CC BY
22
УДК 537.591
О ВОЗМОЖНОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ ВКЛАДА ИСТОЧНИКА ВЭЛА В ПОТОК ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
В. А. Царев, В. А. Чечин
Проведены расчеты вкладов нескольких ближайших и наиболее молодых источников космических лучей (остатков сверхновых) в спектр адронов в области энергий "колена" (3 ПэВ) и электронов в области энергий > 1 ТэВ. Показано, что основной вклад в указанных областях ожидается от источника Вэла.
Одной из важнейших задач астрофизики космических лучей (КЛ) является изучение источников частиц КЛ высоких энергий. В общем случае решение этой задачи затруднено, поскольку перемешивание космических лучей при их движении в межзвездных маг нитных полях приводит к потере информации относительно вкладов отдельных источников. Были указаны, однако, два исключения, когда эту информацию можно получить из прямых измерений (а) спектра космических электронов при энергиях > 1 ТэВ [1] (см. также работу [2] и приведенные в ней ссылки) и (б) спектра и состава адронов КЛ в области энергий "колена" « ЗПэВ [3].
Потери энергии на синхротронное излучение и обратное комптоновское рассеяние приводят к резкому обрезанию спектра электронов, испущенных источником возрастаX, при энергии Етах{1) « 1/Ы яз 3 х 105/£ (год ТэВ). Поэтому электроны тэвных энергий имеют возраст не более я» 3 х 105 лет и в процессе диффузии не могут отойти от источника на расстояние, больше чем г яз 2\/ТЙ, « 500 пк, где .0(1 ТэВ) « 1029 см2/с коэффициент диффузии.
Для адронной компоненты К Л было высказано предположение [3], что вклад близких источников мог бы быть существенным на фоне вкладов от всех остальных (далеких) источников при энергиях в окрестности максимальной энергии ускорения в оболочках сверхновых (ОСН) Етах « (105 — 106)Z ГэВ [4], где Ze - заряд ядра КЛ. Используя
вычисленную в [4] форму спектра ОСН вблизи Етах и учитывая вклад легких, средних и тяжелых ядер, авторы [3] смогли феноменологически воспроизвести нерегулярность ("колено") в спектре КЛ при Е ~ 3 ПэВ, включая тонкую структуру, найденную ими из анализа данных по ШАЛ.
В работе [5] был проведен совместный анализ вкладов в электронную и адронную компоненты К Л от известных наиболее близких и молодых ОСН [6]. Для вычисления спектров частиц, ускоренных в ОСН, использовался "гибридный" подход, основанный на простой "онионной" модели (ОМ) [7], на которую накладываются ограничения, следующие из более строгой кинетической теории [4]. Было показано, что из полутора десятков известных в настоящее время источников, расположенных в пределах 1 кпк от солнечной системы (при опубликованных значениях возраста и расстояния), наиболее существенный вклад в адронную и электронную компоненты КЛ в рассматриваемых областях энергии вносит наиболее молодой из рассмотренных источников Моногем.
Е2 75сШ/(с1Е А с1 П), ГэВ1 ?5(м2 с стер)
аду<1(18Е)
. б 1
Г 1
'Ч
' 1 /Ч. 1 1 Г 1
1 11111111 . 1 11 на 1 111 ■ 1111- .........
10'
10
106 ю7
10
Е, ГэВ
Рис. 1 .а) Спектр адронов космических лучей от четырех локальных источников, б) Наклон спектра адронов А1пЗ/¿1пЕ.
Существуют, однако, данные, согласно которым наиболее молодым из ближайших источников оказывается Вэла: расстояние 200 пс и возраст 0.22—0.29)-105 лет [8]. Новое уточненное значение расстояния существенно меньше тех значений, которые приводились в более ранних публикациях (» 500 пс). Следовательно, вклад этого источника может оказаться наиболее существенным в обсуждаемой нами области энергий.
В настоящей работе, в рамках использованного нами ранее подхода [5], мы проводим оценку вкладов в спектры КЛ от источника Вэла совместно с тремя другими наиболее
существенными источниками, рассмотренными в [5]: (1) - Моногем, (2) - Петля-1 и (3) Геминга, параметры которых - возраст (х105 лет) и расстояние (хЮО пк), взяты из [6]: 1.1 и 3; 2 и 1.7; 3.4 и 3, соответственно. Результаты расчетов приведены на рис. 1 и 2.
На рис. 1а показаны результаты расчетов спектров адронов. Фоновый вклад далеких источников аппроксимировался двумя экспонентами (сглаженными на интервале 0.1 10 РэВ), описывающими экспериментальный спектр К Л до и после "колена".
3 2 2
Е <15 ск <Ю), электрон-ГэВ /(м сстер)
Е, ГэВ
Рис. 2. Спектр космических электронов от четырех локальных источников.
На рис. 2 приведено сравнение с экспериментальными данными результатов аналогичных расчетов для электронов. При вычислениях использовались те же значения, что и для протонов для параметров Б, а (темп инжекции) и энергии инжекции Е0 (Рт.? = у/2тЕ0). На рисунке вклады отдельных источников показаны пунктирными кривыми, фон от далеких источников (взят из нашей предыдущей работы [2]) - точечной кривой, а суммарный спектр - сплошной кривой.
Как видно из рисунков, в указанном подходе при выборе общепринятых значений
параметров для сверхновых и межзвездной среды и одинаковых значениях энергии ин-жекции и распространенности для протонов и электронов удается удовлетворительно описать как спектр адронов в области "колена", так и спектр электронов при тэвных энергиях. При этом согласующееся с экспериментом соотношение между потоками ускоренных электронов и протонов возникает, фактически, как следствие разницы в массах этих частиц при равных энергиях их инжекции: ос (р® ■ /pf71J)9-3 = (те/тРУч~3^2. Как и в [3], "тонкая структура" в области колена (рис. 16) обусловлена вкладами отдельных ядер. Видно, что для согласия с экспериментальными значениями наклона спектра (усредненные значения показаны на рис. 16 штрихованной линией) требуется предположить существенное обогащение состава источника средними и тяжелыми ядрами по сравнению со стандартным составом. Для примера на рис. 1а и 16 штрих-пунктирной линией показаны результаты вычислений, при которых концентрация средних и тяжелых ядер в источнике увеличена на порядок по сравнению со стандартной. Что касается вкладов отдельных источников, то, как и ожидалось, и для адронной компоненты в области "колена", и для электронной при Е > 1 ТэВ наиболее существенным является самый молодой из рассмотренных здесь источников - Вэла. Для электронов это очевидное следствие зависящего от возраста обрезания спектра. Для адронов это обусловлено тем, что в факторе t~3^2exp(—r2/ADt), возникающем при учете диффузии, для всех рассмотренных источников экспонента близка к единице, зависимость oi расстояния фактически отсутствует, и относительные вклады отдельных источников определяются только их возрастом.
Таким образом, измерение электронной и адронной компонент потока KJI в указанных областях энергии может дать информацию о наиболее молодом из ближайших к нам рассмотренных источников - Вэла.
Авторы благодарны А. Д. Ерлыкину, обратившему наше внимание на новые данные относительно источника Вэла.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект 98-02-17157.
ЛИТЕРАТУРА
[1] S h е п С. S. Astrophys. J., 162, L181 (1970).
[2] С h е с h i п V. А. et. al. to be published in Proc. Cosmion Conference, Moscow, 1997.
[3] E r 1 у k i n A. D. and W о 1 f e n d a 1 e A. W. Astroparticle Phys., 7. 1 (1997).
[4] Б e p e ж к о E. Г. и др. ЖЭТФ, 109, вып. 1, 3 (1996).
[5] Ц а р е в В. А., Ч е ч и н В. А. Доклад на Всероссийской конференции по космическим лучам, Москва, 1998, будет опубликован в Докладах РАН.
[6] N i s h i m u r a J. et al. Proc. 24th ICRC, Rome, 3, 29 (1996).
[7] В о g d a n T. J. and Volk H. J. A & A, 122, 22 (1983).
[8]Aschenbach В., Egger R., and Trumper J. Nature, 373, 587 (1995).
I
Поступила в редакцию 6 ноября 1998 г.
