлучения. Отметим лишь, что наблюдаемый спектральный индекс синхротронного радиоизлучения Галактики несколько различен для разных интервалов частот.

В среднем для частот 30 -8 эрстед. Предполагалось, что в дальнейшем в результате вра­щения Галактики конденсации межзвездного газа, пронизанные магнитными полями, вытягиваются, образуя спиральные ветви. Оостановимся на современных взглядах на об­разование спиральных ветвей галактик как волн плотности. Это вынуждает по-иному рассматривать и проблему происхождения магнитного поля Галактики. Недавно Н. С. Кардашев высказал предположение, что магнитное поле Галактики имеет внегалак­тическое происхождение. Другими словами, слабое поле могло существовать уже в самом веществе, из которого сформировалась Галактика. В процессе эволюции нашей звездной системы оно усиливалось и закручивалось ее вращение.

Источник

Синхротронное излучение: понятие, основы, принцип и устройства для изучения, применение

Спектр синхротронного излучения не так уж велик. То есть оно может быть разделено лишь на несколько видов. Если частица нерелятивистская, то такое излучение называется циклотронной эмиссией. Если, с другой стороны, частицы являются релятивистскими по своей сути, то излучения, получаемые в результате их взаимодействия, иногда называются ультрарелятивистскими. Синхронное излучение может быть достигнуто либо искусственно (в синхротронах или накопительных кольцах), либо естественно благодаря быстрым электронам, движущимся через магнитные поля. Полученное таким образом излучение имеет характерную поляризацию, и генерируемые частоты могут варьироваться по всему электромагнитному спектру, который также называется континуумным излучением.

Открытие

Этот феномен был назван в честь синхротронного генератора General Electric, построенного в 1946 году. О его существовании заявили в мае 1947 года ученые Фрэнк Элдер, Анатолий Гуревич, Роберт Лэнгмюр и Герб Поллок в письме «Радиация от электронов в синхротроне». Но это было только теоретическое открытие, о первом реальном наблюдении этого феномена вы прочтете ниже.

Источники

Когда частицы с высокой энергией находятся в ускорении, в том числе электроны, вынуждаемые двигаться по кривой траектории магнитным полем, получается синхротронное излучение. Это похоже на радиоантенну, но с той разницей, что теоретически релятивистская скорость изменит наблюдаемую частоту из-за эффекта Допплера на коэффициент Лоренца γ. Сокращение релятивистской длины затем ударяет по частоте, наблюдаемой другим фактором γ, тем самым увеличивая частоту ГГц резонансной полости, которая ускоряет электроны в рентгеновском диапазоне. Излучаемая мощность определяется релятивистской ларморовской формулой, а сила на излучаемом электроне — силой Абрахама-Лоренца-Дирака.

Другие характеристики

Радиационная картина может быть искажена из изотропного дипольного рисунка в чрезвычайно направленный конус излучения. Синхротронное излучение электронов является самым ярким искусственным источником рентгеновских лучей.

Геометрия планарного ускорения, по-видимому, делает излучение линейно поляризованным при наблюдении в плоскости орбиты и циркулярно поляризованным при наблюдении под небольшим углом к ​​этой плоскости. Амплитуда и частота, однако, сосредоточены на полярной эклиптике.

Источником синхротронного излучения является также и источник электромагнитного излучения (ЭМ), представляющий собой накопительное кольцо, созданное для научно-технических целей. Это излучение производится не только накопительными кольцами, но и другими специализированными ускорителями частиц, обычно ускоряющими электроны. Как только генерируется высокоэнергетический электронный пучок, он направлен на вспомогательные компоненты, такие как изгибающие магниты и устройства для вставки (ондуляторы или вигглеры). Они обеспечивают сильные магнитные поля, перпендикулярные лучи, которые необходимы для преобразования электронов высокой энергии в фотоны.

Применение синхротронного излучения

Основные области применения синхротронного света — физика конденсированных сред, материаловедение, биология и медицина. Большая часть экспериментов с использованием синхротронного света связана с изучением структуры вещества с суб-нанометрового уровня электронной структуры до уровня микрометра и миллиметра, важного для медицинской визуализации. Примером практического промышленного применения является производство микроструктур по процессу ЛИГА.

Синхротронное излучение также генерируется астрономическими объектами, обычно там, где релятивистские электроны спирально перемещаются (и, следовательно, изменяют скорость) через магнитные поля.

История

Это излучение было впервые обнаружено в реактивном снаряде, выпущенном Мессье 87 в 1956 году, Джеффри Р. Бурбиджем, который видел его в качестве подтверждения предсказания Иосифа Шкловского в 1953 году, но он был предсказан ранее Ханнесом Альфвеном и Николаем Херлофсоном в 1950 году. Солнечные вспышки ускоряют частицы, которые испускают таким образом, как это было предложено Р. Джованолли в 1948 году и критически описано Пиддингтон в 1952 году.

Космос

Предложены сверхмассивные черные дыры для создания синхротронного излучения путем выталкивания струй, создаваемых гравитационно ускоряющимися ионами через сверхкортированные «трубчатые» полярные области магнитных полей. Такие струи, ближайшие из них в Мессье 87, были определены телескопом Хаббла как сверхсветовые сигналы, движущиеся с частотой 6 × с (в шесть раз больше скорости света) от нашей планетарной рамки. Это явление вызвано тем, что струи движутся очень близко к скорости света и под очень небольшим углом к ​​наблюдателю. Поскольку в каждой точке их пути высокоскоростные струи испускают свет, свет, который они излучают, не приближается к наблюдателю гораздо быстрее, чем сама струя. Свет, излучаемый в течение сотен лет путешествий, таким образом, приходит к наблюдателю в течение гораздо меньшего периода времени (десять или двадцать лет). Нарушения специальной теории относительности в этом явлении нет.

Недавно было обнаружено импульсное выделение гамма-излучения от туманности яркостью до ≥25 ГэВ, возникшее, вероятно, из-за синхротронного излучения электронами, захваченными сильным магнитным полем вокруг пульсара. Класс астрономических источников, где важна синхротронная эмиссия, — пульсарные ветровые туманности, или плерионы, из которых Крабовидная туманность и связанный с ней пульсар являются архетипическими. Поляризация в Крабовидной туманности при энергиях от 0,1 до 1,0 МэВ представляет собой типичное синхротронное излучение.

Кратко о вычислении и коллайдерах

В уравнениях на эту тему часто пишутся специальные члены или значения, символизирующие частицы, составляющие так называемое поле скоростей. Эти члены представляют собой эффект статического поля частицы, который является функцией компонента его движения, имеющего нулевую или постоянную скорость. Напротив, второе слагаемое падает как обратная первая степень расстояния от источника, а некоторые члены называются полем ускорения или полем излучения, потому что они представляют собой компоненты поля, возникшего из-за ускорения заряда (изменение скорости).

Таким образом, излучаемая мощность масштабируется как энергия четвертой степени. Это излучение ограничивает энергию электрон-позитронного кругового коллайдера. Как правило, протонные коллайдеры вместо этого ограничены максимальным магнитным полем. Поэтому, например, Большой адронный коллайдер имеет энергию центра масс в 70 раз выше, чем любой другой ускоритель частиц, даже если масса протона в 2000 раз больше массы электрона.

Терминология

Различные области науки часто имеют разные способы определения терминов. К сожалению, в области рентгеновских лучей несколько терминов означают то же самое, что и «излучение». Некоторые авторы используют термин «яркость», который когда-то использовался для обозначения фотометрической яркости или использовался неправильно для обозначения радиометрического излучения. Интенсивность означает плотность мощности на единицу площади, но для источников рентгеновских лучей обычно означает блеск.

Механизм возникновения

Синхротронное излучение может происходить в ускорителях либо в качестве непредвиденной ошибки, вызывая нежелательные потери энергии в контексте физики частиц, либо как сознательно созданный источник излучения для многочисленных лабораторных применений. Электроны ускоряются до высоких скоростей в несколько этапов для достижения конечной энергии, которая обычно находится в диапазоне гигаэлектронвольт. Электроны вынуждены двигаться по замкнутому пути сильными магнитными полями. Это похоже на радиоантенну, но с той разницей, что релятивистская скорость изменяет наблюдаемую частоту из-за эффекта Допплера. Релятивистское сжатие Лоренца влияет на гигагерцовую частоту, тем самым умножая ее в резонансной полости, которая ускоряет электроны в рентгеновский диапазон. Другим драматическим эффектом относительности является то, что картина излучения искажается от изотропной дипольной картины, ожидаемой от нерелятивистской теории, до чрезвычайно направленного конуса излучения. Это делает дифракцию синхротронного излучения лучшим способом создания рентгеновских лучей. Плоская геометрия ускорения делает излучение линейно поляризованным при наблюдении в плоскости орбиты и создает круговую поляризацию при наблюдении под небольшим углом к ​​этой плоскости.

Использование в различных сферах

Преимущества использования синхротронного излучения для спектроскопии и дифракции были реализованы постоянно растущим научным сообществом начиная с 1960-х и 1970-х годов. Вначале для физики частиц были созданы ускорители. В «паразитарном режиме» использовалось синхротронное излучение, когда изгибное магнитное излучение должно было быть извлечено путем сверления дополнительных отверстий в балочных трубках. Первым накопительным кольцом, введенным в качестве синхротронного источника света, был Tantalus, который впервые был запущен в 1968 году. Поскольку ускорительное излучение стало более интенсивным и его приложения стали более перспективными, устройства, которые усиливали его интенсивность, были встроены в существующие кольца. Метод дифракции синхротронного излучения был разработан и оптимизирован с самого начала для получения качественных рентгеновских лучей. Рассматриваются источники четвертого поколения, которые будут включать в себя различные концепции для создания ультрабриллических, импульсных временных структурных рентгеновских лучей для чрезвычайно требовательных и, возможно, еще не созданных экспериментов.

Первые аппараты

Сначала использовались изгибные электромагниты в ускорителях для генерации этого излучения, но для создания более сильного светового эффекта иногда применялись другие специализированные устройства — устройства для вставки. Методы дифракции синхротронного излучения (третьего поколения) обычно зависят от устройств-источников, где прямые участки накопительного кольца содержат периодические магнитные структуры (содержащие множество магнитов в виде чередующихся полюсов N и S), которые заставляют электроны двигаться синусоидальным или спиральным путем. Таким образом, вместо одного изгиба многие десятки или сотни «завихрений» в точно рассчитанных позициях складывают или умножают общую интенсивность пучка. Эти устройства называются вигглерами или ондуляторами. Основное различие между ондулятором и вигглером — интенсивность их магнитного поля и амплитуда отклонения от прямого пути электронов. Все эти аппараты и механизмы сейчас хранятся в Центре синхротронного излучения (США).

Извлечение

В накопителе есть отверстия, позволяющие частицам выйти из радиационного фона и следовать по линии луча в вакуумную камеру экспериментатора. Большое количество таких лучей может появиться из современных устройств синхротронного излучения третьего поколения.

Электроны могут быть извлечены из собственно акселератора и сохранены во вспомогательном магнитном накопителе сверхвысокого вакуума, откуда они могут извлекаться (и где они могут воспроизводиться) большое количество раз. Магниты в кольце также должны многократно повторно сжимать луч против «кулоновских сил» (или, проще говоря, объемных зарядов), стремящихся разрушить электронные сгустки. Изменение направления является формой ускорения, потому электроны производят излучение при высоких энергиях и большой скорости разгона в ускорителе частиц. От этой же скорости, как правило, зависит и яркость синхротронного излучения.

Источник