Delist.ru

Космические лучи ультравысоких энергий как инструмент астрофизических исследований (31.01.2008)

Автор: Урысон Анна Владимировна

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объем работы 125 страниц, в том числе 11 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 169 наименований.

Основные результаты, представленные к защите.

1. Проведенный анализ направлений прихода ливней с энергией E>4(1019 эВ показал, что возможными источниками космических лучей ультравысоких энергий являются активные галактические ядра. Возможно также, что активные ядра-источники обладают переменной активностью.

2. Анализ условий ускорения частиц в активных галактических ядрах показывает, что в простейшем случае начальные спектры космических лучей в источниках могут быть представлены как моноэнергетические или степенные. Показано, что спектр падающих на установку космических лучей ультравысоких энергий позволяет сделать выбор между этими двумя возможностями.

Ошибки измерений спектра космических лучей ультравысоких энергий в настоящее время велики. Данные, полученные на различных установках, не всегда согласуются. Данные ливневых установок Pierre Auger и HiRes указывают, что спектр частиц в источниках – степенной.

Из анализа измеренного спектра космических лучей ультравысоких энергий нами получено, что максимальная энергия ускоренных частиц в источнике не превышает E(1021 эВ.

3. Предложена модель, согласно которой химический состав космических лучей ультравысоких энергий зависит от того, в каких источниках были ускорены частицы: ближних, в радиусе до 40 Мпк от нас, или дальних, удаленных до 1000 Мпк. В случае ближних источников в космических лучах ультравысоких энергий преобладают ядра с зарядами Z(2. В составе космических лучей ультравысоких энергий от дальних источников преобладают протоны.

Поэтому, исследуя химический состав падающих на установку космических лучей ультравысоких энергий, можно исключить или подтвердить возможность ускорения частиц в ближних источниках.

В случае, когда частицы ускоряются как в дальних, так и в ближних источниках, из анализа химического состава космических лучей ультравысоких энергий можно оценивать величину магнитного поля в струях (джетах) активных ядер.

4. Показано, что исследование гамма-излучения с энергией E(1014 эВ, которое образуется в результате ГЗК-эффекта, дает возможность установить независимым способом форму спектра космических лучей ультравысоких энергий в источниках. Возможно, что такое исследование позволит также уточнить спектр внегалактического фонового радиоизлучения, который измерен только в области энергий (?2(10-8 эВ.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы проблемы, которым посвящена диссертационная работа, а именно: идентификация возможных источников космических лучей ультравысоких энергий, процессы ускорения и энергетические спектры частиц в источниках, распространение космических лучей в межгалактическом пространстве. Обоснованы новизна и актуальность работы. Проанализирована гипотеза о том, что космические лучи ультравысоких энергий рождаются в активных галактических ядрах, приведены предыдущие исследования этой гипотезы. Описана структура диссертационной работы и приведены основные результаты, представленные к защите.

В первой главе приводятся краткие сведения из физики космических лучей и астрофизики, которые используются при решении поставленных задач. Это методы регистрации космических частиц при разных энергиях, энергетический спектр космических лучей, широкие атмосферные ливни, проблемы регистрации частиц ультравысоких энергий. Перечислены установки, на которых проводятся (или проводились) исследования космических лучей ультравысоких энергий и основные результаты, полученные на этих установках. Из астрофизических сведений представлены классификация галактик с активными ядрами, приведены характеристики нашей Галактики. Описаны системы координат, которыми пользуются в астрономии. Обсуждается также ГЗК-эффект (Greisen K. // Phys. Rev. Lett. 1966. V.16. P.748; Зацепин Г.Т., Кузьмин В.А. // Письма в ЖЭТФ. 1966. Т.4. С.114).

Вторая глава посвящена идентификации источников космических лучей ультравысоких энергий. В качестве возможных источников рассматривались галактики с активными ядрами - сейфертовские галактики, расположенные в радиусе 40 Мпк вокруг нас, лацертиды, радиогалактики, а также рентгеновские пульсары, как наиболее мощные. Предполагалось, что частицы распространяются в межгалактическом магнитном поле практически прямолинейно, а их отклонением в магнитных полях Галактики можно пренебречь. Для анализа выбирались ливни с энергией E>4(1019 эВ, для которых были опубликованы небесные координаты осей и ошибки в определении координат, при условии, что величина ошибки в экваториальных координатах не превосходит 30. Таких ливней насчитывается 63. Возможные источники космических лучей мы искали по каталогам активных ядер, радиогалактик и пульсаров.

Поиск возможных источников проводился вокруг оси каждого ливня. Размеры области поиска мы выбирали из следующих соображений. Во-первых, точность определения оптических координат галактик и пульсаров порядка секунды, поэтому область поиска возможных источников определялась только ошибкой в определении координат ливней. Во-вторых, исходя из результатов статистики и теории вероятностей, мы проводили поиск в диапазоне от однократной до трехкратной ошибки вокруг оси ливня.

Различные объекты попадают в область поиска вокруг направления прихода частицы, инициировавшей ливень. Объекты могли оказаться в ней случайно. Если это не так, то вероятность случайного попадания в область поиска будет низка: по теории вероятностей она составит P~10-3.

Мы определяли вероятности по следующей схеме. Пусть на эксперименте имеется K ливней, из которых у N ливней в область поиска попало хотя бы по одному объекту выбранного типа (например, активное ядро). Как определить, случайны ли эти попадания? Будем случайным образом K раз ''бросать'' на небесную сферу космическую частицу. Ее небесные координаты ((, () имеют ошибку (((, (()(30. Определим, в скольких случаях из K в область поиска попало хотя бы одно активное ядро. Пусть число таких случаев Nsim. Величина Nsim может принимать значения в интервале 0( Nsim (K. Проведем M серий по K бросаний, и в каждой серии определим число случаев, в которых Nsim=N. Пусть число таких случаев в каждой серии равно Isim. Величина Isim принимает два значения: 1, (если Nsim=N) и 0 (в остальных случаях). Среднее по всем сериям число заданных случаев

P=?(Isim)i/M (1)

равно вероятности случайного попадания хотя бы одного активного ядра в поле поиска N ливней из K. Если все попадания случайны, то P~1. Если же P<<1, то гипотеза о случайном попадании активных ядер в поле поиска ливней отвергается на уровне достоверности 1-P.

Вероятностный анализ ливней проводился следующим образом.

Сначала ливни были разбиты на группы в зависимости от галактической широты b направления прихода частицы. Это делалось для того, чтобы исключить из анализа ливни, заведомо попавшие в ''зоны избегания'' галактик. Что это за зоны?

В плоскости галактического диска содержится большое количество газа и пыли, которые затрудняют наблюдения внегалактических объектов, если они расположены на сравнительно низких галактических широтах (галактическая широта b=0 соответствует плоскости диска). По этой причине каталоги содержат мало объектов с низкими галактическими широтами по сравнению с их числом на широтах b(20-300. Поэтому при поиске возможных источников оказывается, что у ливней, пришедших с низких галактических широт, в окрестность направлений прихода не попадают никакие объекты. В связи с этим мы анализировали не только все ливни без отбора по широте, но и группы ливней, пришедших с заданных галактических широт. Каждая группа содержала разное число ливней. Это число обозначим K. (Число ливней в группе эквивалентно числу бросаний в приведенной схеме.)

Далее в каждой группе из K ливней мы подсчитывали число N ливней, у которых в область поиска попал хотя бы один объект выбранного типа. Затем методом Монте-Карло генерировались такие же группы ливней, но со случайными направлениями приходов из областей с заданными галактическими широтами: каждая искусственная группа содержала то же число ливней K, что и группа зарегистрированных ливней. При генерации искусственных ливней без отбора по галактической широте прихода координаты осей генерировались в области (=0-24h, (=-10-900. (Эта область соответствует полосе обзора установок, на которых зарегистрированы рассматривавшиеся ливни). В каждой искусственной группе подсчитывалось число Nsim ливней, у которых вблизи оси оказался хотя бы один объект выбранного типа. Для каждой группы проводилось M испытаний (число испытаний эквивалентно числу серий в приведенной выше схеме). Затем подсчитывалось число групп Isim с заданным Nsim, и определялась вероятность того, что в группе из K ливней у Nsim ливней в поле поиска случайно оказался хотя бы один объект заданного типа. При моделировании число испытаний составляло M=105.

. 2003) приведены не только галактики, принадлежность которых к лацертидам или сейфертовским ядрам надежно установлена. Он также содержит объекты, чья принадлежность к этим типам ядер не установлена из-за недостатка наблюдательных данных, но которые, возможно, являются лацертидами или сейфертовскими ядрами.

Поэтому мы определяли вероятности случайного нахождения около оси ливня как любых лацертид и сейфертовских ядер, так и ядер с надежно установленной принадлежностью к этим типам. Сейфертовские ядра рассматривались с величиной красного смещения z<0.01 в обоих случаях.

Для статистики из 63 ливней поиск сейфертовских ядер проводился следующим образом. Если сейфертовское ядро попадало в область больше 1-кратной, но меньше 2-кратной ошибки, то определялась средневзвешенная величина области. Поэтому область однократной ошибки – это область в диапазоне (1.2-1.3)-кратной ошибки, область двукратной ошибки – это область в диапазоне (2.1-2.2)-кратной ошибки. (При статистике из 63 ливней мы получили низкие значения вероятностей P~10-3, когда сейфертовские ядра искались в поле, величина которого не соответствовала точно 1-кратной или 2-кратной ошибке, а определялась, как описано выше.) При меньшей статистике ливней значения вероятностей P~10-3 были получены при поиске сейфертовских ядер в области точно 1-кратной и 2-кратной ошибок.

При поиске среди всех сейфертовских ядер вероятности P1(N), P2(N), P3(N) того, что данные объекты случайно оказались в средневзвешенном поле 1-, 2-, и 3-кратной ошибок соответственно, равны следующим значениям (напомним, что N – это число ливней, у которых в поле поиска оказался хотя бы один объект рассматриваемого класса):

в группе из 63 ливней без отбора по галактической широте приходов

P1(16)=1.1(10-3, P2(27)=3.6(10-4, P3(29)=2.4(10-2;

в группе из 54 ливней с |b|>11.20

P1(16)=1.2(10-3, P2(26)=6.5(10-4, P3(29)=1.8(10-2;

в группе из 37 ливней с |b|>21.90

P1(13)=3.2(10-3, P2(23)=1.8(10-4, P3(23)=2.5(10-2;

в группе из 27 ливней с |b|>31.70

P1(14)=5.1(10-4, P2(23)=2.0(10-5, P3(23)=9.5(10-3.

Исходя из значений вероятностей P1(N), P2(N), предположение о случайных совпадениях координат частиц и близких сейфертовских ядер отвергается на уровне достоверности, не меньшем 0.99730, для всех групп ливней, за исключением ливней, пришедших с широт |b|>21.90. Для ливней, пришедших с широт |b|>21.90, гипотеза о случайных попаданиях отвергается на уровне достоверности около 0.9968.

При поиске среди ядер с надежно установленной принадлежностью к сейфертовским вероятности случайного попадания вблизи оси ливня составляют:

в группе из 63 ливней без отбора по галактической широте приходов

P1(12)=1.1(10-2, P2(23)=3.2(10-3, P3(27)=3.2(10-2;

в группе из 54 ливней с |b|>11.20

загрузка...