Irkutsk, Russian Federation
The paper discusses the possibility of particle acceleration up to ultrahigh energies in the relativistic waves generated by various explosive processes in the interstellar medium. We propose to use the surfatron mechanism of acceleration (surfing) of charged particles trapped in the front of relativistic waves as a generator of high-energy cosmic rays (CRs). Conditions under which surfing in these waves can be made are studied thoroughly. Ultra-high-energy CRs are shown to be obtained due to the surfing in the relativistic plane and spherical waves. Surfing is supposed to take place in nonlinear Langmuir waves excited by powerful electromagnetic radiation or relativistic beams of charged particles, as well as in strong shock waves generated by relativistic jets or spherical formations that expand fast (fireballs).
cosmic rays, space plasma, relativistic waves
ВВЕДЕНИЕ
Взрывные процессы - достаточно частые явления в космической среде. Примером могут служить взрывы сверхновых, вспыхивающие рентгеновские звезды - барстеры, активные процессы в ядрах галактик, квазаров и т. п. Типичные взрывные процессы - солнечные вспышки постоянно наблюдаются на Солнце - ближайшей к Земле звезде. Многие взрывные явления характеризуются огромным выделением энергии, часть которой переходит в кинетическую энергию движущегося вещества, разогнанного до больших скоростей. Так, процессы, происходящие, например, в окрестности черных дыр, приводят к образованию релятивистских джетов - струй, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. С релятивистскими скоростями происходит сферическое расширение так называемых огненных шаров. После взрыва сверхновых остатки звезды расширяются с большими скоростями. Из-за уникальности явлений, сопровождающих взрывы в космосе, они в последнее время привлекают пристальное внимание исследователей.
Как правило, рассматриваемые взрывы происходят в среде, которая в типичных ситуациях является слабозамагниченной плазмой. Электромагнитные волны и пучки быстрых частиц, генерируемые при взрывах и затем распространяющиеся в межзвездной среде, могут возбуждать в плазме ленгмюровские волны большой амплитуды. Плазменные (ленгмюровские) волны большой амплитуды могут зарождаться в различных нелинейных процессах в плазме, но в основном их образование происходит либо за счет трансформации сильных электромагнитных волн в плазменные, либо в процессе развития неустойчивостей в плазме при движении в ней быстрых пучков заряженных частиц. В космосе мощное электромагнитное излучение наблюдается от пульсаров (магнитодипольное излучение), а также из областей, где происходят взрывные процеccы. Плазменные волны могут возникать в результате конверсии электромагнитных волн в гибридных резонансных слоях [Ерохин и др., 1989] или при распространении в плазме мощных пучков (кильватерные волны). Необходимо отметить, что в работе [Ерохин и др., 1989] впервые была высказана идея серфотроного ускорения до сверхвысоких энергий заряженных частиц в плазменных волнах и было показано, что в космической плазме за счет серфинга можно ускорить КЛ до энергий порядка 1020 эВ.
Очевидно, что при распространении быстродвижущихся возмущений вещества, выброшенного в среду в результате взрыва, образуются также ударные волны. Так, мощные релятивистские ударные волны образуются при быстром движении масс в окрестности черных дыр, в частности при выбросе релятивистских джетов; при столкновении нейтронных звезд в коллапсирующем звездном скоплении; при сферическом расширении в межзвездную среду огненных шаров и во многих других случаях. Например, вспышки на Солнце сопровождаются выбросами вещества, движение которого в гелиосфере приводит к образованию межпланетных ударных волн.
Мы полагаем, что ленгмюровские волны большой амплитуды и ударные волны, зарождающиеся в космической среде, - это наиболее вероятные источники частиц высоких энергий, ускоряющихся в окрестности фронтов нелинейных и ударных волн. При выяснении возможности использования релятивистских волн как генераторов космических лучей (КЛ) сверхвысоких энергий в первую очередь возникнет вопрос: а каков механизм ускорения частиц? Широко используемый в настоящее время механизм ускорения Крымского [Крымский, 1977] в ударных волнах, возбуждаемых взрывами сверхновых, не позволяет частицам набрать энергию более 1015 эВ [Бережко и др., 1988]. Более того, оценки, полученные в самом общем виде, показывают, что в принципе в остатках сверхновых невозможно ускорить частицы до энергий больше 1017 эВ [Кичигин, 2008]. Это связано с относительно невысокой скоростью расширения оболочки сверхновой. Для того чтобы получить энергии КЛ порядка 1020 эВ, т. е. предельные энергии КЛ, регистрируемые на Земле, необходимо рассматривать релятивистские ударные волны, скорость движения U которых близка к скорости света c, а соответствующий лоренц-фактор Г=(1-U2/c2)-1/2 много больше единицы.
К сожалению, применение механизма Крымского для ускорения частиц в релятивистских ударных волнах вызывает большое сомнение [Niemiec, Ostrowski, 2006; Деришев и др., 2007], следовательно, в этом случае необходимо привлекать другие способы ускорения частиц. Один из таких способов - конверсионный механизм ускорения частиц [Деришев и др., 2007]. Еще один возможный способ ускорения - серфотронное ускорение (серфинг) частиц, захваченных волнами большой амплитуды, распространяющимися в космической плазме [Сагдеев, 1964; Dawson, Katsouleas, 1983; Ерохин и др., 1989; Кичигин, 1995, 2001, 2003a, 2009; Кичигин, Строкин, 2007]. В настоящей работе мы рассмотрим принципиальную возможность получения сверхвысоких энергий КЛ (до 1020 эВ) за счет серфинга в релятивистских ударных волнах, образованных при движении в межзвездную среду вещества, разогнанного до релятивистских скоростей взрывными процессами. Мы не затрагиваем следующие вопросы: сколько частиц захватываются в волну и как это происходит, какие причины могут прервать ускорительный процесс, какие существуют каналы потерь энергии и каково их влияние на конечную энергию и т. п. Эти и другие аспекты, связанные с процессом сер-фотронного ускорения частиц, захваченных волнами, подробно проанализированы в работах [Кичигин, 2001, 2003a; Кичигин, Строкин, 2007].
_________________________________________________________________________________________________
* Впервые статья опубликована на английском языке в журнале "Advances in Space Reserch". 2013. V. 51. P. 309-314. На русском языке публикуется впервые по лицензии издательства.
1. Akhiezer A.I., Polovin R.V. To the theory of wave movements in electronic plasma // Doklady Akademii nauk SSSR. [Transactions of USSR Academy of Sciences]. 1955. vol. 102, pp. 919-927 (in Russian).
2. Berezhko E.G., Elshin V.K., Krymskii G.F., Petukhov S.N.Generatiya rosmicheskikh luchei udarnymi volnami [The generation of cosmic rays in shock waves]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1988, 179 p. (in Russian).
3. Dawson J.M., Katsouleas T. Unlimited electron acceleration in lazerdriven plasma waves. Phys. Rev. Lett. 1983, vol. 51, pp. 392-396.
4. Derishev E.V., Zheleznyakov V.V., Koryagin S.A., Kocharovskii Vl.V. Relativistic jets in astrophysics. Priroda [Nature]. Moscow, 2007, vol. 3, pp. 4-19 (in Russian).
5. Erokhin N.S., Moiseev S.S., Sagdeev R.Z. Relativistic surfing in nonuniform plasma and generation of cosmic rays. Pis’ma v Astronomicheskii zhurnal [Astronomy Letters]. 1989, vol. 15, no. 1, pp. 3-6 (in Russian). Sov. Astron. Lett. 1989, vol. 15, no. 1, p. 1 (in English).
6. Gehrels N., Ramirez-Ruiz E., Fox D.B. Gamma-ray bursts in the swift era. Ann. Rev. Astron.Astrophys. 2009. vol. 47, no 1, pp. 567-617.
7. Kichigin G.N. Research into the process of ion acceleration in the front of magnetoacoustic shock wave with the isomagnetic jump.Zhurnal eksperimental´noi teoreticheskoifiziki(ZhETF) [JETP].1992, vol. 101, p. 1487 (in Russian).
8. Kichigin G.N. Features of process of electron acceleration in surfatron. Zhurnal eksperimental´noi teoreticheskoi fiziki (ZhETF) [JETP]. 1995, vol. 108, pp. 342-1351 (in Russian). JETP. 1995, vol. 81, no. 4, p. 736 (in English).
9. Kichigin G.N. Surfatron mechanism of acceleration of cosmic rays in galactic plasma. Zhurnal eksperimental´noi teoreticheskoi fiziki(ZhETF) [JETP]. 2001, vol. 119, pp. 1027-1035 (in Russian).
10. Kichigin G.N. Model of the origin of cosmic rays in the Galaxy. Doklady Akademii nauk [Dokl. Phys.]. 2003a. vol. 392,pp. 470-473 (in Russian). Dokl. Phys. 2003, vol. 48, no. 10, p. 565 (in English).
11. Kichigin G.N. The theory of longitudinal plasma waves with allowance for ion motion. Fizika Plazmy. [Plasma Phys. Rep.]. 2003b, vol. 29, pp. 172-185 (in Russian). Plasma Phys. Rep. 2003, vol. 29, р. 151 (in English).
12. Kichigin G.N. About limiting energy of cosmic rays generated in supernovas remnants. Pis’ma v ZhETF. [JETP Letters]. 2008, vol. 87, pp. 403-405 (in Russian). JETP Lett. 2008, vol. 87, no. 7, p. 343 (in English).
13. Kichigin G.N. Surfing and generation of cosmic ray in relativistic shock waves. Zhurnal eksperimental´noi teoreticheskoi fiziki [JETP]. 2009, vol. 136, pp. 476-485 (in Russian). JETP. 2009, vol. 109, no. 3, p. 408 (in English).
14. Kichigin G.N. Explosive processes in space as an origin of ultrahigh-energy cosmic rays. Dokl. Phys. 2010, vol. 431, no. 1. p. 42 (in Russian).
15. Kichigin G.N., Strokin N.A. Protsessy energovydeleniya v kosmicheskoi plazme. Energy-Release processes in Space Plasma. Irkutsk, Irkutsk State Technological University Publ., 2007, 396 p. (in Russian).
16. Krymskii G.F. A regular mechanism for the acceleration of charged mparticles on the front ov a shock wave. Soviet Phys. Dokl. 1977, vol. 22, pp. 327-328.
17. Niemiec J., Ostrowski M. Cosmic ray acceleration at ultrarelativistic shock waves effects of a “realistic” magnetic field structure. Astrophys. J. 2006, vol. 641, pp. 984-990.
18. Sagdeev R.Z. Collective processes and shock waves in rarefied plasma. Reviewsof Plasma Physics, 1966. vol. 4, pp. 23-58.
