Рефракция электромагнитных волн в движущейся космической плазме Лопес Исуриета Эриксон Даниель

Введение к работе

Актуальность темы диссертации

Космическая плазма изменяет физические характеристики излучения по пути его распространения от источника до наблюдателя и является важной областью астрофизических исследований. Физическая картина распространения и преломления электромагнитных волн в космической плазме довольно развита и хорошо обоснована с математической точки зрения. Например, дисперсионные свойства как изотропной, так и анизотропной неподвижной плазмы в однородной и неоднородной среде установлены и исследованы в классической плазменной физике (Гинзбург, 1967).

Данная диссертация посвящена исследованию дисперсионных свойств движущейся электронной плазмы и определению показателя преломления свободных электромагнитных волн, которые могут распространятся в движущейся среде.

Прежнее технологическое ограничение для создания в лабораторных условиях макроскопических плазменных потоков с квазп- пли релятивистскими скоростями в настоящее время не является препятствием для исследования на земных установках процессов взаимодействия бы-стродвижущегося вещества с электромагнитным излучением.

Работы такого рода и, вместе с тем, прямое исследование космической плазмы в сочетании с адекватным математическим подходом

позволяют выяснить физические характеристики плазменных выбросов. Существование квазпстацпонарных выбросов вещества наблюдается у большинства астрофизических объектов. Общепринятым является утверждение о том, что узконаправленные релятивистские струи (джеты) выходят из области ядра активных галактик, которые также образуются в области акрецнонного диска тесных двойных систем с рентгеновскими источниками (нейтроные звезды и черные дыры). Природа этих выбросов плазменных потоков в настоящее время далека от полного понимания и, в том числе, не выявлена физическая картина распространения и преломления электромагнитных волн в этих быстродвижущпхся плазменных средах.

Поэтому тема данной диссертации является актуальной и представляет большой интерес для развития электродинамики движущихся сред и расширения наших представлений о природе космической плазмы.

В данной работе исследуются дисперсионные свойства медленной н быстродвижущейся электронной плазмы.

Главной целью диссертации является исследование процессов распространения и преломления электромагнитных волн в медленной и быстродвижущейся плазме. Основные задачи данной работы:

1. Вывод дисперсионных соотношений движущейся изотропной и магнитоактивной плазм. Определение свойств распространения и преломления свободных электромагнитных волн в движущейся

\ з

плазме в рамках классического и релятивистского приближений.

1. Вывод дисперсионных соотношений, движущейся неоднородной изотропной электронной плазмы.

2. Определение углового смещения излучения, проходящего сквозь быстродвижущуюся космическую струю, образовавшуюся в области акреционного диска тесной двойной системы (ТДС) или в ядре активной галактики.

3. Исследование эффекта фарадеевского вращения плоскости поляризации и степени линейной поляризации излучения, рассеянного на электронах в области звездного ветра.

Научная новизна

1. Выведены основные соотношения, описывающие дисперсионные свойства как изотропной, так и анизотропной движущейся плазмы. Впервые полученные аналитических выражения для показателя преломления электромагнитных волн распространяющихся в нерелятшшстской и релятивистской движущейся электронной плазме. Показано, что в случае малых скоростей движения среды в движущейся плазме распространяется лишь обыкновенная волна, показатель преломления которой является инвариантом.

2. Впервые обнаружено, что релятивистское движение космической плазмы оказывает влияние на распространения поперечных волн.

Вследствие этого, в движущейся плазме впервые выявлена возможность распространения электромагнитных поперечных волн нового типа—"необыкновенная волна", подчиняющаяся иному закону преломления, в который входит релятивистская скорость движения среды (явление двойного лучепреломления в изотропной и анизотропной движущихся плазмах).

3. Впервые получены выражения для показателя преломления различных типов плазменных продольных волн, которые возникают вследствие движения среды и распространяются как в изотропной так и в анизотропной движущейся плазме. С увеличением скорости движения среды происходит сдвиг резонансных точек системы и тем самым расширение частотной области распространения плазменных волн.

4. Впервые приведены оценки ожидаемого углового отклонения радиоизлучения далекого радиоисточника, лежащего за областью релятивистской космической струи. Приводятся оценки вклада релятивистского движения струи в рефракционный эффект отклонения лучей от пути распространения.

5. Впервые изучено влияние градиента магнитного поля на преломляющие свойства электромагнитных волн, распространяющихся в магнпто неподвижной плазме—магнитная рефракция.

G. Впервые показано, что в области звездного ветра, в предполо-

женпп недішольной конфигуращш магнитного поля, однократное рассеяние излучения на электронах этой области, приводит к появлению значительной степени линейной поляризации излучения из-за эффекта фарадеевского вращения. Приводятся оценки для ряда разных конкретных случаев.

Научная и практическая значимость.

Исследование плазменных потоков с релятивистскими скбростями приводит к появлению новых типов поперечных волн, подчиняющихся новым законам дисперсии как в изотропных, так и в анизотропных средах. Эффект двойного лучепреломления в быстро движущейся плазме приводит к возможности изменения плоскости поляризации электромагнитных волн подобно эффекту фарадеевского вращения в магнп-тоактпвной неподвижной плазме. С этим, безусловно, связан ряд важных физических характеристик космического излучения и плазменных сред.

Результаты, полученные в данной работе, имеют важное научное и практическое значение для понимания и расширения наших представлений о теории электродинамики движущихся сред и связанных с этим вопросов дисперсии и распространения свободных электромагнитных возмущений в космической плазме.

На защиту выносятся:

1. Вывод аналитических соотношений, описывающих дисперсионные свойства движущихся изотропной плазмы и анизотропной магнп-тоактивноп плазмы для случаев нерелятивпстского и релятивистского движения среды.

2. Доказательство существования эффекта двойного лучепреломления в изотропной и в анизотропной движущейся электронной плазме вследствие релятивистского движения среды.

3. Результаты оценок углового смещения, которое должно испытать радиоизлучение, проходящее сквозь космическую магнлтоактпв-ную плазму, вследствие присутствия в среде градиента внешнего магнитного поля. Магнитная рефракция.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

"Third International Workshop on Positional Astronomy and Celestial

Mechanics" (Cuenca, Espana, May 1994);

"International Workshop on Solar Polarization" (Пулково, С.-Петербург,

май 1995);

"Second Volga International Summer School on Space Plasma Physics"

(Н.Новгород, нюнь 1995);

Международной конференции "Structure and Evolution of Stellar Systems" (Петрозаводск, август 1995);

"XXVI Радиоастрономическая конференция" (ИПА, С.-Петербург, сентябрь 1995);

"Joint European and National Astronomy Meeting JENAM-95" (Catania, Italy, September 1995);

научном семинаре астроног.тческоп кафедры Казанского университета, июнь 1995;

научном семинаре астрофизического отдела Главной астрономической обсерватории РАН.

Структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, занимающих -141;странпц текста, включая 21 рисунок, 4 таблицы, и списки литературы (134 — наименования).