Возможный механизм генерации космических лучей. Учёт быстрых частиц

2015

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Сер. 4. Том 2 (60). Вып. 1

КРАТКИЕ НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 530.1

А. Г. Сыромятников

ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ. УЧЁТ БЫСТРЫХ ЧАСТИЦ

ООО «Спектр-микро», Российская Федерация, 191036, Санкт-Петербург, Лиговский пр., 29А, пом. 12-H

В рамках предложенного ранее механизма генерации космических лучей по способу прямого преобразования внегалактического гамма-излучения (а также мазеров и рентгеновских барстеров) в ток на спиновых ударных волнах произведён учёт быстрых частиц в сравнении с профилем интенсивности галактического диффузного гамма-излучения по данным большого космического телескопа гамма-излучения (GLAST). Это выполнено в рамках модели 8-ки спиновых ударных волн, базирующейся на точном решении уравнений Максвелла для пылевидной среды заряженных частиц в плоском пространстве. Параметры группы, такие как углы Эйлера и лоренцевы бусты оказались локализованы. Таким образом, они стали функциями координат и времени. В результате было найдено, что лоренцевы бусты являются функциями решения волнового уравнения. Для малых углов модель спиновой 8-ки подобна фундаментальной 0(3) модели. Получено хорошее согласие теории с наблюдаемой анизотропией галактического гамма-излучения. Библиогр. 6 назв. Ил. 2.

Ключевые слова: галактические гамма-лучи, спиновые ударные волны, модель спиновой 8-ки, GLAST.

A. G. Syromyatnikov

POSSIBLE MECHANISM OF SPACE RAYS GENERATION. ULTRARELATIVISTIC PARTICLES CALCULATION

OOO "Spectrum-micro", room 12-H, 29A, Ligovskii pr., St. Petersburg, 191036, Russian Federation

Within the frame of the space rays generation mechanism by direct transformation of intergalaxy gamma-rays (as well as masers and X-ray barsters) into the current on spin shock-waves, the calculation of the ultrarelativistic particles in comparison with gamma-ray large area space telescope (GLAST) data was carried out. This was done within the frame of the eight spin shock wave model, which is based on an accurate solution of the Maxwell equations for a dust-like medium of charged particles in the flat space. Parameters of the group, such as Euler's angles and Lorentz boosts, were all localized. In this way, they became functions of space coordinates and time. As a result, it has been found that the Lorentz boost and Euler's angles are functions of the variable which satisfies the linear wave equation. For small angles, the eight spin model is similar to the fundamental 0(3) model. A reliable agreement has been obtained between the theory and an observable anisotropy of galaxy gamma-rays. Refs 6. Figs 2.

Keywords: galaxy gamma-rays, spin shock-waves, 8 spin-flip model, GLAST.

В галактической гамма-астрономии гамма-излучение производится действием космических лучей. Космические лучи на 90% состоят из электрически заряженных протонов и несут электрический ток. Галактическое гамма-излучение характеризуется резкой анизотропией долготного распределения (энергии более 70 МэВ) в полосе галактических широт ±10° (рис. 1). С учётом излучения от более высоких широт в области центра Галактики далее 20° (крайнее значение по теории) диффузное излучение уменьшается до амплитуды линии среднего уровня. Источниками могут быть и рентгеновские барстеры [1] — вспыхивающие с интервалом от нескольких минут до нескольких десятков часов. Время развития вспышки 0,1-5 с, время затухания 3-100 с. Большинство барстеров расположено в пределах 30° от направления на галактический центр, что свидетельствует об их принадлежности к сферической подсистеме Галактики. Абсолютная рентгеновская светимость барстеров во время вспышки 1037-1038 эрг/с, полная энергия излучения за это время в рентгеновском диапазоне 1038-1039 эрг. Между вспышками барстеры являются медленно меняющимися рентгеновскими источниками на два порядка меньшей светимости и с энергией фотонов меньше 15 кэВ. Радиус излучающей области оценивается в 10 км. Для трёх барстеров наблюдались рентгеновские и оптические всплески излучения (с запаздыванием 3 с). Принято, что барстеры представляют тесную двойную систему из красного карлика и нейтронной звезды. Рентгеновское излучение барстера в спокойной фазе обусловлено выделением гравитационной энергии вещества, аккрецируемого нейтронной звездой. По теории [1] в момент загорания водорода или гелия аккрецируемого слоя развивается тепловая (гелиевая) вспышка, приводящая к лавинообразному выходу энергии за короткое время в виде рентгеновского

^ Галактическая долгота, град.

Рис. 1. Долготное распределение галактического гамма-излучения [1] За (энергии более 70 МэВ) в полосе широт ±10° (линия по всему диапазону долгот) в сопоставлении с распределением галактических токов по фундаментальной модели спиновой 8-ки, построенной (тонкая линия, отходящая от верхних концов двух жирных вертикальных отрезков, начинающихся на горизонтальной линии среднего уровня) от линии среднего уровня гамма-излучения в сравнении с данными [2, 3]:

вверху имеется чёткий пик вблизи долготы —50° в полном соответствии с теорией

излучения. Кроме того, обнаружены несколько гамма-барстеров, источников кратковременного гамма-излучения в созвездии Орла и др.

В [5] предложен механизм генерации космических лучей по способу прямого преобразования внегалактического гамма-излучения (а также радиочастотных мазеров и рентгеновских барстеров) в электрический ток на спиновых ударных волнах в нейтральной межзвёздной среде.

Задача рассматривалась в следующей постановке. Генерация токов в наземном эксперименте ИОФАН по фокусировке радиоволн на диэлектрической мишени (см. ссылку в [5]) происходит в диапазоне углов от 32 до 104° от оси анизотропии по направлению навстречу падающему излучению. Токи проходили через кольцевые поверхности, расположенные вдоль оси (принятой за ось анизотропии) исходного, падающего потока излучения. Обратные токи, распространяющиеся по направлению падающего излучения, ограничены предельным углом 104°. Теория позволяет определить распределение таких токов по углам, отсчитываемым от оси анизотропии. Генерация токов в модели спиновой 8-ки (см., например, [4, 5]) во внутреннем конфигурационном пространстве происходит в том же самом диапазоне углов от 32 до 104° от оси анизотропии. При задании размера мишени по теории был определён полный электрический заряд 0,01 Кл, характерный для данных процессов. При наблюдении галактического излучения имеется возможность измерения его интенсивности только на единицу поверхности, а не через всю кольцевую поверхность. Тем не менее, исходя из симметричности распределения токов вдоль кольцевой поверхности, что имеет место в наземном лабораторном эксперименте, в [5] это полагалось выполненным и для галактического излучения. Тогда сопоставление между величиной тока через кольцевую поверхность по теории в пересчёте по Галактической долготе и интенсивностью излучения на единицу этой поверхности становится более определённым.

Для уяснения задачи в такой постановке был подвергнут теоретической обработке импульс дискретного источника излучения — рентгеновского барстера в зависимости от времени. За время импульса согласно теоретической модели вектор тока пробегает тот же диапазон углов во внутреннем конфигурационном пространстве, что и участок галактических долгот. На рис. 2 [5] построен импульс рентгеновского барстера МХВ 1730-335 обычного 1-го типа (запись вспышки осуществлена аппаратурой ИСЗ «Астрон», 1983 [1]) в сопоставлении с импульсом тока фундаментальной модели 8-ки спиновых ударных волн, отложенным от фона (28 отсчётов за 0,83 с). Барстер расположен далеко от галактической плоскости. Поэтому поглощением в структуре Галактики можно было пренебречь. Было достигнуто точное согласие генерируемых токов (теория) с излучением барстера, характеризуемое стандартным отклонением ±1% по интенсивности в относительных единицах в пределах чувствительности аппаратуры. Тем самым установлено, что закон сохранения спинового углового момента (уравнение динамики спиновых ударных волн) в рентгеновском диапазоне выполнен точно в реальном времени. С другой стороны, согласно теореме Нётер, сохранение спинового углового момента означает изотропность пространства-времени.

Далее, несмотря на то что положение источника падающего излучения заранее неизвестно, ось анизотропии можно определить, но только в конце по результатам сопоставления углового распределения наблюдаемой интенсивности излучения и теории.

Были получены следующие результаты.

Ось анизотропии (см. рис. 1, внизу) при удовлетворительном согласии между распределениями гамма-излучения галактического центра и спиральных рукавов с одной стороны, и токов — с другой, определена по галактической долготе 278° (—82°). Это

Bubbles show energetic spectrum and sharp edges

Credit: NASA/DOE/f erm> LAT/D. Fmkbetner el al

Рис. 2. Снимок гамма-излучения двух сфер диаметром 25'000 св. лет с точкой касания в центре Галактики [4]: в углу справа яркость на краю сферы, ограниченной 20° галактической долготы, вдвое превышает яркость диффузного излучения (его интенсивность здесь ниже среднего уровня); в углу слева приведён спектр гамма-излучения сферы, характеризуемый поглощением около 600 ГэВ

находится вблизи самого мощного внегалактического источника Парус-Х (туманность с пульсарами, с пульсарами, образовавшаяся после взрыва Сверхновой). Согласно предложенному механизму генерации космических лучей, ось анизотропии падающего излучения должна быть направлена навстречу диффузному гамма-излучению по галактической долготе 96-98° (равной —82 + (—84) + 180°; определение конкретного источника выходит за рамки настоящей статьи). По всей видимости, именно оттуда в нашу Галактику поступает исходное гамма-излучение, преобразующееся затем в электрически заряженные космические лучи. В проекции галактической плоскости на плоскость эклиптики во второй экваториальной системе координат в диапазоне галактических широт 18-20° ось анизотропии имеет прямое восхождение а = 265 + 270°.

Тем самым было получено экспериментальное подтверждение в данных процессах в диапазоне галактических долгот (—82°, 20°) справедливости закона сохранения спинового углового момента электромагнитного поля как части полного углового момента. Это обусловлено тем, что в рассматриваемых процессах с переворотом спина на фронте спиновой ударной волны интегральное сохранение спина выполнено за счёт расширения класса решений в обобщенных функциях скачков.

Особое место в задаче выхода гамма-квантов занял участок галактических долгот 20-40°, где явно сказывалась недостаточность ограничения данных полосой широт ±10° и требовался учёт источников до 30° галактической широты, а также который предполагалось рассматривать с учётом возможных эффектов квантовой гравитации с ненулевым кручением.

В настоящей работе все эти вопросы рассмотрены в сопоставлении теории спиновой 8-ки с профилем интенсивности галактического диффузного гамма-излучения, а также гамма-излучения от сферы в центре Галактики, по данным большого космического телескопа гамма-излучения (GLAST) [2, 3].

При этом учтены кроме полосы ±10° по галактической широте, дополнительное гамма-излучение двух сфер диаметром 25'000 св. лет с точкой касания в центре Галактики (см. рис. 2). В углу справа яркость на краю сферы, ограниченной 20° галактической долготы, вдвое превышает яркость диффузного излучения (его интенсивность здесь вблизи и ниже среднего уровня). Это демонстрирует, что диапазон сопоставления наблюдаемого распределения гамма-излучения с теоретическим по галактической долготе (интенсивностью выше среднего уровня) в действительности ограничен сверху 20° (104° спиновой 8-ки) в точном соответствии с теорией.

Обе сферы можно рассматривать как квантово-полевой вакуумный конденсат гра-витирующих спиноров [6] из гелия-3, для которого расчётная величина диаметра сферы конденсата по теории составляет 30'000 св. лет.

В углу слева приведён спектр гамма-излучения сферы, характеризуемый поглощением около 600 ГэВ. Теоретически [6] данное поглощение может отвечать порогу различия инертной и гравитационной масс \Мин. — Мграв.\ < 10~12Мин. частиц масштаба теории великого объединения (ТВО) 1015Мпр..

Во всех случаях выше 20° по галактической долготе интенсивность диффузного гамма-излучения, быстро спадает, так что теория спиновой 8-ки в сопоставлении с профилем интенсивности галактического диффузного гамма-излучения по данным большого космического телескопа гамма-излучения (GLAST), полностью отвечает экспериментальному распределению диффузного галактического гамма-излучения очень точно, во всём диапазоне по галактической долготе в пределах точности измерений в присутствии внегалактических источников Паруса и др.

Всё это подтверждает сохранение спинового углового момента как части полного углового момента и изотропность пространства-времени в масштабе Галактики.

Литература

1. Физическая энциклопедия / гл. ред. А.М.Прохоров. М.: Сов. Энциклопедия, 1988. Т. 1. 704 с.

2. MizunoT., TakahashiT., TakahashiH. et al. Diffuse hard X-ray/gamma-ray emission from galaxy and local group of galaxies galactic diffuse emission // Fermi gamma-ray space telescope. URL: http://www.glast.gsfc.nasa.gov (дата обращения: 23.07.2014).

3. Stanley D. Hunter galactic diffuse gamma-ray emission, the EGRET model, and GLAST science // Fermi gamma-ray space telescope. URL: http://www.glast.gsfc.nasa.gov (дата обращения: 23.07.2014).

4. ПрошинЮ. Н., УсейновН.Х. Магнитный пробой с переворотом спина // Усп. физ. наук. 1985. T. 165, № 1. C. 41-87.

5. Сыромятников А. Г. Возможный механизм генерации космических лучей // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2012. Вып. 2. С. 108-112.

6. Сыромятников А. Г. Физические эффекты конформной калибровочной теории тяготения. Saarbrucken, Germany: LAP Lambert Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. 217 c.

Статья поступила в редакцию 25 сентября 2014 г.

Контактная информация

Сыромятников Александр Генрихович — ведущий научный сотрудник; e-mail: alsyromyatnikov@mail.ru

Syromyatnikov Alexandr Genrihovich — Leading Researcher; e-mail: alsyromyatnikov@mail.ru