Содержание
1 Введение 2
2 Структура пульсарной туманности 8
2.1 Соотношения на ударной волне. .................................. 20
2.2 Основные уравнения.............................................. 22
2.3 Интеграл Бернулли............................................... 24
2.4 Уравнения движения............................................... 25
2.5 Граничные условия................................................ 26
2.5.1 На ударной волне.......................................... 26
2.5.2 На бесконечности.......................................... 28
3 Гидродинамическое приближение 30
3.1 Ветер со слабой анизотропией..................................... 31
3.2 Взаимодействие с межзвездной средой сильно анизотропного ветра 38
3.2.1 Основные упрощения........................................ 38
3.2.2 Форма ударного фронт...................................... 40
3.2.3 Образование тороидальной структуры........................ 41
3.2.4 "Струйные"образоваиия..................................... 46
3.3 Обсуждение....................................................... 48
4 Влияние магнитного поля 50
4.1 Оценка влияния магнитного поля на динамику плазмы в Крабовидной туманности.............................................. 50
4.2 Термодинамические величины на ударной волне...................... 53
4.3 Разделение переменных в уравнении для поправки................... 55
4.4 Обсуждение....................................................... 57
5 Электромагнитное гало блазаров 59
5.1 Основные уравнения............................................... 65
5.2 Интегральные спектры излучения................................... 67
5.3 Пространственная структура гало.................................. 68
5.4 Обсуждение....................................................... 71
6 Заключение 74
7 Приложение 76
7.1 Соотношения на ударной волне..................................... 76
7.2 Уравнения движения............................................... 81
1
1 Введение
Работа посвящена исследованию двух различных по природе астрофизических объектов, и в силу этого анализ проводился совершенно разными способами; общей являлась только конечная цель - оценка ожидаемого пространственного распределения излучения. В последние годы развитие средств астрономии привело к значительному увеличению количества и качества данных, получаемых в наблюдениях, поэтому анализ структуры представляет большой интерес, поскольку он тесно связан с наблюдением астрофизических объектов. Подобный анализ позволяет не только исследовать сами объекты, но и зачастую получить ценную информацию о физических условиях вокруг них. Исследовались такие объекты, как Крабовидная Туманность и электромагнитные гало вокруг 7-джетов, инжектируемых блазарами.
Первая часть работы ориентирована на интерпретацию наблюдательных данных полученных на рентгеновской обсерватории "Chandra". Данный телескоп является третей "великой обсерваторией "НАС А, его запуск был произведен ‘23 Июля 1999 года с номощыо шаттла "Колумбия". Данная обсерватория была создана для анализа горячих областей Вселенной, чтобы помочь в поиске ответов на фундаментальные вопросы о происхождении, эволюции и плотности Вселенной. Она оснащена ренпеновской камерой, имеющей разрешение 0.5 arcsec. Камера способна детектировать у-кванты с энергией в диапазоне от 0.2keV до 10keV, а чувствительность имеет значение 4 10~15 Наблюдения на этой обсерватории
выявили характерную структуру в центральной части Крабовидной туманности. Следует отметить, что обсуждаемая морфология была обнаружена еще до наблюдений, произведенных на обсерватории "Chandra4, в частности, с помощью телескопа ROSAT, но качество изображений, получаемых на "Chandra11, в десятки раз превосходят результаты, полученные в предыдущих наблюдениях. Поэтому данная работа ориентирована на сравнение с результатами, представленными именно обсерваторией "Chandra".
Работа направлена на объяснение данных, полученных при наблюдении пульсарных туманностей в мягком рентгеновском спектре, в первую очередь Крабовидной туманности. Такой выбор связан с рядом факторов. Во-первых, полученные данные о структуре нлериона вокруг пульсара Краб содержат гораздо больше деталей, и характерные структуры выражены гораздо четче, во-вторых, существует ряд достоверных теоретических предсказаний о характеристиках пульсарного ветра в Крабовидной туманности, подтвержденных многочисленными наблюдениями в разных частотных диапазонах. Крабовидная туманность была исследована всевозможными средствами и ее излучение предсказано в рамках теории Кеннела и Коронити в диапазоне от оптики до жесткого у-излучения. Однако наблюдения в рентгеновском диапазоне выявили примечательную структуру в центральной части илериона. В мягком рентгеновском излучении центральная часть туманности состоит из двух компонент: тороидальной структуры, окружающей пульсар PSR 0531+21 и
2
Рис. 1: Изображение центральной части Крабовидной туманности полученное на обсерватории " Сйапб га "
двух ,гструеподобных,гобразований, расположенных перпендикулярно тору и выходящих из пульсара. Интересно, что подобная структура центральной области ітлериона наблюдается и в других пульсарных туманностях. Таким образом, объяснение происхождения данной структуры может оказаться важным не только с точки зрения исследования Крабовидной туманности, но целого ряда других объектов, обладающих сходной структурой.
Наблюдаемые структуры в Крабовидной туманности образуются в результате взаимодействия иульсарного ветра, с окружающей средой, и для понимания их природы необходимо изучить характер этого взаимодействия. Анализ процесса взаимодействия ветра от пульсара Краб с межзвездной средой проводился в целом ряде работ. В работах Риса и Гана была предложена модель пульсарной туманности, развитая в работах Кеннела и Коронити. В рамках данного подхода удалось достигнуть существенного прогресса. Расчетная скорость
3
расширении плериона. его светимость и спектр синхротронного излучения от оптики до рентгеновских лучей согласуются с наблюдаемыми, если принять, что ветер состоит из электронов и позитронов с Лоренц фактором ~ 3 • И)6 и почти все вращательные потери пульсара трансформируются в кинетическую энергию частиц так, что отношение потока электромагнитной энергии к потоку кинетической энергии частиц составляет величину а = 3 • 10~3. При таких параметрах ветра естественным образом также объясняется излучение Крабовидной туманности в гамма-лучах выше 10 Гэ13, которое генерируется за счет механизма обратного комптоновского рассеяния гех же электронов, что генерируют синхротронное излучение.
Однако в работе Кенелла и Коронити есть существенный недостаток: предполагается сферическая симметрия течения плазмы. При таком предположении удается получить аналитическое решение уравнений, описывающих плерион, однако, как показывают наблюдения, Крабовидная туманность явно сферически не симметрична, и описать ее структуру и рамках такого подхода невозможно. Поэтому необходимо рассматривать картину течения, в которой учитывается отклонение течения от сферически симметричного. Рассматриваются два фактора, вызывающие нарушение радиальности течения: это неоднородность потока энергии в пульсарном ветре и влияние магнитного ноля. Выл произведен учет влияния этих факторов на процесс формирования структуры центральной части Крабовидной туманности. Следует отметить, что данные эффекты имеют место во всех пульсарных туманностях, причины, по которым проводятся расчеты именно для Крабовидной туманности, приведены выше. Анализ взаимодействия пульсарного ветра с межзвездной средой может не только прояснить происхождение структуры центральной части Крабовидной туманности, но и быть полезным при дальнейшей интерпретации экспериментальных данных.
Вопросы, обсуждаемые во второй части диссертации, носят поисковый характер. Эта часть работы нацелена получение результатов, которые могут быть использованы при проведении экспериментов в будущем. В частности, возможно будет проведено наблюдение на строящейся в настоящее время в Намибии системе телескопов HESS. Анализ нацелен на исследование подкласса активных галактических ядер, называемого блазарами. Блазары излучают в широком диапазоне спектра, от радиочастот до жесткого 7-излучения. Наблюдаемое излучение формируется в области ультрарелятивистских струй. Эти объекты отличаются высокой изменчивостью наблюдаемого излучения, характерный временной масштаб составляет дни и даже часы. Исследование данных активных галактических ядер представляет огромный интерес, потому что эта область современной физики содержит очень много нерешенных проблем, зачастую не ясны даже базовые механизмы формирования наблюдаемых объектов.
Блазары отличаются еще одним исключительным свойством, от них детектируются 7-кванты сверхвысоких энергий (выше ЮУ'еV). Эти 7-кванты испускаются в виде хорошо коллимированных струй. Пробег подобных 7-квантов
4
Рис. 2: Туманность вокруг пульсара Вела. Изображение получено на обсерватории "Chandra”
в межгалактическом пространстве составляет' величину порядка 10 — 100Мрс. Поэтому в настоящее время наблюдательно могут быть обнаружены только те блазары, которые находятся на расстоянии нескольких сотен Мрс, и струи, которых направлены в сторону Земли. Такие условия создают существенные ограничения на возможность наблюдательного исследования данных объектов.
Излучаемый блазарами спектр сильно отличается от наблюдаемого на Земле. Ожидается, что блазары представляют собой мощный источник у-квантов колоссальных энергий - вплоть до 10^ TcV. Вокруг таких объектов должно образовываться гало, обусловленное присутствием мягких фотонов инфракрасного и планковского излучений. Испускаемые блазарами д-кванты сверхвысоких энергий будут взаимодействовать с мягкими фотонами, что приводит к рождению электрон-позитроиных пар. Рожденные частицы, двигаясь в межгалактическом магнитном поле, будут терять энергию на синхротронное излучение. Кроме того, из-за присутствия фонового фотонного ПОЛЯ, эти электроны могут излучать д-кванты высоких энергий вследствие обратного комнтоновского рассеяния. Испущенные д-кванты, в свою очередь, могут рождать электрон-позитронные пары. Таким образом, в окрестности блазаров возникает каскадный процесс. Следует отметить, что излучение частиц, формирующих гало, будет изотропным, поскольку магнитное ноле приводит к изотропизации направлений скорости электронов.
Наблюдения блазаров приводят к выводу', что магнитное пате в области струй
5
- Київ+380960830922