Введение к работе
Актуальность работы. Исследование процессов генерации (ускорения) заряженных частиц в космических условиях является одной из наиболее актуальных проблем современной астрофизики. В космической плазме происходят явления, приводящие к генерации быстрых заряженных частиц с энергией намного превосходящей тепловую. Присутствие быстрых частиц в различных областях межпланетного пространства подтверждено прямыми измерениями аппаратурой, вынесенной в космическую среду. Наличие большого количества релятивистских частиц в различных астрофизических объектах таких как остатки сверхновых звезд, радиогалактики и других установлено методами радио- , рентгеновской и гамма - астрономии.
Исследование процессов ускорения космических лучей (КЛ) представляет интерес, главным образом, по двум причинам. Во-первых, свойства генерированных частиц несут сведения о явленнях, протекающих в среде, и величинах параметров области их ускорения. Во-вторых, ускоренные частицы часто сами являются активным компонентом, существенно влияющим на динамические процессы плазмы.
Результаты прямых измерений в космическом пространстве и развитие теоретических представлений о возможных механизмах ускорения доказали наличие в окрестности фронтов ударных волн интенсивных процессов ускорения КЛ, различные аспекты которых в настоящее время продолжают широко исследоваться. Особый интерес, проявленный к процессам ускорения КЛ ударными волнами, обусловлен прежде всего тем, что ударные волны - явление достаточно часто встречающееся в космических условиях. Примерами могут служить ударные волны от солнечных вспышек в короне Солнца и межпланетном пространстве; ударные волны, возникающие при обтекании сверхзвуковым солнечным ветром магнитосфер планет; ударные волны, сопровождающие взаимодействие сверхзвукового солнечного ветра с межзвездной средой; ударные волны, порождаемые вспышками сверхновых звезд и т.д. Кроме того, в процессе образования ударных волн, как правило, выделяется большое количество энергии в форме направленного движения плазмы. Достаточно большая часть (десятки процессов) этой энергии может идти на ускорение частиц с энергией, значительно превышающей тепловую.
Ударные волны, возникающие на Солнце во время особенно мощных вспышек, генерируют значительные потоки частиц, энергия которых составляет десятки, сотни мегаэлектронвольт, а в отдельных событиях - несколько гигаэлектрон-вольт. Эти частицы, заполняя околоземное пространство, могут вызывать значительные эффекты: например, изменять условия радиосвязи на Земле, а также ра-диациошгую обстановку в околоземном пространстве.
1 '
Исследование процессов ускорения необходимо как для понимания фундаментальных свойств космической плазмы, для воссоздания целостной картины разнообразных явлений в природе, так и для решения многих прикладных проблем.
Особый интерес представляет исследование процессов ускорения, протекающих в межпланетном пространстве, поскольку в этом случае имеется возможность сопоставления результатов расчетов и прямых или косвенных измерений, что позволяет проводить детальную проверку адекватности различных гипотез и на этой основе делать обоснованные предсказания о характере аналогичных процессов в удаленных астрофизических объектах.
Основная цель работы - построение самосогласованной теории процесса ускорения заряженных частиц межпланетными ударными волнами.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые разработана самосогласованная теория ускорения заряженных частиц межпланетными ударными волнами, учитывающая все основные физические факторы: раскачку альвеновских волн ускоренными частицами и их нелинейное взаимодействие; геометрию ударной волны и эффект адиабатического замедления. Реализация развитой теории впервые позволила объяснить наблюдаемые закономерности формирования спектров энергичных частиц и альвеновских волн вблизи фронтов межпланетных ударных волн.
Впервые на основе расчетов в рамках последовательной теории регулярного ускорения электронов в остатках сверхновых (ОСН) с учетом временных и пространственных факторов объяснена единая (синхротронная) природа радио и рентгеновского излучений ряда ОСН.
Впервые на основе единой кинетической теории ускорения КЛ в ОСН рассчитаны характеристики радио, рентгеновского и гамма - излучений ОСН 1006, согласующиеся с наблюдениями.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработка и реализация метода поколений применительно к задаче регулярного ускорения заряженных частиц ударными волнами. В рамках метода получены точные и приближенные решения ряда задач. Использование метода позволило достигнуть наиболее ясной физической интерпретации основных характеристик процесса регулярного ускорения.
' f
-
Теория самосогласованного процесса ускорения ионов межпланетными ударными волнами.
-
Теоретический анализ и результаты расчетов ускорения заряженных частиц ударными волнами в короне Солнца.
-
Теоретический анализ и результаты расчетов, установившие нетепловую (синхротронную) природу высокоэнергичного рентгеновского излучения, зарегистрированного из ряда остатков сверхновых.
-
Результаты расчетов на основе нелинейной теории, объясняющие наблюдаемые свойства электромагнитного излучения ОСН1006.
Научная и практическая ценность. Развитый в диссертации метод поколений позволяет получать точные и достаточно надежные приближенные решения разнообразных задач по ускорению частиц ударными волнами, а также позволяет достигнуть наиболее ясной физической интерпретации основных особенностей процесса регулярного ускорения.
На основе развитой в диссертации теории самосогласованного ускорения ионов и генерации ими альвеновских волн можно делать детальные количественные предсказания о характеристиках ускоренных частиц и величинах параметров среды в области ускорения.
Расчеты энергетического и пространственного распределения КЛ в ОСН будут использоваться и уже используются при определении свойств радио, рентгеновского и гамма - излучений ОСН.
Апробация. Результаты работы докладывались на семинарах ИКФИА СО РАН (Якутск), НИИЯФ МГУ (Москва), ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН (С. Петербург), а также представлялись на -16-ой (Киото, 1979), 17-ой (Париж, 1981), 18-ой (Бангалор, 1983), 21-ой (Аделаида, 1990), 23-ей (Калгари, 1993), 24-ой (Рим, 1995), 25-ой (Дурбан, 1997), 26-ой (Солт Лейк Сити, 1999) Международных конференциях по космическим лучам, на 16-й (Ереван, 1979), 18-й (Якутск, 1984), 22-й (Самарканд, 1992), 25-й (Москва, 1998), 26-й (Дубн*1, 2000) Всесоюзных и Всероссийских конференциях по космическим лучам, на 11-ом Европейском симпозиуме по космическим лучам (Балатон, 1988), на Всесоюзном совещании секции СПС проблемного совета Солнце - Земля (Н. Архыз, 1989). По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, перечисленных в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем диссертации