CC BY
24
УДК 523.11
НАБЛЮДЕНИЯ МЕЖГАЛАКТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КАСКАДОВ ОТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПРОТОНОВ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ С РЕЛИКТОВЫМИ ФОТОНАМИ
А. В. Урысон
Заново проанализированы данные о гамма-излучении сверхвысокой энергии, которое было зарегистрировано на Тянь-Шанъской высокогорной установке в начале 80-х гг. Показано, что четыре гамма-кванта из восьми зарегистрированных были рождены в фотопионных реакциях протонов сверхвысоких энергий (Ер > 3 • 10"1 эВ) с реликтовыми фотонами и последующих электромагнитных каскадах в межгалактическом пространстве. Протоны были ускорены в галактике М51. Обсуждается возможность регистрации малоэнергичных остатков электромагнитных каскадов в области энергий ~ 10 кэВ — 10 МэВ.
Сообщения о регистрации диффузного гамма-излучения с энергией Е > 1011 эВ появились в 80-х годах [1 - 4]. Излучение регистрировалось по широким атмосфер ным ливням, обедненным мюонами и адронами. Координаты зарегистрированных гамма-квантов не совпадали с координатами каких-либо известных источников гамма излучения, а измеренные потоки в десятки раз превосходили теоретические оценки диффузного гамма-излучения, образующегося во взаимодействиях космических лучен с межзвездным газом [7, 8]. Поэтому авторы работ [1 - 4] интерпретировали получен ные результаты как регистрацию гамма-излучения от неразрешенных галактических источников (см. также [5, 6]). Однако излучение большого числа точечных галактических источников, сосредоточенных на небольшой части небесной сферы, было бь.
зарегистрировано в рентгеновском диапазоне [8]. Таким образом, это предположение осталось неподтвержденным.
С целью выяснения природы зарегистрированных гамма-квантов в настоящей работе заново проанализированы результаты, полученные в [1]. На основании этого анали за обсуждается возможность регистрации гамма-излучения с энергией Е & 10 кэВ — 10 МэВ на спутниках.
8
90° г-1 | , —
60° 30°
0° I ' I М > I I < V ' » ' ■ ■. 1 . \ . , I /, ,
0 3 6 9 12 15 18 21 24 а, ч
Рис. 1. Распределение по видимой части неба зарегистрированных Тянъ-Шанъской установкой гамма-квантов. Размеры крестов соответствуют точности определения координат. Штриховой линией выделены области галактических широт |6| > 30° и -30° < b < 30°. Пунктирные линии ограничивают область, в пределах которой Тянь-Шаньская установка регистрирует ливни. Белые кружки - координаты предполагаемых источников гамма-квантов с энергией > 1015 эВ из [9]. Черный кружок - галактика МЫ.
Чернотелъное обрезание протонов сверхвысоких энергий. На рис. 1, взятом из [1], показано распределение зарегистрированных гамма-квантов по видимой части неба (гамма-кванты пронумерованы нами). Ни один из них не совпадает с положением предполагаемых источников гамма-излучения, о которых сообщалось в работе [9]. На этом
, I --------/—
1 b = 30°
N
L \ь = -зо" \ I
B-_V-----д-----Jfc-J-
b = -30°
b = -30°
J_L
I . , \
J_L
-I-L-J-L_JU_1_111/»
рисунке примечательно то, что координаты гамма-квантов 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4 совпадают в пределах ошибок. Это указывает на то, что они пришли из одной области. Ее координаты определим как центр области, образованной наиболее близкими кваг тами 1, 2, 3: прямое восхождение а « 13 ч, склонение 6 « 50°. Расстояние до этой области оценим следующим образом. Поскольку энергия зарегистрированных гамма-квантов лежит в пределах (5 — 8,5) • 1014 эВ, то их свободные пробеги в поле реликтовых фотонов {Т ~ 2, 7 К) составляют А и 10 — 20 кпк [10]. Это означает, что зарегистрированные гамма-кванты образовались непосредственно вблизи Галактики. Мы предположили, что они родились в фотопионных реакциях протонов сверхвысоких энергий на реликтовых фотонах 7ге/ в процессе их прохождения через межгалактичс ское пространство р + 7ге/ —> р + 7Г°, р + 7ге; —> п + тг+ [10 - 12], последующих распадах 7г° —> 27, 7Г+ —> —» е+ и электромагнитных каскадах на фотонах реликтового и фонового радиоизлучения е + 7ь —* е' + 7', 7 + 7ь —► е+ + е~ [13, 14]. Средний свободный пробег протонов Хр оценим по формуле Аг ш (пге1<7р1)~\ где плотность реликтовых фотонов пге1 ~ 400 см~3 [8], сечение фотопионных реакций оуу » 5,5 • 10"28 см1 при полной энергии р и 7 в СЦМ 1,2 ГэВ и а^ & 1 • Ю-28 см2 при больших энергиях [15] (энергии протона в ЛС соответственно Ер = 3 • Ю20 эВ и Ер » 3 ■ 102П эВ). Отсюда Ар ~ 1,5 Мпк для протонов с энергией Ер = 3 • Ю20 эВ и Ар ~ 8 Мпк для протонов с Ер » 3 • Ю20 эВ. Предположим, как это сделано в ряде работ ([8, 16] и цитир} емая там литература), что протоны таких энергий распространяются в межгалакт^ ческом пространстве прямолинейно. Величина \р испытывает сильные флуктуации, подобные флуктуациям пробегов частиц при развитии ливней в атмосфере. Для того, чтобы каскад не успел затухнуть, расстояние до предполагаемого источника Н должно быть порядка Ар, т.е. Я ~ 1,5 — 8 Мпк.
Полученные координаты источника совпадают с кординатами спиральной галакти ки М51, имеющей сейфертовское ядро, со звездной величиной —8т : о = 13 30т, 6 = 47°12т. Совпадают и оценки расстояния - по литературным данным Д ~ 7,5-9,6 А/ пк [17].
Для иллюстрации рассмотрим возможные варианты развития электромагнитного каскада по [18] (соответствующие формулы и вероятности поглощения см. также в [8]). Будем использовать средние значения величин, характеризующих каскад, и пренебре гать их флуктуациями. Пусть энергия первичного протона Ер ~ 3 • Ю20 эВ. Потер! энергии при взаимодействии с реликтовыми фотонами составляют < АЕР > /Ер ~ 0. 2 [19], и он взаимодействует с ними до тех пор, пока его энергия не уменьшится до вели
чины Ер = 3 • 1019 эВ. Если в третьем или четвертом столкновении протона родится 7г°-мезон, то его энергия составит соответственно 3,8-1019 или 3-1019 эВ, и это произойдет на расстоянии от источника 4,5 или 6 Мпк. 7г°-мезон практически сразу распадется на два гамма-кванта одинаковой энергии Е-, и 1,9-1019 или 1,5-1019 эВ. Пройдя в сред нем 3 Мпк, гамма-кванты образуют е+е~-пары с энергией одной частицы Ее ~ а другой - Ее ~ тЦсте1 4 • 1014 эВ. Здесь масса электрона те = 0,5 МэВ, энергия реликтовых фотонов ere¡ ~ б, 7 • Ю-4 эВ. Низкоэнергичный электрон на пути 1 кпк рассеет гамма-квант с энергией Ее ~ ~ 4 ■ 1014 эВ. Это гамма-квант интересующей нас энергии, и он рожден на расстоянии 7,5 - 9 Мпк от источника, т.е. на границе Галактики.
Такой гамма-квант может родиться и в результате распада 7г+ —► fi+ —> е+. Действительно, если на расстоянии ~ 6 Мпк от источника образуется позитрон с энергией ~ 1018 эВ, то на пути 1 Мпк он рассеет гамма-квант, передав ему значительную долю энергии, а его энергия уменьшится до 101' эВ. В результате еще 2-3 актов рассеяния на пути ~ 300 кпк энергия электрона уменьшится уже до ~ 1015 эВ, после чего он рассеет гамма-квант с энергией 5 • 1014 — 1015 эВ на расстоянии 8 Мпк от источника, т.е. непосредственно вблизи Галактики.
Если энергия протона Ер >> 3 • Ю20 эВ, то первое взаимодействие с реликтовым фотоном произойдет в среднем на расстоянии 8 Мпк от источника. Образующиеся в результате распада тт° гамма-кванты имеют энергии около 5 • Ю20 эВ. Из-за поглощения гамма-квантов на фотонах радиоизлучения (средний пробег А7 ~ 0,3 Мпк) будут рождаться е+е~-пары, в которых энергия низкоэнергичных частиц составит Ее ~ тЦtr ~ 2,5 • 1017 - 8 ■ 1019 эВ (энергия радиофотонов ег = 3 • 10~9 - Ю-6 эВ [18]). Эти электроны, рассеиваясь на реликтовых и радиофотонах, на пути около 1 Мпк уменьшат свою энергию до 1015 — 1016 эВ. В результате вблизи Галактики они смогут рассеять гамма-кванты в диапазоне энергий 1014 — 1015 эВ.
Мы приходим к заключению, что четыре из восьми гамма-квантов, о которых сообщалось в [1], генетически связаны с протонами, ускоренными в галактике М51 до Ер > 3 • Ю20 эВ. Для выяснения природы остальных гамма-квантов, зарегистрированных в [1], нужны дальнейшие исследования. Ни один из источников [9] не удалось отождествить описанным способом с каким-либо внегалактическим объектом.
Возможность регистрации малоэнергичиых остатков электромагнитных каскадов. Прослдим за дальнейшим развитием электромагнитного каскада, используя оценки из работы [18]. (Вероятности поглощения фотона в межгалактическом пространстве
приведены также в [8]. Формулы для обратного комптоновского рассеяния приведены в [8, 20] и Приложении.) Проходя межгалактическое пространство, протон с первичной энергией Ер » 3 • Ю20 эВ будет терять энергию в реакциях р + 7rei —» р -+• 7Г°, р + 7ге/ —> П + тг+- (Образование пар р + 7rei —> р + е+ -f е~ имеет значительно меньшее сечение.) Лидирующий протон и образующиеся нуклоны с энергией Eh > 3 - Ю20 эВ будут порождать новые пионы, гамма-кванты от распада 7г° будут порождать электроь
позитронные пары в реакции 7 + 7rei —» е+ + е-, а они и позитроны от распадов
\
7Г+ —> —е+ будут рассеиваться на реликтовых фотонах: е + 7ге/ —» е' + 7' (сечения процессов 7 + 7ге; —► 7' + 7", 7 + 7rei —► + М- значительно меньше). После того, как энергия образующихся частиц упадет до 1017 эВ, их пробеги уменьшатся с 1 -5 М пк до 100 кпк и каскадное размножение станет наиболее эффективным. Образование пар будет происходить до тех пор, пока энергия гамма-квантов Е-, > 1014 эВ. Для гамма-квантов меньших энергий межгалактическое пространство станет практически прозрачным. В процессе обратного комптоновского рассеяния электроны будут терять энергию большими порциями (Е~, ~ Ее), пока их энергии достаточно велики (Ее >> 1014 эВ). Интенсивное размножение пар в каскаде будет происходить на длине 300 кпк. В результате в каскаде останутся электроны с Ее < 1014 эВ и гамма-кванты с Е1 < 1014 эВ, и в нем будет увеличиваться число гамма-квантов со средней энергией Е.у ~ 3,6- Ю-16 El от обратного комптоновского рассеяния. Такие электроны будут : ленно терять энергию (потери электрона в каждом рассеянии < /\Ее > /Ее и 10"' при Ее ~ 1012 эВ и < АЕе > /Ее ~ Ю-6 при Ее — Ю10 эВ), а их средний пробег составит Ае ~ (о"ггаг)-1 — 1 кпк (томсоновское сечение aj ~ 6,65 ■ Ю-25 см2). Гамма-кванты будут лететь впереди породивших их частиц, т.к. скорости частиц меньше скорости света. Достигнув границы Галактики или неоднородности магнитного поля, каскад переста нет развиваться. Электроны рассеятся в магнитных полях, а гамма-кванты продолжат прямолинейное распространение.
Расстояния, на которых развивается каскад, таковы. Свободный пробег протона < Ер >> 3 • Ю20 эВ составляет около 10 Мпк. Гамма-кванты от распада высокоэнергич ных 7г° имеют значительно большие пробеги: А7 ~ 60 Мпк при Е1 ~ Ю20 эВ. Пробе! позитрона с энергией Ее ~ Ю20 эВ от распада составляет также около 60 Мп к. По этому малоэнергичный остаток каскада, дошедший до границ Галактики, может бы ь инициирован протоном, который родился на расстояниях 70 Мпк от Галактики. Возможно, что величина R меньше из-за существования в межгалактическом пространс магнитных полей [18]. Оценим грубо, какие расстояния R проходит каскад до гого.
как в нем начнется образование гамма-квантов с энергией Е1 ~ 10 МэВ. Поскольку электрон, проходя путь 1 кпк, рассеивает приблизительно один гамма-квант, теряя энергию < АЕе >~ 3,6 • 10~16Е%, то dE/dR = 3,6 • 10_16£2. Гамма-кванты с энергией Е^ « 10 МэВ рассеиваются электронами с Ее и 5 • Ю10 эВ. Отсюда R ~ 30 Мпк.
Из приведенных грубых оценок следует, что к границам Галактики могут приходить каскады с расстояний R порядка нескольких десятков Мпк.
Поперечные размеры каскада таковы. Энергичные (Е > 1014 эВ) частицы в каскаде распространяются в основном в конусе, определяемом углом разлета 7г°-мезонов i/n ~ Штго/Дго (тжо ~ 140 МэВ; для Еж0 ~ Ю20 эВ ~ 1,4 • Ю-12), поэтому по прохождении пути L его поперечник достигнет величины d ~ ижЬ ~ 2 • 1013 см при Ежо ~ Ю20 эВ, L ~ 5 Мпк. Плотность высокоэнергичных частиц в каскаде неоднородна. Аналогично ливням в атмосфере, каскад, развиваясь, образует несколько стволов по направлениям движения каскадировавших частиц высоких энергий и большое число ветвей по направлениям движения электронов и позитронов, рассеивающих реликтовые фотоны. Стволы и ветви расходятся под углами разлета частиц пары ve ~ те/Ее (те = 0,5 МэВ; для Ее ~ 1019 эВ-ие ~ 5 • Ю-14), в каждой из ветвей гамма-кванты летят в конусе vie, и их плотность увеличивается с приближением к оси, т.к. сечение комптоновского рассеяния максимально, когда угол рассеяния ию —> 0 (см. [20] и Приложение).
Число ветвей N в каскаде оценим так. Энергия первичного протона Ер т 1021 эВ в процессе развития каскада переходит в излучающие ветви с энергией Е ~ 1014 эВ каждая, и поэтому грубо N ~ 1021 эВ/1014 эВ = 107.
В системе покоя электрона гамма-кванты с Е1 < 1014 эВ рассеиваются практически изотропно. Вследствие этого их плотность мала: поперечное расстояние между квантами, рассеянными на пути 1 кпк, составляет ~ 0,3 кпк. Поэтому регистрация каскадных гамма-квантов в этой области энергий представляется затруднительной.
Проведенный анализ показал следующее.
1. В галактике М51 были ускорены протоны до энергий Ер > 3 • Ю20 эВ.
2. В процессе прохождения межгалактического пространства протоны взаимодействовали с реликтовыми фотонами, образуя электромагнитные каскады, в соответствии с [11 - 14]. Четыре гамма-кванта из этих каскадов, родившиеся непосредственно вблизи Галактики, и были зарегистрированы на Тянь-Шаньской высокогорной установке [1].
3. В области энергий 10 кэВ - 10 МэВ регистрация электромагнитных каскадов представляется затруднительной.
Автор благодарит Г. Т. Зацепина, поддержавшего эту работу. Автор признательна В. А. Догелю, А. В. Засову, И. Г. Митрофанову, А. И. Никишову и И. JI. Розенталю за обсуждения и Ю. Г. Балашко за критические замечания по рукописи.
Приложение
Обратное комптоновское рассеяние е + 7ге/ —> е' + 7'.
а) Энергия электрона Ее » m\¡tTe\ = 4 • 1014 эВ.
Сечение а1С = (3/8)<тт(те/е)[1п(2б/те) + 0,5]. Здесь е = (Ее/те)еге1 » те; средняя энергия рассеянного фотона < Е~у >~ Ее.
б) Энергия электрона Ее « 0,25m2e/erel ~ 1014 эВ. aIC = от; < Е^ >-(4/3)бrei(Ee/me)2 ж 3,6 • Ю-16^; энергия электрона, рассеивающего 7-кванты энергии Е^,Ее = (me/2)x/(3£7/ereí) и 1,7 •
в) Углы рассеяния. В системе покоя электрона a¡c имеет резкий максимум в конусе .v}c < \f{mele*Te¡), cric —> <?т при v*IC —> 0. В системе наблюдателя tgi/¡с = (1 /7b)sini/Jc/(cosu}c + /3*//3) ~ ^с/27, 7 = Ее/те, /3* и 1 - скорость электрона в лабо раторной системе (JIC), /3 и 1 - скорость системы электрона относительно JIC.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Н и к о л ь с к и й С. И., С т а м е н о в Й. Н., У ш е в С. 3. ЖЭТФ, 60. 10 (1984).
[2] N i к о 1 s к у S. I., Stamenov J. N., Ushev S. Z. J. Phys. G: Nucl. Phys.. 13, 883 (1987).
[3] К а к i m о t о F. et al. Proc. 20th ICRC, Moscow, 1987, v. 1, p. 307.
[4] S u g a K. et al. Proc. 20th ICRC, Moscow, 1, 310 (1987).
[5] К а г а к u 1 a S., Stamenov J. N., T к a s z у к W. Proc. 19th ICRC, La Jolla, 1985, v. 1, p. 268.
[6] А г a p о н я н Ф. А., Мамиджанян Э. А., Никольский С. И., T у к и ш Е. И. Астрофизика, 23, 55 (1985).
[7] У р ы с о н А. В. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 10, 56 (1988).
[8] Березинский В. С., Буланов С. В., Гинзбург В. JL, Догель В. А., Птускин В. О- Астрофизика космических лучей,' М., Наука, 1990.
[9] S a m о г s к у М., Stamm W. Ар. J., 268, 17 (1983).
[10] J е 1 1 е у J. V. Phys. Rev. Lett., 16,, 749 (1966).
[11] G г е i s е n К. Phys. Rev. Lett., 16, 748 (1966).
[12] Зацепин Г. Т., Кузьмин В. А. Письма ЖЭТФ, 4, 114 (1966).
[13] И а у а к a w a S. Progr. Theor. Phys., 37, 594 (1966).
[14] Р г i 1 u t s к у О., Rozental I. L. Acta Phys. Hungar. Suppl. 1, 29, 51 (1970).
[15] Particle Grop Data. Review of particle properties. Phys. Rev., D50, 11 (1994).
[16] В e r e z i n s к у V. S., G r i g о r ' e v a S. I. Proc. 16th ICRC, Kyoto, 1979, v. 2, p. 81.
[17] Засов А. В. Частное сообщение, 1995. Липовецкий В. А., Неизвестный С. Н., Неизвестная О. М. Каталог сейфертовских галактик. Сообщ. САО АН СССР, вып. 55, 1987.
[18] Озерной Л. М., Прилуцкий О. Ф., Розенталь И. Л. Астрофизика высоких энергий, М., Атомиздат, 1973.
[19] Hayakawa S., Y а то то to Y. Progr. Theor. Phys., 30, 71 (1963).
[20] Берестецкий В. Б., Л и ф ш и ц Е. М., Питаевский Л. П. Квантовая электродинамика. (Теоретическая физика, т. 4) М., Наука, 1995.
Поступила в редакцию 28 декабря 1995 г.
