www.wikidata.uk-ua.nina.az

Відцентровий механізм прискорення розгін астрочастинок до релятивістських енергій в астрофізичних об єктах що обертаютьс

Відцентровий механізм прискорення

Відцентровий механізм прискорення — розгін астрочастинок до релятивістських енергій в астрофізичних об'єктах, що обертаються. Оскільки активні ядра галактик і пульсари мають обертові магнітосфери, то їхні магнітні поля можуть прискорювати заряджені частинки до високих і надвисоких енергій.

Це один з можливих механізмів прискорення космічних променів (інший важливий механізм — прискорення Фермі). Він пропонується як пояснення космічних променів надвисоких енергіїй, зокрема, таких, що перевищують межу Грайзена–Зацепіна–Кузьміна.

Прискорення до високих енергій ред.

Добре відомо, що магнітосфери активних ядер галактик і пульсарів характеризуються сильними магнітними полями, які змушують заряджені частинки слідувати за силовими лініями. Якщо магнітне поле обертається (що характерно для таких астрофізичних об'єктів), частинки неминуче зазнають відцентрового прискорення. В піонерській роботі Мачабелі та Рогави був уявний експеримент, у якому намистина рухається всередині прямої труби, що обертається. Динаміка частинки була проаналізована як аналітично, так і чисельно, і було показано, що якщо жорстке обертання підтримується протягом досить тривалого часу, енергія намистини буде асимптотично зростати. Зокрема, Рігер і Мангайм, спираючись на теорію Мачабелі і Рогави, показали, що фактор Лоренца намистини поводиться як

де  — початковий фактор Лоренца, Ω — кутова швидкість обертання,  — радіальна координата частинки, а  — швидкість світла. З такої поведінки видно, що радіальний рух матиме нетривіальний характер. У процесі руху частинка досягне поверхні світлового циліндра (гіпотетичної області, де лінійна швидкість обертання точно дорівнює швидкості світла), що призведе до збільшення полоїдальної складової швидкості. З іншого боку, повна швидкість не може перевищувати швидкість світла, тому радіальна складова повинна зменшуватися. Це означає, що відцентрова сила змінює свій знак.

Як видно з (1), при збереженні жорсткого обертання фактор Лоренца частинки прагне до нескінченності. Це означає, що насправді енергія повинна бути обмежена певними процесами. Кажучи загально, існує два основні механізми: зворотне комптонівське розсіювання (inverse Compton scattering, ICS) і так званий механізм пробою кульки на дроті (breakdown of the bead on the wire, BBW). Для струменів в активних ядрах галактик було показано, що для широкого діапазону кутів нахилу силових ліній відносно осі обертання зворотне комптонівське розсіювання є домінуючим механізмом, який ефективно обмежує максимально досяжні фактори Лоренца електронів величиеою . З іншого боку, було показано, що пробій кульки на дроті стає домінуючим для відносно низької світності активних ядер галактик і призводить до .

Відцентрові ефекти ефективніші в мілісекундних пульсарах, оскільки їхня швидкість обертання досить висока. Було показано, що відцентрове прискорення заряджених частинок у зоні світлового циліндра пульсарів, схожих на пульсар Крабоподібної туманності, може надавати електронам факторів Лоренца через зворотне комптонівське розсіювання.

Прискорення до дуже високих і надвисоких енергій ред.

Хоча пряме відцентрове прискорення має свої обмеження, ефекти обертання все ж можуть відігравати важливу роль у процесах прискорення заряджених частинок. Вважається, що відцентрові релятивістські ефекти можуть викликати плазмові хвилі, які за певних умов можуть бути нестійкими, ефективно відкачуючи енергію з потоку речовини. На другому етапі енергія хвильових мод може трансформуватися в енергію частинок плазми, що призводить до подальшого прискорення.

У магнітосферах, що обертаються, відцентрова сила діє по-різному в різних місцях, що призводить до генерації хвиль Ленгмюра або плазмових коливань через параметричну нестійкість. Можна показати, що цей механізм ефективно працює в магнітосферах активних ядер галактик і пульсарів.

Розглядаючи пульсари, близька за параметрами до пульсара Крабоподібної туманності, було показано, що за допомогою затухання Ландау електростатичні хвилі, згенеровані відцентровим прискореням, ефективно втрачають енергію, передаючи її електронам. Встановлено, що приріст енергії електронів визначається як

де ,  — інкремент нестійкості, , ,  — концентрація частинок в плазмі,  — маса електрона,  — густина Гольдрейха-Юліана. Можна показати, що для типових параметрів крабоподібних пульсарів частинки можуть отримати енергію порядку сотень ТеВ або навіть кілька ПеВ. У випадку новонароджених мілісекундних пульсарів електрони можуть бути прискорені до ще вищих енергій порядку .

В магнітосферах активних ядер галактик, прискорення протонів відбувається через колапс Ленгмюра. Як показано, цей механізм достатньо потужний, щоб гарантувати ефективне прискорення частинок до надвисоких енергій за допомогою затухання Ленгмюра:

де  — нормована яскравість активного ядра галактики, його нормована маса,  — маса Сонця. Як видно, за зручного набору параметрів можна досягти величезних енергій порядку або , тому активні ядра галактик можуть слугувати дуже потужними космічними прискорювачами частинок.

Примітки ред.

  1. Machabeli, G. Z.; Rogava, A. D. (1994). Centrifugal force: A gedanken experiment. Physical Review A 50 (1): 98–103. Bibcode:1994PhRvA..50...98M. PMID 9910872. doi:10.1103/PhysRevA.50.98. 
  2. Rieger, F. M.; Mannheim, K. (2000). Particle acceleration by rotating magnetospheres in active galactic nuclei. Astronomy and Astrophysics 353: 473. Bibcode:2000A&A...353..473R. arXiv:astro-ph/9911082. 
  3. Osmanov, Z.; Rogava, A.; Bodo, G. (2007). On the efficiency of particle acceleration by rotating magnetospheres in AGN. Astronomy & Astrophysics 470 (2): 395–400. Bibcode:2007A&A...470..395O. arXiv:astro-ph/0609327. doi:10.1051/0004-6361:20065817. 
  4. Osmanov, Z.; Rieger, F. M. (2009). On particle acceleration and very high energy γ-ray emission in Crab-like pulsars. Astronomy & Astrophysics 502 (1): 15–20. Bibcode:2009A&A...502...15O. arXiv:0906.1691. doi:10.1051/0004-6361/200912101. 
  5. Osmanov, Z.; Mannheim, K. (2008). Centrifugally driven electrostatic instability in extragalactic jets. Physics of Plasmas 15 (3): 032901. Bibcode:2008PhPl...15c2901O. arXiv:0706.0392. doi:10.1063/1.2842365. 
  6. Mahajan, Swadesh; Machabeli, George; Osmanov, Zaza; Chkheidze, Nino (2013). Ultra High Energy Electrons Powered by Pulsar Rotation. Scientific Reports 3: 1262. Bibcode:2013NatSR...3E1262M. PMC 3569628. PMID 23405276. arXiv:1303.2093. doi:10.1038/srep01262. 
  7. Osmanov, Zaza; Mahajan, Swadesh; Machabeli, George; Chkheidze, Nino (2015). Millisecond newly born pulsars as efficient accelerators of electrons. Scientific Reports 5: 14443. Bibcode:2015NatSR...514443O. PMC 4585882. PMID 26403155. arXiv:1507.06415. doi:10.1038/srep14443. 
  8. Osmanov, Z.; Mahajan, S.; Machabeli, G.; Chkheidze, N. (2014). Extremely efficient Zevatron in rotating AGN magnetospheres. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 445 (4): 4155–4160. Bibcode:2014MNRAS.445.4155O. arXiv:1404.3176. doi:10.1093/mnras/stu2042. 

Література ред.

Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри
Дата публікації:
Vidcentrovij mehanizm priskorennya rozgin astrochastinok do relyativistskih energij v astrofizichnih ob yektah sho obertayutsya Oskilki aktivni yadra galaktik i pulsari mayut obertovi magnitosferi to yihni magnitni polya mozhut priskoryuvati zaryadzheni chastinki do visokih i nadvisokih energij Ce odin z mozhlivih mehanizmiv priskorennya kosmichnih promeniv inshij vazhlivij mehanizm priskorennya Fermi Vin proponuyetsya yak poyasnennya kosmichnih promeniv nadvisokih energiyij zokrema takih sho perevishuyut mezhu Grajzena Zacepina Kuzmina Zmist 1 Priskorennya do visokih energij 2 Priskorennya do duzhe visokih i nadvisokih energij 3 Primitki 4 LiteraturaPriskorennya do visokih energij red Dobre vidomo sho magnitosferi aktivnih yader galaktik i pulsariv harakterizuyutsya silnimi magnitnimi polyami yaki zmushuyut zaryadzheni chastinki sliduvati za silovimi liniyami Yaksho magnitne pole obertayetsya sho harakterno dlya takih astrofizichnih ob yektiv chastinki neminuche zaznayut vidcentrovogo priskorennya V pionerskij roboti Machabeli ta Rogavi 1 buv uyavnij eksperiment u yakomu namistina ruhayetsya vseredini pryamoyi trubi sho obertayetsya Dinamika chastinki bula proanalizovana yak analitichno tak i chiselno i bulo pokazano sho yaksho zhorstke obertannya pidtrimuyetsya protyagom dosit trivalogo chasu energiya namistini bude asimptotichno zrostati Zokrema Riger i Mangajm 2 spirayuchis na teoriyu Machabeli i Rogavi pokazali sho faktor Lorenca namistini povoditsya yakg g 0 1 W 2 r 2 c 2 displaystyle gamma frac gamma 0 1 Omega 2 r 2 c 2 nbsp 1 de g 0 displaystyle gamma 0 nbsp pochatkovij faktor Lorenca W kutova shvidkist obertannya r displaystyle r nbsp radialna koordinata chastinki a c displaystyle c nbsp shvidkist svitla Z takoyi povedinki vidno sho radialnij ruh matime netrivialnij harakter U procesi ruhu chastinka dosyagne poverhni svitlovogo cilindra gipotetichnoyi oblasti de linijna shvidkist obertannya tochno dorivnyuye shvidkosti svitla sho prizvede do zbilshennya poloyidalnoyi skladovoyi shvidkosti Z inshogo boku povna shvidkist ne mozhe perevishuvati shvidkist svitla tomu radialna skladova povinna zmenshuvatisya Ce oznachaye sho vidcentrova sila zminyuye svij znak Yak vidno z 1 pri zberezhenni zhorstkogo obertannya faktor Lorenca chastinki pragne do neskinchennosti Ce oznachaye sho naspravdi energiya povinna buti obmezhena pevnimi procesami Kazhuchi zagalno isnuye dva osnovni mehanizmi zvorotne komptonivske rozsiyuvannya inverse Compton scattering ICS i tak zvanij mehanizm proboyu kulki na droti breakdown of the bead on the wire BBW 3 Dlya strumeniv v aktivnih yadrah galaktik bulo pokazano sho dlya shirokogo diapazonu kutiv nahilu silovih linij vidnosno osi obertannya zvorotne komptonivske rozsiyuvannya ye dominuyuchim mehanizmom yakij efektivno obmezhuye maksimalno dosyazhni faktori Lorenca elektroniv velichieoyu g I C S m a x 10 8 displaystyle gamma ICS max sim 10 8 nbsp Z inshogo boku bulo pokazano sho probij kulki na droti staye dominuyuchim dlya vidnosno nizkoyi svitnosti aktivnih yader galaktik L lt 8 10 40 e r g s displaystyle L lt 8 times 10 40 mathrm erg mathrm s nbsp i prizvodit do g B B W m a x 10 7 displaystyle gamma BBW max sim 10 7 nbsp Vidcentrovi efekti efektivnishi v milisekundnih pulsarah oskilki yihnya shvidkist obertannya dosit visoka Bulo pokazano sho vidcentrove priskorennya zaryadzhenih chastinok u zoni svitlovogo cilindra pulsariv shozhih na pulsar Krabopodibnoyi tumannosti mozhe nadavati elektronam faktoriv Lorenca g K N m a x 10 7 displaystyle gamma KN max sim 10 7 nbsp cherez zvorotne komptonivske rozsiyuvannya 4 Priskorennya do duzhe visokih i nadvisokih energij red Hocha pryame vidcentrove priskorennya maye svoyi obmezhennya efekti obertannya vse zh mozhut vidigravati vazhlivu rol u procesah priskorennya zaryadzhenih chastinok Vvazhayetsya sho vidcentrovi relyativistski efekti mozhut viklikati plazmovi hvili yaki za pevnih umov mozhut buti nestijkimi efektivno vidkachuyuchi energiyu z potoku rechovini Na drugomu etapi energiya hvilovih mod mozhe transformuvatisya v energiyu chastinok plazmi sho prizvodit do podalshogo priskorennya U magnitosferah sho obertayutsya vidcentrova sila diye po riznomu v riznih miscyah sho prizvodit do generaciyi hvil Lengmyura abo plazmovih kolivan cherez parametrichnu nestijkist Mozhna pokazati sho cej mehanizm efektivno pracyuye v magnitosferah aktivnih yader galaktik 5 i pulsariv Rozglyadayuchi pulsari blizka za parametrami do pulsara Krabopodibnoyi tumannosti bulo pokazano sho za dopomogoyu zatuhannya Landau elektrostatichni hvili zgenerovani vidcentrovim priskorenyam efektivno vtrachayut energiyu peredayuchi yiyi elektronam Vstanovleno sho pririst energiyi elektroniv viznachayetsya yak 6 ϵ n p F r e a c d r n G J displaystyle epsilon approx frac n p F reac delta r n GJ nbsp 2 de d r c G displaystyle delta r sim c Gamma nbsp G displaystyle Gamma nbsp inkrement nestijkosti F r e a c 2 m c W 3 r 3 displaystyle F reac approx 2mc Omega xi r 3 nbsp 3 r 1 W 2 r 2 c 2 1 2 displaystyle xi r left 1 Omega 2 r 2 c 2 right 1 2 nbsp n p displaystyle n p nbsp koncentraciya chastinok v plazmi m displaystyle m nbsp masa elektrona n G J displaystyle n GJ nbsp gustina Goldrejha Yuliana Mozhna pokazati sho dlya tipovih parametriv krabopodibnih pulsariv chastinki mozhut otrimati energiyu poryadku soten TeV abo navit kilka PeV U vipadku novonarodzhenih milisekundnih pulsariv elektroni mozhut buti priskoreni do she vishih energij poryadku 10 18 e V displaystyle 10 18 eV nbsp 7 V magnitosferah aktivnih yader galaktik priskorennya protoniv vidbuvayetsya cherez kolaps Lengmyura Yak pokazano cej mehanizm dostatno potuzhnij shob garantuvati efektivne priskorennya chastinok do nadvisokih energij za dopomogoyu zatuhannya Lengmyura 8 ϵ p e V 6 4 10 17 M 8 5 2 L 42 5 2 displaystyle epsilon p left eV right approx 6 4 times 10 17 times M 8 5 2 times L 42 5 2 nbsp de L 42 L 10 42 e r g s displaystyle L 42 equiv L 10 42 mathrm erg mathrm s nbsp normovana yaskravist aktivnogo yadra galaktiki M 8 M 10 8 M displaystyle M 8 equiv M 10 8 M odot nbsp jogo normovana masa M displaystyle M odot nbsp masa Soncya Yak vidno za zruchnogo naboru parametriv mozhna dosyagti velicheznih energij poryadku 10 21 e V displaystyle 10 21 eV nbsp abo Z e V s displaystyle ZeVs nbsp tomu aktivni yadra galaktik mozhut sluguvati duzhe potuzhnimi kosmichnimi priskoryuvachami chastinok Primitki red Machabeli G Z Rogava A D 1994 Centrifugal force A gedanken experiment Physical Review A 50 1 98 103 Bibcode 1994PhRvA 50 98M PMID 9910872 doi 10 1103 PhysRevA 50 98 Rieger F M Mannheim K 2000 Particle acceleration by rotating magnetospheres in active galactic nuclei Astronomy and Astrophysics 353 473 Bibcode 2000A amp A 353 473R arXiv astro ph 9911082 Osmanov Z Rogava A Bodo G 2007 On the efficiency of particle acceleration by rotating magnetospheres in AGN Astronomy amp Astrophysics 470 2 395 400 Bibcode 2007A amp A 470 395O arXiv astro ph 0609327 doi 10 1051 0004 6361 20065817 Osmanov Z Rieger F M 2009 On particle acceleration and very high energy g ray emission in Crab like pulsars Astronomy amp Astrophysics 502 1 15 20 Bibcode 2009A amp A 502 15O arXiv 0906 1691 doi 10 1051 0004 6361 200912101 Osmanov Z Mannheim K 2008 Centrifugally driven electrostatic instability in extragalactic jets Physics of Plasmas 15 3 032901 Bibcode 2008PhPl 15c2901O arXiv 0706 0392 doi 10 1063 1 2842365 Mahajan Swadesh Machabeli George Osmanov Zaza Chkheidze Nino 2013 Ultra High Energy Electrons Powered by Pulsar Rotation Scientific Reports 3 1262 Bibcode 2013NatSR 3E1262M PMC 3569628 PMID 23405276 arXiv 1303 2093 doi 10 1038 srep01262 Osmanov Zaza Mahajan Swadesh Machabeli George Chkheidze Nino 2015 Millisecond newly born pulsars as efficient accelerators of electrons Scientific Reports 5 14443 Bibcode 2015NatSR 514443O PMC 4585882 PMID 26403155 arXiv 1507 06415 doi 10 1038 srep14443 Osmanov Z Mahajan S Machabeli G Chkheidze N 2014 Extremely efficient Zevatron in rotating AGN magnetospheres Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 445 4 4155 4160 Bibcode 2014MNRAS 445 4155O arXiv 1404 3176 doi 10 1093 mnras stu2042 Literatura red Gudavadze Irakli Osmanov Zaza Rogava Andria 2015 On the role of rotation in the outflows of the Crab pulsar International Journal of Modern Physics D 24 6 1550042 Bibcode 2015IJMPD 2450042G arXiv 1411 7241 doi 10 1142 S021827181550042X Osmanov Zaza 2013 On the Role of the Curvature Drift Instability in the Dynamics of Electrons in Active Galactic Nuclei International Journal of Modern Physics D 22 13 1350081 Bibcode 2013IJMPD 2250081O arXiv 0907 4268 doi 10 1142 S0218271813500818 Osmanov Z 2010 Is very high energy emission from the BL Lac 1ES 0806 524 centrifugally driven New Astronomy 15 4 351 355 Bibcode 2010NewA 15 351O arXiv 0901 1235 doi 10 1016 j newast 2009 10 001 Osmanov Z Shapakidze D Machabeli G 2009 Dynamical feedback of the curvature drift instability on its saturation process Astronomy and Astrophysics 503 1 19 24 Bibcode 2009A amp A 503 19O arXiv 0711 0295 doi 10 1051 0004 6361 200912113 Osmanov Z 2008 Efficiency of the centrifugally induced curvature drift instability in AGN winds Astronomy and Astrophysics 490 2 487 492 Bibcode 2008A amp A 490 487O arXiv 0803 0395 doi 10 1051 0004 6361 200809710 Osmanov Z Dalakishvili G Machabeli G 2008 On the reconstruction of a magnetosphere of pulsars nearby the light cylinder surface Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 383 3 1007 1014 Bibcode 2008MNRAS 383 1007O doi 10 1111 j 1365 2966 2007 12543 x Rogava Andria Dalakishvili George Osmanov Zaza 2003 Centrifugally Driven Relativistic Dynamics on Curved Trajectories General Relativity and Gravitation 35 7 1133 1152 Bibcode 2003GReGr 35 1133R arXiv astro ph 0303602 doi 10 1023 A 1024450105374 Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Vidcentrovij mehanizm priskorennya amp oldid 40467903