CC BY
18
УДК 523.07
РЕЛЯТИВИСТСКИЙ НЕЙТРОННЫЙ ФАЙЕРБОЛ ОТ ВЗРЫВА СВЕРХНОВОЙ КАК ВОЗМОЖНЫЙ ИСТОЧНИК КИРАЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ. РОЛЬ ТОРМОЗНЫХ ФОТОНОВ
Г. А. Гусев, В. А. Царев
Развивается предложенная ранее идея о возможной роли нейтронов, освобождаемых при взрыве Сверхновой (СН), в качестве источника поляризованных электронов, вызывающих киралъную диссимметрию органических молекул в межзвездных газо-пылевых облаках. Нейтроны выносятся за пределы плотной оболочки СН релятивистским, нейтронным, файерболом, с. Лоренц-фактором 7 порядка 100. На ранней фазе этого выноса поляризованные электроны в результате тормозного излучения в плазме файербола порождают циркулярно поляризованные фотоны. Фотоны ультрафиолетовой части спектра с энергией около 5 эВ обладают высокой эффективностью киралъного воздействия. В благоприятном случае малого поглощения в межзвездной среде этот механизм может оказаться на два порядка более эффективным, чем киральное воздействие поляризованных электронов от того же файербола.
В последние годы ряд результатов, связанных с исследованием эволюции Земли и с астрофизикой, способствовал возрождению интереса к космическим сценариям происхождения жизни и проблеме "киральной чистоты" биосферы (см., например, [1]). В частности, в работе [2] предложен механизм кирального воздействия потоками поляризованных электронов от распадов нейтронов, которые возникают при взрывах Сверхновых. Эта модель была развита далее в [3] на основе представления о нейтронном
файерболе (см. [4, 5]). С учетом более реалистического сценария взаимодействия плазмы файербола с межзвездной плазмой был подтвержден результат работы [2], и для полного числа киральных взаимодействий с органическими молекулами в газопылевом облаке получена оценка ~ 1054.
Это число более чем на 30 порядков превышает число Л'т1П = 1022 — 1024, которое необходимо для того, чтобы киральное воздействие, произведенное облучением прото-солнечного облака поляризованными электронами от СН, было статистически существенным.
Оценим теперь возможную роль тормозных фотонов. Следуя работе [2], будем предполагать, что на некотором расстоянии Ь < 15 пк от СН находилось газопылевое облако со следующими типичными параметрами: размер облака Я ~ 1 пк, плотность п ~ 101 молекул/см3, доля органических молекул С ~ Ю-3. Для описания фаейрбола будем использовать параметры из работы [3]: масса нейтронов в файерболе равна примерно 0.01 массы Солнца (что соответствует числу нейтронов около — 10^, для файербола от нейтронной звезды это, по-видимому, максимальное значение).
Как отмечено в [3], значительную долю барионного состава сильно релятивистских файерболов должны составлять нейтроны, которые в самом начале взрыва могут иметь Лоренц-фактор Г„ = 102 — 103. На расстояниях В, ~ 1015 см происходит разделение нейтронной и первоначальной плазменной оболочек файербола. Как известно, нейтроны в системе покоя распадаются со средним временем жизни тр « 900 с, так что средний распадный радиус для релятивистских нейтронов с Лоренц-фактором Гп составляет Яр = с ■ тр ■ Гп — 0.8 • 101О(Гп/300) см. Распад нейтронов приводит к образованию дополнительной протон - электронной релятивистской плазмы, взаимодействующей с фоновой космической холодной плазмой малой плотности. Благодаря пучковой неустойчивости, развивающейся за времена порядка нескольких периодов плазменной ионной частоты, релятивистская плазма довольно быстро тормозится до нерелятивистских скоростей.
В работе [4] показано, что существует некое характерное расстояние Ям, когда плазменный файербол затормозится до нерелятивистских скоростей /? « 0.5, что для типичных условий в окрестности предсверхновой происходит при расстояниях
Ям « ЮЯр = 0.8 • 1017(ГП/300) см. (1)
После этого происходит дальнейшее торможение плазмы файербола. В работе [3] было рассмотрено "прямое" киральное воздействие поляризованных электронов от СН.
Однако эти электроны могут, вообще говоря, оказывать также "косвенное" киральное
ПА1 тт£1тт/-,'ттт*0 ттл^поплггпл» " ггтгллл'ттттлтттт 1 т/чп/ч" ттягл/зо гч/лм/ ттоттт*а тттжгчт/тгттгтгчттл
х илхч^ ^ о. ^ д. ^ хх^-хх 1ЧИ\У1 V
поляризованных тормозных фотонов в УФ области спектра (5-10 эВ), которые могут генерироваться из файербола на начальной стадии его эволюции, когда плотность его плазмы велика. При этом, если для распадных электронов характерная длина генерации тормозного излучения сравнима с размерами файербола, то вероятность тормозного излучения значительна. В начальной стадии файербол имеет большой Лоренц-фактор 7 и потому при переходе в систему координат, связанную с межзвездной средой, энергия фотонов увеличивается в 7 раз. Это означает, что для оценки потока фотонов с низкими энергиями, которые существенны для эффектов кирального воздействия, следует рассматривать очень мягкие тормозные фотоны в сопутствующей системе координат и учитывать, что степень их поляризации пропорциональна энергии. Она значительна лишь в высокоэнергичной части спектра тормозных фотонов.
Сделаем оценку для вероятности тормозного излучения электронов из рассмотренного выше файербола в УФ области спектра, используя формулу для полного сечения [6], проинтегрированного по скоростям рассеянного электрона:
, ,, 16 , , с2, V + у' ¿ш . .
¿а/¿из = —г2аг1— 1п--. (2)
3 " V* V — V' ш
Здесь ^ - заряд ядра, а - постоянная тонкой структуры, ге - классический радиус электрона, V1 - скорости падающего и рассеянного электронов, ш - частота излученного фотона. Из (2) находим, что для электронов со средней энергии 400 кэВ, которые в системе файербола дадут фотоны с энергией 0.015-0.03 эВ, сечение тормозного излучения составляет а « 7 • Ю-26 см2. Оценим среднюю плотность плазмы вблизи фронта файербола на расстояниях II = 1015 см, чтобы оценить длину тормозного излучения фотонов таких энергий. При условии, что ~ 10% из числа 1055 нейтронов к этому моменту распадутся, плотность плазмы составит около 1012 см-3. При этом длина тормозного излучения таких фотонов I = 1/па равна 1.5 • 1013 см, то есть она существенно больше толщины оболочки файербола в продольном направлении на начальной стадии развития файербола. Это означает, что в продольном направлении вероятность излучения фотонов мала 3 ■ Ю-2). И только под большими углами каждый электрон даст фотон с вероятностью, близкой к 1. Для оценки по порядку величины занизим несколько результат и будем считать длину взаимодействия, на которой генерируются соответствующие фотоны, во всех направлениях порядка 1012 см. Это дает для числа излученных тормозных фотонов значение 3-1052. При переходе в систему координат межзвездной среды эти
фотоны станут УФ фотонами с энергиями 5-10 эВ. При этом степень их циркулярной поляризации будет всего 3 • Ю-8 (спиральность фотонов инвариантна при преобразованиях Лоренца), так как они происходят от фотонов с энергиями 0.015-0.03 эВ. Тем не менее, из-за того, что эффективность кирального воздействия циркулярно поляризованных фотонов превышает на 11 порядков таковую для поляризованных электронов, способность фотонов к киральному воздействию оказывается большей на два порядка с лишним, чем для электронов (для электронов 1054 взаимодействий при эффективности Ю-12, пля топмозньтх (Ьотонгт 3 • 1052 иза.имолейг.твий пои эффективности 6 • Ю-9).
----/ г ' ± А •• 1 1 ^ /
Для получения окончательной оценки осталось учесть поглощение УФ фотонов в плазме файербола и в межзвездной среде на пути порядка 10-15 пк. Для плазмы фай-ербола коэффициент поглощения может быть вычислен по формуле [6]:
9 44. 1П"37 - ( / Ьл,\\
а = .АГГА.ЛЗ I 1 " ехР I ) ) СМ"'- (3)
V / \ Ч '»-*■ е/ /
Здесь к - постоянная Ьольцмана. Подставляя для энергии фотонов Ьи и электронной температуры Те, соответственно, значения 0.01 эВ и 100 эВ, получим для длины поглощения величину 1.5 ■ 1015 см. Отсюда следует, что все тормозные фотоны выходят из файербола практически без поглощения.
При движении фотонов в межзвездной среде, в том случае, если в ней отсутствует нейтральная компонента, длина поглощения оказывается очень большой. Так, даже при плотности плазмы 1 см-3 и электронной температуре 1 эВ для УФ фотонов с энергией 10 эВ она составляет порядка 1038 см. Таким образом, если в пространстве между СН и газопылевым облаком нет нейтрального газа, который за счет фотоэффекта мог бы поглотить УФ фотоны, эффект от тормозных УФ фотонов оказывается на два порядка больше, чем эффект от поляризованных электронов.
Оценим теперь потери ультрафиолетовых фотонов из-за фотоэффекта при наличии нейтрального газа. Для этого воспользуемся хорошо известной формулой для сечения фотоэффекта [6]
а = (32^/3)тгг2а4г5(т0с2/Л1/)7/2, (4)
гпе гпп - масса покоя электрона, а V - частота фотона. Нетрудно понять, что из формулы (4) при энергии фотонов 10 эВ при обычно принятой модели обилия элементов максимальное поглощение таких фотонов за счет фотоэффекта дает цезий из-за большой величины г и низкого потенциала ионизации. Так что оно будет очень велико в случае холодной межзвездной среды с плотностью нейтралов около 0.1 см-3. С другой стороны, хорошо известно, что от 40 до 70% объема межзвездной галактической среды
имеют существенно меньшую плотность и высокую температуру: п ~ Ю-2 — 10~4 см-3 и Т ~ 10° К. Беря среднюю плотность п ~ 10-с> см~° и степень ионизации цезия около 90%, получим для вклада цезия в поглощение фотонов на расстояниях L от СН порядка L — 10 пк весьма большую величину оптической толщи т = La ~ 6. В результате число фотонов уменьшится в 2.5 • 10_3 раз, то есть вклад в таких условиях будет сильно подавлен, и вклад поляризованных электронов становиться в 4 раза сильнее. Отметим, что в работе [7] рассматривалось заметно большее поглощение. Стоит заметить, что при степени ионизации цезия на уровне 99% поглощение фотонов из-за фотоэффекта становится небольшим, число фотонов убывает всего в два раза. Точно так же, при взрыве СН в непосредственной близости от газопылевого облака или непосредственно в нем киральное воздействие циркулярно поляризованных УФ фотонов, порожденных файерболом, является доминирующим.
jl» заключение СГЦС pelo ТЮДЧСрККСГу!^ ЧТО рСЛ-ЯТ ивистский файербол от СН является эффективным механизмом длх вышеа нейтринив за, пределы ПЛОТНОЙ и сравниiельни медленно расширяющейся оЬолочки при взрыве СН. Эта оЬолочка препятствует выходу поляризованных электронов от распадов нерелятивистских нейтронов и быстро распадающихся изотопов, а также тормозного излучения УФ фотонов от этих электронов. Благодаря указанному выносу, слабой деградации поляризации электронов в межзвездной среде и сравнительно слабому поглощению У Ф фотонов (при отсутствии нейтральной компоненты до расстояний порядка 10 пк) релятивистский файербол является одним из перспективных кандидатов на роль ведущего механизма кирального воздействия СН на органические молекулы в туманностях, отдаленных от СН не более, чем на 10-20 пк. В то же время, если окажется, что релятивистский файербол рассмотренных размеров является мало вероятным событием при взрывах СН в пределах нашей Галактики, то киральное воздействие фаейрболов меньших размеров, которые более вероятны и сопровождаются менее мощным гамма всплеском ниже порога регистрации (потому они и не наблюдаются), по-прежнему остается возможным лидирующим механизмом по сравнению с остальными механизмами [2]. В предыдущей нашей работе [3] указывалось, что представляется интересным рассмотреть эффект кирального воздействия от /3 - распада радиоактивных изотопов расширяющейся оболочки СН, суммарный эффект от которых может быть значительным и способен конкурировать с рассмотренными механизмами для малых файерболов.
Авторы выражают благодарность за обсуждение и стимулирующие замечания Я.Н. Истомину.
Работа частично паггц'ржани грантом 1'ФФИ N 05-02-ЗУЛ2р.
ЛИТЕРАТ У Р А
[lj Bonner W.A. Origiüs of Lifr and Evol. Biosphnrcs 21, 407 (1Ш).
[2] Сайте Т., Царев В. А. Краткие соо&шепня по физике ФИ Ali, Nu. Я. 16 (20 СИ!
[У] Гусев 1\ Д.. Полунина Н, Г., Царев R. А,, Урыглн Д. В, Кратки с «хищения по
физике ФИ АН, Nu. 7, 26 (2007). 4] BeioborotW А. М. ApJ .-»SS, L19-L23 (2003), {5] Belobtunuduv А. М. ApJ SSS, (2003).
jlj J 1ифш>Щ E. M-, FIhteusbcjchü Л.П. Релятивистская к^л нтонал Т^ирия, час i ь 2 i М Паука. 11J71J.
fTj Gusev G. A-, Saii.:> j ., laaiev V, A-. Üryson л. V. ÜngiTis ui' Liie an^i i'"voi. Hiot:|.inerej 37 (2007, н печати).
Поступила и (jrtSHAKTCKK) 2ö ащжтя 2007 i
