авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Космические лучи ультравысоких энергий как инструмент астрофизических исследований

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УРЫСОН АННА ВЛАДИМИРОВНА

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ УЛЬТРАВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

КАК ИНСТРУМЕНТ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Специальность 01.04.23 – физика высоких энергий

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Отделении ядерной физики и астрофизики

Физического института им П.Н. Лебедева РАН.

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН

Ткачев Игорь Иванович (ИЯИ, Москва),

доктор физико-математических наук, профессор

Калмыков Николай Николаевич (НИИЯФ МГУ, Москва)

доктор физико-математических наук, профессор

Вильковиский Эммануил Яковлевич (АФИ, Алма-Ата)

Ведущая организация – Ереванский физический институт

Защита состоится “ 21 ” апреля 2008 г. в 12 часов

на заседании Специализированного Совета Д002.023.02

Физического института им. П.Н.Лебедева РАН по адресу: 119991, Москва,
Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н.Лебедева РАН.

Автореферат разослан “ ” 2008 г.

Ученый секретарь

Специализированного совета

доктор физико-математических наук Я.Н.Истомин

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена интенсивными исследованиями проблемы происхождения космических лучей ультравысоких энергий (E>41019 эВ). В мире существует несколько установок, на которых исследуются космические лучи таких энергий. Однако, вследствие различных методов определения энергии частиц, данные, полученные на разных установках, не всегда согласуются. В настоящее время общепринятой точки зрения на происхождение частиц ультравысоких энергий не существует. Предлагаются различные гипотезы относительно их источников и условий ускорения. Поэтому исследования в данном направлении важны и актуальны.

Цель работы – анализ данных о космических лучах ультравысоких энергий для идентификации источников частиц, для выяснения условий ускорения в источниках космических лучей и для исследования распространения частиц в межгалактическом пространстве.

Новизна основных результатов. В наших работах были идентифицированы основные источники космических лучей ультравысоких энергий.

Кроме того, была предложена модель ускорения частиц до ультравысоких энергий в отождествленных источниках, в дополнение к существовавшим моделям других авторов. Это было сделано по двум причинам. Во-первых, мы предполагаем, что источники различаются физическими условиями, вследствие чего в них реализуются разные механизмы ускорения частиц. Во-вторых, часть отождествленных нами источников обладает умеренной мощностью излучения в разных диапазонах энергии. В нашей модели ускорение частиц происходит именно в таких источниках. Ранее предполагалось, что ускорение частиц до ультравысоких энергий в таких источниках не происходит. Мы показали, что нашу модель можно подтвердить или опровергнуть, исследуя химический состав космических лучей ультравысоких энергий.



Далее был проанализирован энергетический спектр космических лучей ультравысоких энергий и показано, что, несмотря на большие ошибки измерений, его можно использовать для выяснения условий ускорения космических лучей в источниках. Кроме того, мы рассмотрели обсуждавшиеся в литературе возможные значения максимальной энергии частиц в источниках, а именно: 1027 и 1021 эВ. По нашим результатам, полученным из анализа измеренного спектра, максимальная энергия частиц не превышает E1021 эВ. Ранее такую оценку получали только теоретически.

В работе также исследованы зарегистрированные в космических лучах кластеры частиц (группы частиц, приходящие, в пределах ошибок, из одного участка небесной сферы). Был подтвержден результат, полученный в астрономических наблюдениях, а именно: частицы ускоряются в источниках, которые, по-видимому, обладают переменной активностью.

Кроме того, мы нашли, что представляет интерес исследование гамма-излучения с энергией E1014 эВ, которое генерируется в электромагнитных каскадах, возникающих при распространении частиц в межгалактическом пространстве. Результаты такого исследования позволят проверить независимым способом механизм ускорения частиц в источниках, а также, возможно, позволят уточнить спектр внегалактического фонового радиоизлучения.

Таким образом, в диссертации показано, что космические лучи ультравысоких энергий являются дополнительным инструментом астрофизических исследований.

Научная и практическая ценность работы определяется тем, что полученные результаты могут быть использованы для анализа и интерпретации экспериментальных данных о космических лучах ультравысоких энергий, а именно для определения их источников и условий распространения частиц в межгалактическом пространстве.

Апробация работы. Основные положения диссертации изложены в 26 публикациях. Ее результаты докладывались на семинарах в ФИАН, ИЯИ, НИИЯФ МГУ, ИКИ, ОИЯИ (Дубна), а также на Всероссийских конференциях по космическим лучам в 1994, 1998, 2004, 2006 гг. и на Всероссийской астрономической конференции “Горизонты Вселенной” (Москва, ГАИШ МГУ, 2004). Результаты работы были доложены также на Международной школе по теоретической физике “Коуровка-96” (Ижевск, 1996), на Объединенном евро-азиатском астрономическом съезде JENAM (Москва, МГУ, 2000), на 18-ом Европейском симпозиуме по космическим лучам (Москва, МГУ, 2002), на Международных конференциях по астрофизике высоких энергий HEA-2003 и HEA-2005 (Москва, ИКИ, 2003, 2005), на Международной конференции RNP2005 (Дубна, ОИЯИ, 2005), на Международных рабочих совещаниях по космическим лучам ультравысоких энергий (Москва, ИЯИ, 2004, 2005, 2006). Результаты работы представлялись также на 27-ой Международной конференции по космическим лучам в 2001 г. (Гамбург).

Публикации. По представленным в диссертации материалам автором опубликовано 26 печатных работ в российских и международных изданиях. Полный список работ автора содержит более 100 наименований, из них 35 – по астрофизике космических лучей.

Вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены без соавторов.

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>41019 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 E1021 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 Z2. 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 E1014 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 210-8 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>41019 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 (a, d) имеют ошибку (Da, Dd)»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





M

P=(Isim)i/M (1)

i=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 b20-300. 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 a=0-24h, d=-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.

В каталоге (Veron-Cetty M.-P., Veron P. // http://www.obs-hp. 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)=1.110-3, P2(27)=3.610-4, P3(29)=2.410-2;

в группе из 54 ливней с |b|>11.20

P1(16)=1.210-3, P2(26)=6.510-4, P3(29)=1.810-2;

в группе из 37 ливней с |b|>21.90

P1(13)=3.210-3, P2(23)=1.810-4, P3(23)=2.510-2;

в группе из 27 ливней с |b|>31.70

P1(14)=5.110-4, P2(23)=2.010-5, P3(23)=9.510-3.

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)=1.110-2, P2(23)=3.210-3, P3(27)=3.210-2;

в группе из 54 ливней с |b|>11.20

P1(12)=1.510-2, P2(22)=5.210-3, P3(27)=2.310-2;

в группе из 37 ливней с |b|>21.90

P1(9)=3.010-2, P2(19)=3.010-3, P3(21)=3.710-2;

в группе из 27 ливней с |b|>31.70

P1(10)=1.010-2, P2(19)=1.110-3, P3(21)=2.210-2.

Здесь значение вероятности P2(N) таково, что предположение о случайных совпадениях координат частиц и близких сейфертовских ядер отвергается на уровне достоверности, не меньшим 0.9973, для всех групп ливней, за исключением ливней, пришедших с широт |b|>11.20. Для ливней с |b|>11.20 гипотеза о случайном попадании отвергается на уровне достоверности около 0.9949.

При поиске источников среди лацертид были получены следующие значения вероятностей их случайного попадания вблизи оси ливня.

Вероятности случайного попадания любых лацертид в поле поиска равны:

в группе из 63 ливней без отбора по галактической широте прихода,

P1(45)<4.010-5, P2(56)=6.0 10-5, P3(57)=2.310-2;

в группе из 54 ливней с |b|>11.20

P1(42)<3.0 10-5, P2(51)=3.410-4, P3(51)=1.010-1;

в группе из 37 ливней с |b|>21.90

P1(36)<4.0 10-5, P2(36)=2.510-3, P3(36)=8.710-2;

в группе из 27 ливней с |b|>31.70

P1(27)<4.0 10-5, P2(27)=5.210-2, P3(27)=4.510-1.

При поиске источников среди ядер, чья принадлежность к лацертидам надежно установлена, вероятности случайного попадания равны:



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.