ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

Елиїв Андрій Андрійович

УДК 524.1+524.7

Вплив магнітних полів на поширення та енергетичний спектр

космічних променів надвисоких енергій

Спеціальність 01.03.02 – Астрофізика, радіоастрономія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в НДЛ “Астрономічна обсерваторія” кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший науковий
співробітник Гнатик Богдан Іванович, НДЛ “Астрономічна
обсерваторія” кафедри астрономії та фізики космосу
фізичного факультету Київського національного Шевченка
імені Тараса Шевченка, завідувач НДЛ.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор
Конторович Віктор Мусійович,
Радіоастрономічний інститут НАН України,

старший науковий співробітник;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий
співробітник Федоров Юрій Іванович, Головна
астрономічна обсерваторії НАН України, старший науковий
співробітник.

Провідна установа: Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН
України, м. Київ.

Захист відбудеться “20” квітня 2007 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України за адресою:
ГАО НАН України, 03860 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Початок засідань о 10 годині.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ГАО НАН України за адресою:

ГАО НАН України, 03860 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Автореферат розіслано “16” березня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук І. Е. Васильєва

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В області астрофізики високих енергій особливої актуальності за останні роки набули дослідження космічних променів надвисоких енергій (КПНВЕ) – елементарних частинок та стабільних ядер з макроскопічною енергією порядку 1020 eB. Середній потік таких КПНВЕ складає близько однієї події на 1 км2 за 100 років [16]. До недавнього часу найкращою установкою по детектуванню КПНВЕ була Akeno Giant Air Shower Array (AGASA) в Японії, яка зареєструвала 11 подій з енергіями понад 1020і поставила дві проблеми. Першу становить сама можливість прискорення заряджених частинок до таких енергій, адже навіть найбільш розроблена теорія прискорення космічних променів (КП) за механізмом Фермі на фронтах ударних хвиль та в замагніченій турбулентній плазмі в різних астрофізичних об’єктах (так званий висхідний сценарій) зазвичай обмежується енергіями (1–3)·1019 еВ [16]. Перевершити межу в 1020 eB не вдається і в ряді інших, менш детально розроблених, астрофізичних механізмів. Багато дослідників схиляються до низхідного сценарію виникнення КП в результаті розпаду топологічних дефектів, чи надмасивних частинок – реліктів раннього Всесвіту. Такий підхід привабливий тим, що розпадними властивостями можна наділити принаймні частину темної матерії, але побудова прийнятної моделі низхідного сценарію стикається з рядом принципових труднощів [16, 17, 18].

Іншу грань проблеми складають значні енергетичні втрати КПНВЕ при поширенні в міжгалактичному середовищі. Протони (найбільш ймовірні кандидати в КП) з E > 71019 eB зазнають значних енергетичних втрат при взаємодії з космічним мікрохвильовим випромінюванням, що повинно призводити до т. зв. обрізання енергетичного спектру КПНВЕ, (Грайзена – Зацепіна – Кузьміна обрізання) [19]. Однак, спостережуваний спектр установки AGASA містить суттєве число подій з енергіями, що значно перевищують енергію ГЗК-обрізання. Більше того, елементи інтриги в проблему КПНВЕ внесли останні результати установки HiRes (США), яка не бачить надлишку КПНВЕ з енергією вище ГЗК-границі. Розв’язати проблему в недалекому майбутньому зможе установка Auger, секція якої в південній півкулі вже стала до ладу і дає перші результати, та космічна місія EUSO, що перебуває на стадії проектування [20].

Актуальність теми. Для вияснення природи походження КПНВЕ принципове значення має виявлення їх джерел, однак спостереження свідчать про ізотропний потік КПНВЕ без явних кореляцій з відомими астрофізичними об’єктами, тому важливими залишаються детальні дослідження розподілу по небу напрямків їх прибуття, виявлення можливої анізотропії на різних кутах, пошуки кореляцій з потенційними астрофізичними джерелами, здатними прискорити частинки до спостережуваних надвисоких енергій – 1020 еВ. Наслідком ГЗК-обрізання є обмеження відстаней до джерел від яких можлива реєстрація КПНВЕ. Так, протон з енергією 1020може досягти Землі лише з відстані меншої ніж 50пк, гранична відстань є ще меншою для гамма-променів. Тому в дисертаційній роботі особливу увагу приділено пошуку кореляцій напрямків приходу зареєстрованих КПНВЕ з найближчими об’єктами різних класів позагалактичних джерел – радіогалактиками, галактиками яскравими в інфрачервоному діапазоні, лацертидами, скупченнями галактик тощо. Внаслідок менших втрат енергії ультрарелятивістськими частинками при взаємодії з фотонами мікрохвильового фону на шляху до детектора ймовірність реєстрації КПНВЕ від цих об’єктів є вищою, порівняно з більш далекими джерелами.

Важливими чинниками, які впливають на модифікацію спектру КПНВЕ в області високих енергій (Е > 1019 еВ), окрім енергетичних втрат на взаємодію з реліктовими фотонами, виступають галактичні та позагалактичні магнітні поля. З одного боку, магнітні поля, відхиляючи високоенергетичні частинки від прямолінійного руху, ще більше обмежують відстані до джерел, з яких можливо їх зареєструвати, а, з другого боку, утруднюють виявлення кореляцій з їх джерелами. Тому багато уваги сучасними дослідниками приділяється вивченню моделей галактичного і випадкового позагалактичного магнітних полів та їх впливу на потоки КПНВЕ [21, 22]. В нашій роботі розглядається одне з можливих пояснень відсутності явної кореляції КПНВЕ з активними позагалактичними об’єктами, а саме – відхилення КПНВЕ від прямолінійного руху в галактичних та позагалактичних магнітних полях.

Сучасні експерименти оцінюють хімічний склад позагалактичних КПНВЕ з великими похибками. Результати установки AGASA стверджують лише про домінування ядер заліза в потоці КПНВЕ з енергіями менше 1018 еВ та протонів при вищих енергіях [17]. Установка Auger дала обмеження на вміст нейтральних частинок – фотонів: не вище 25% для енергій більше 1019 еВ, а для надвисоких енергій, більших за 4·1019 еВ, обмеження ще слабші – до 70% [20]. Для більш точного визначення хімічного складу потоків позагалактичних КПНВЕ важливе значення має тестування можливих джерел КПНВЕ, виявлених статистичним методом на здатність частинки певного сорту дійти від них до Землі, враховуючи енергетичні втрати на взаємодію з мікрохвильовим фоном. Перспективним є використання інформації про анізотропію напрямків прибуття КПНВЕ для визначення їх хімічного складу.

Зв’язок з науковими програмами, планами та темами. Дослідження було проведене в науково-дослідній лабораторії “Астрономічна обсерваторія” кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка в рамках бюджетних тем “Підтримка міжнародної небесної системи відліку, вивчення її особливостей, зв’язку з носіями в оптичному діапазоні” 2000 – 2005 рр., номер держреєстрації 01БФ023-01 та “Спостереження та моделювання космічних джерел нетеплового випромінювання і комплексу малих тіл Сонячної системи, вдосконалення міжнародної небесної системи відліку” 2006-2010 рр., номер держреєстрації 06БФ051-14, а також в межах теми Державного фонду фундаментальних досліджень № 02.07/00430 Ф7/452-2001 “Дослідження природи джерел космічних променів надвисоких енергій”.

Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є пошук можливих джерел КПНВЕ, а також вивчення впливу галактичних та позагалактичних магнітних полів на потоки КПНВЕ від них. Для її досягнення поставлено наступні основні задачі:

1. Побудувати вибірки можливих об’єктів – джерел КПНВЕ та провести дослідження кореляцій напрямків прибуття КПНВЕ з цими об’єктами.

2. Проаналізувати вплив галактичного магнітного поля на відхилення та часову затримку КПНВЕ в ньому та дослідити анізотропію потоку КПНВЕ, спричинену галактичним магнітним полем.

3. Дослідити відхилення КПНВЕ в позагалактичних магнітних полях та вивчити їх вплив на спектр та потоки КПНВЕ від потенційних джерел.

Об’єкт дослідження: КПНВЕ, галактичні та позагалактичні магнітні поля, вибірки позагалактичних об’єктів: радіогалактик, галактик каталогу IRAS PSCz, лацертид, скупчень галактик Ейбела, надскупчень галактик.

Предмет дослідження: потоки та спектри КПНВЕ, структура галактичних та позагалактичних магнітних полів.

Методи дослідження: теоретичні дослідження з використанням статистичних методів та чисельних методів інтегрування рівнянь.

Наукова новизна отриманих результатів. Для вивчення кореляцій напрямків приходу КПНВЕ з їх можливими джерелами розроблено метод пошуку тісних пар КПНВЕ – можливе джерело. На відміну від попередніх досліджень різних авторів, які використовували значну кількість об’єктів різних класів (порядку сотень), в нашій роботі досліджуються кореляції з найяскравішими та найближчими об’єктами кожного класу, оскільки можливість зареєструвати від них КП підсилюється внаслідок більшого очікуваного потоку КП та менших втрат енергії при їх поширенні. Вперше виявлено тісну кореляцію КПНВЕ з радіогалакою 3С 123 та з галактиками IRAS PSCz каталогу: ARP 299, ARP 220, NGC4631, IC342, M 101, M 51. Для виявлених об’єктів проведено додатковий тест на можливий хімічний склад КПНВЕ, що інжектовані ними. Серед об’єктів, які кореляюють з КПНВЕ, проведено відбір в джерела КПНВЕ за фізичними умовами прискорення заряджених частинок до надвисоких енергій, виявлено, що найбільш ймовірними кандидатами в джерела КПНВЕ за фізичними параметрами є радіогалактика 3C 123, взаємодіючі системи ARP та ARP 220 та близькі гігантські галактики M 101 та M 51. Для КП, зареєстрованих установкою Sydney University Giant Air Shower Recorder (SUGAR), статистично значимої анізотропії та кореляцій з їх можливими позагалактичними джерелами не виявлено.

В рамках аналізу нетрадиційних джерел КПНВЕ вперше проаналізовано просторову кластеризацію коротких гамма-спалахів, зареєстрованих орбітальною обсерваторією Burst And Transient Source Experiment (BATSE). Проведено також пошук ознак рекурентності серед виявлених кластерів. Виявлено 6 триплетів коротких гамма-спалахів, джерела яких можуть бути періодичними, наприклад, петлі космічних струн].

Вперше досліджено поширення КПНВЕ в відомих сучасних моделях магнітного поля Галактики, беручи до уваги їх можливі типи симетричності та парності. Досліджено відхилення КПНВЕ в позагалактичному магнітному полі, яке моделювалося виходячи з припущення про степеневу залежність між густиною інфрачервоної світності галактик та індукцією магнітного поля. Параметри цієї залежності вперше визначалися на основі максимальних та мінімальних спостережних значень індукції магнітного поля у скупченнях галактик та порожнинах. Виявлено, що відхилення протонів з E > 4·1019 еВ не перевищує похибок сучасних детекторів лише у випадку моделі “слабкого” магнітного поля.

Проаналізовано модифікацію спектру КПНВЕ внаслідок впливу позагалактичного магнітного поля у випадку потенційних джерел – Діви А та ARP 299. Оцінено світність групи взаємодіючих галактик ARP 299, яка, можливо, є джерелом триплету подій КПНВЕ, що зареєстровані установкою AGASA з Е > 4·1019 еВ, для різних моделей позагалактичного магнітного поля. Вона виявилась рівною 1.8·1042 ерг/с, 2.2·1042 ерг/с и 3.0·1042 ерг/с для моделі без поля та для моделей “слабкого” і “сильного” полів, відповідно.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена методика виявлення анізотропії напрямків прибуття КПНВЕ та пошуку кореляцій з їх можливими джерелами може бути застосована до різних вибірок позагалактичних об’єктів та до майбутніх даних про зареєстровані КПНВЕ для більш повного дослідження походження КПНВЕ. Виявлені тісні просторові кореляції КПНВЕ з радіогалактиками та галактиками з IRAS PSCz каталогу мають важливе значення для вирішення проблеми походження КПНВЕ та для вибору об’єктів подальших досліджень.

Розроблене програмне забезпечення для розрахунку поширення КПНВЕ в галактичних та позагалактичних магнітних полях може бути використане для моделювання широкого кола задач фізики КПНВЕ. Результати досліджень по поширенню КПНВЕ в магнітних полях можуть бути використані при побудові моделей галактичних та позагалактичних магнітних полів.

Особистий внесок здобувача. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 7 статтях [1 – 7] та в 8 тезах [8 – 15]. З них стаття [7] написана здобувачем самостійно. В роботах [1, 2, 6] здобувач брав участь в постановці задачі по пошуку джерел КПНВЕ, проводив необхідні розрахунки для виявлення кореляцій КПНВЕ з різними класами активних позагалактичних об’єктів – можливими джерелами КПНВЕ. В роботі [4] здобувач розробляв методику та проводив обчислення для виявлення періодичностей в кластерах коротких гамма-спалахів. В роботах [3, 5] дисертант виконував необхідні розрахунки по вивченню поширення заряджених ультрарелятивістських частинок в галактичному магнітному полі.

Апробація результатів дисертації. Результати доповідалися і обговорювалися на наступних конференціях:

- “Астрономічна школа молодих вчених ім. Г. Гамова”, 2003 рік, Одеса, Україна;

- Міжнародна меморіальна конференція, присвячена 100-річчю з дня народження Г. Гамова: “Астрофізика та космологія після Гамова”, 2004 рік, Одеса, Україна;

- “Астрономічна школа молодих вчених”, 2002 та 2004 роки, Біла Церква, Україна;

- Всеросійська астрономічна конференція ВАК – 2004 “Горизонты Вселенной”, 2004 рік, Москва, Росія;

- 9 та 11 Міжнародні конференції молодих вчених “Астрономія і фізика космосу”, 2004 та 2006 роки, Київ, Україна;

- 34-та Міжнародна студентська наукова конференція “Физика космоса”, 2005 рік, Єкатеринбург, Росія;

- III, IV, V Міжнародні конференції “Релятивістська астрофізика, гравітація і космологія”, 2003, 2004, 2006 роки, Київ, Україна;

- Міжнародна школа по астрофізиці космічних променів "Neutrinos and Explosive Events in the Universe", 2004 рік, Еріче, Італія;

- Меморіальна міжнародна конференція присвячена 100 річчю Всехвятського та 160 літтю АО КНУ, 2005 рік, Київ, Україна;

- 26 Генеральна Асамблея Міжнародного астрономічного союзу, симпозіум ”Cosmic Particle Acceleration: from Solar System to AGN”, 2006 рік, Прага, Чехія;

а також на семінарах відділу астрометрії НДЛ “Астрономічна обсерваторія” КНУ та на об’єднаних астрофізичних семінарах НДЛ “Астрономічна Обсерваторія”, ГАО НАНУ та ІТФ НАНУ.

Публікації. Результати дисертації представлені у 6 публікаціях у фахових журналах [1 – 6] та у 8 збірниках тез конференцій [8 – 15], одна робота в електронному архіві [7].

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 229 найменувань, містить 31 рисунок і 10 таблиць. Повний обсяг дисертації становить 139 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульовано актуальність, мету та основні задачі виконаної роботи. Відзначено наукову новизну отриманих результатів.

У першому розділі подано огляд літератури, де висвітлено сучасний стан проблем що досліджуються, представлені основні досягнення в галузі детектування КПНВЕ. Показані головні теоретичні здобутки у виясненні природи КПНВЕ та механізмів їх прискорення. Розглянуто роботи, що присвячені вивченню впливу магнітних полів на поширення КПНВЕ.

Оригінальні результати подано в Розділах 2 – 4.

Другий розділ дисертації присвячений дослідженню кореляцій напрямків приходу КПНВЕ, зареєстрованих в експериментах AGASA та SUGAR, з розподілом на небі різних класів позагалактичних об’єктів – потенційних джерел КПНВЕ. Дослідження в цьому напрямку зумовлені тим, що розв’язати проблему походження джерел КПНВЕ допомогло б надійне ототожнення хоча б кількох подій з відповідними астрофізичними об’єктами. Якщо КП – нейтральні частинки, або галактичне та позагалактичне магнітні поля досить слабкі, то напрямки прибуття КП в межах похибки детектора будуть вказувати на їх джерела. Тому природнім є пошук кореляцій між напрямками приходу КП та астрофізичними об’єктами – їх потенційними джерелами. Цінною інформацією про природу джерел КПНВЕ стало б виявлення анізотропії їх спостережуваного потоку.

Проведений аналіз кластеризації КПНВЕ показав існування 8 пар КПНВЕ AGASA (або 5 пар та один триплет) розмірами менше 2.5°. Методом статистичних випробувань оцінено ймовірність випадкової реалізації даної та більшої кількості пар, вона виявилася рівною 2·10-4, що відповідає відхиленню на рівні 3.6? від статистично очікуваної однієї пари при ізотропному розподілі. Даний факт говорить про анізотропію напрямків прибуття КПНВЕ AGASA на малих кутових масштабах. Результати добре узгоджуються з роботою [28], де кластеризація вивчалася з використанням двохточкової кореляційної функції. Для КПНВЕ установки SUGAR на всіх кутах як і для КПНВЕ AGASA на великих кутових масштабах такої анізотропії не виявлено.

Проаналізовано кореляції з найяскравішими та найближчими членами вибірок різних класів астрофізичних об’єктів – потенційних джерел КПНВЕ, оскільки можливість зареєструвати КПНВЕ від них достатньо висока внаслідок значного очікуваного потоку КПНВЕ та малих втрат енергії при їх поширенні. Зокрема, досліджено кореляцію КПНВЕ з першими 3, 5, 10 та 20 об’єктами серед найближчих та найяскравіших радіогалактик, галактик каталогу IRAS PSCz, лацертид, скупчень галактик Ейбела, а також з 10 найближчими надскупченями галактик. У випадку протяжних надскупчень галактик, які займають на небесній сфері тисячі квадратних градусів, оцінено відхилення кількості КПНВЕ, напрямки приходу яких проектуються на площі надскупчень, від статистично очікуваної кількості.

Результати досліджень кореляцій КПНВЕ з їх можливими джерелами показали, що серед усіх потенційних джерел значимою є кореляція КПНВЕ AGASA з найяскравішими радіогалактиками та галактиками каталогу IRAS PSCz. Зокрема, ймовірність того, що радіогалактика 3С 123 випадково збігається з дублетом КПНВЕ дорівнює 4·10-3 (відхилення від очікуваної кількості пар складає 3?). З 6 галактиками каталогу IRAS PSCz (ARP 299, ARP 220, M , NGC 4631, IC 342, M 101) КПНВЕ AGASA утворюють 9 пар розмірами менше 6°, при випадковому розподілі очікуються 2 пари, відповідне відхилення від випадкового розподілу склало 3.3? (рис. 1), а ймовірність випадкової реалізації даної та більшої кількості пар склала 7.4·10-4. З виявленим триплетом подій AGASA співпадає шостий по яскравості об’єкт з каталогу інфрачервоних галактик IRAS – ARP 299, що являє собою систему галактик з активними ядрами. Кореляція з цим об’єктом була виявлена також Сміалковським та Гіллером в роботі [27].

Зроблено оцінку хімічного складу КПНВЕ від тих позагалактичних об’єктів, кореляцію з якими було виявлено – радіогалактикою 3С 123 та 6 галактиками з каталогу IRAS PSCz. Беручи до уваги втрати енергії протонів та ядер заліза в міжгалактичному просторі та припускаючи, що максимальна енергія генерації становить 1022 еВ виявлено, що дублет КПНВЕ, який корелює з радіогалактикою 3С може бути тільки ядрами заліза. Обмежень на хімічний склад немає для КПНВЕ, що надійшли від галактик каталогу IRAS PSCz, оскільки в даному випадку і протони, і ядра заліза витримують енергетичний критерій.

Рис. 1. Залежність кількості пар КПНВЕ AGASA – 10 галактик з каталогу IRAS PSCz, що мають найвищий потік на довжині хвилі 60 мкм.

Серед об’єктів, які корелюють з КПНВЕ, проведено відбір в джерела КПНВЕ за фізичними умовами прискорення заряджених частинок до надвисоких енергій. Виявлено, що найбільш ймовірним кандидатом в джерела КПНВЕ за фізичними параметрами є радіогалактика 3C 123, в якій можливе прискорення КПНВЕ в гарячих плямах. Ці регіони утворюються коли частина кінетичної енергії джетів інжектованих активним ядром трансформується в релятивістські частинки і турбулентне магнітне поле. Результатом взаємодії джетів з міжгалактичним середовищем є виникнення сильної ударної хвилі, яка відповідає за прискорення КПНВЕ (через механізм Фермі І роду) [29]. Важливим класом об’єктів, які потенційно можуть бути прискорювачами КПНВЕ, є надсвітні інфрачервоні галактики, які, як правило, є взаємодіючими системами, або системами галактик, які зазнали злиття, такими являються ARP 299 та ARP 220, для них характерними є великомасштабні ударні хвилі, підсилення магнітного поля до десятків мкГс, інтенсивні зони зореутворення, активні ядра, що створює сприятливі умови для винекнення частинок надвисоких енергій ~ 1020 еВ [29]. Близька гігантська галактика M 101 теж потенційно може бути місцем народження КПНВЕ, в ній виявлено кілька кандидатів на залишки гіпернових. Для іншої близької галактики M 51 притаманним є активне ядро та регіони з високим темпом зореутворення. Решта галактик, які показують кореляції з КПНВЕ, – NGC4631, IC342 – не виділяються активними процесами, що можуть приводити до виникнення КПНВЕ з енергіями ~ 1020 еВ.

В рамках пошуку нетрадиційних джерел КПНВЕ в якості можливих джерел розглянуто короткі гамма-спалахи. Походження коротких гамма-спалахів, тривалістю менше 2 с, ще остаточно не встановлено. Особливий інтерес викликають проблеми виявлення кластеризації напрямків на спалахи та їх періодичності (рекурентності), оскільки їх вирішення могло б мати вагоме значення для встановлення природи коротких гамма-спалахів. З іншого боку, рекурентність передбачається в моделі [23], де гамма-спалахи та КПНВЕ породжуються петлями надпровідних космічних струн. Ми не виявили анізотропії в розподілі напрямків прибуття коротких гамма-спалахів по небу. Проаналізовано також можливі прояви періодичних повторювань в вибірці коротких гамма-спалахів з каталогу BATSE. Виявлено 6 триплетів з підозрою на рекурентність з періодами порядку 10 днів, ймовірність випадкової реалізації цієї кількості триплетів, оцінена методом статистичних випробовувань, становить 0.5 %.

В третьому розділі дисертації досліджено вплив галактичного магнітного поля на поширення КПНВЕ. Оскільки для більшості КПНВЕ явної кореляції з позагалактичними астрофізичними об’єктами не виявлено (див. попередній розділ), то найбільш вірогідним поясненням цього є значні відхилення КПНВЕ від прямолінійного руху у галактичних та позагалактичних магнітних полях. В цьому розділі ми розглянули вплив регулярного та випадкового компонентів галактичного магнітного поля на поширення КПНВЕ.

Аналіз проведено використовуючи чотири сучасні моделі магнітного поля Галактики: Тінякова – Ткачова (ТТ), Харарі – Молерач – Роулета (ХМР), Проуза – Шміда (ПШ), Чао – Даі – Янґ – Жанґа (ЧДЯЖ). Однією з найпростіших є модель ТТ [22] в якій магнітне поле зосереджене в диску галактики (з характерною висотою h = 1.5 кпк) вздовж спіральних рукавів Галактики. Модель ХМР [24], відрізняється від попередньої моделі відносно товстим галактичним диском (h = 4 кпк). Для моделі ПШ [25] крім спірального поля в дисковій частині Галактики притаманними є тороїдальне та полоїдальне поля. Подібну до попередньої моделі регулярного магнітного поля запропонувано в роботі [26] – модель ЧДЯЖ, яка є більш реалістичною внаслідок введення бароподібної структури в центральну область Галактики. Не вирішеним залишається питання про характер спіральної складової регулярного поля, а саме про її симетричність (ASS – осесиметричне поле, BSS – бісиметричне поле) та парність (S – парне поле, А – непарне поле), тому на прикладі ТТ моделі в цьому розділі досліджено вплив різних можливих варіантів напрямленості поля на характер відхилення КП.

Знайдено розподіли кутів відхилення ізотропно інжектованих із Землі антипротонів (оскільки протони є найбільш вірогідними кандидатами на роль КПНВЕ [17] і антипротони відтворюють їх шлях) з енергіями від 1018 еВ до 1020 еВ та середні значення відхилень у випадку різних моделей магнітного поля (табл. 1). Виявлено, що найсильнішого відхилення від прямолінійного руху КП зазнають у випадку осесиметричного парного поля, яке є найбільш впорядкованим (напрям вектора індукції якого зберігається при переході від рукава до рукава, та при переході через галактичну площину). Для енергій 4·1019 еВ середнє відхилення в такому випадку складає біля 7°, а максимальне сягає 20° в області Галактичного диску. Найменше відхилень зазнають КП у випадку бісиметричних моделей, де напрям індукції змінюється від рукава до рукава. Для таких моделей середнє значення відхилення протонів з енергією 4·1019 еВ складає біля 4°, а максимальне менше 9°. При дослідженні КП у випадку моделей ТТ, ХМР, ПШ та ЧДЯЖ виявлено, що максимального відхилення КП зазнають в приядерній та придисковій області Галактики, а на решті площі небесної сфери величина відхилення не перевищує кількох градусів для енергій вище 4·1019 еВ. Відхилення КП в регулярному компоненті Галактичного поля є співмірним з похибками сучасних детекторів, навіть для енергій 1020 еВ, і складає 1° – 2°.

В дослідженні природи КП важливу роль відіграє вивчення анізотропії потоків позагалактичних КП, що зумовлена галактичним магнітним полем. Як зазначено в роботі [24], галактичне магнітне поле призводить до ефектів лінзування потоків заряджених КП. Якщо потік позагалактичних КП ізотропний, то магнітне поле Галактики гратиме визначальну роль у анізотропії напрямків прибуття КП. Для її знаходження використано підхід, запропонований в [24], що базується на зворотності траєкторій заряджених частинок в постійному магнітному полі. Проведений аналіз анізотропії заряджених КПНВЕ, яка зумовлена регулярним компонентом Галактичного магнітного поля показав, що можливе як посилення потоку частинок з енергією 4·1019 еВ, так і його послаблення (до 5 разів). Виявити таку анізотропію, глибше дослідити хімічний склад КП та точніше встановити тип Галактичного магнітного поля буде можливо лише при достатньому наборі зареєстрованих КПНВЕ завдяки майбутнім експериментам.

Проведено дослідження впливу випадкового компоненту Галактичного магнітного поля на відхилення КП. Показано, що в широкому діапазоні енергій (вище 1017 еВ) можна знехтувати випадковим компонентом, навіть якщо його амплітуда перевищує амплітуду регулярного в 4 рази. В той же час важливим є вплив амплітуди випадкового компонента поля на час поширення КП, показано, що він пришвидшує вихід заряджених КП з області диску Галактики.

Таблиця 1

Середнє відхилення протонів з енергіями Е в різних моделях галактичного магнітного поля |

Енергія, еВ

Модель | 1018 | 1019 | 4·1019 | 1020

TT BSS-S | 69° (42°)* | 16° (8°) | 3.8° (1.6°) | 1.5° (0.6°)

TT BSS-A | 48° (31°) | 18° (8°) | 4.1° (1.6°) | 1.6° (0.6°)

TT ASS-S | 91° (41°) | 26° (16°) | 7° (4°) | 2.7° (1.7°)

TT ASS-A | 91° (35°) | 24° (15°) | 7° (5°) | 2.8° (2.4°)

ХМР BSS-S | 85° (41°) | 23° (10°) | 5° (2°) | 2.1° (0.8°)

ПШ BSS-S | 91° (33°) | 17° (11°) | 4.4° (3.3°) | 1.8° (1.4°)

ЧДЯЗ BSS-S | 93° (39°) | 21° (18°) | 5° (5°) | 2.2° (2.1°)

* Примітка: в дужках зазначено середнє квадратичне відхилення

В четвертому розділі представлено дослідження впливу позагалактичного магнітного поля на поширення КПНВЕ. Для вирішення цієї задачі постає необхідність моделювання або відтворення позагалактичного магнітного поля. Одночасно реалістичним та відносно простим є метод представлений в роботі [21], де побудову моделі позагалактичного магнітного поля здійснено на основі залежності між густиною світності галактик в інфрачервоному діапазоні та енергією магнітного поля. Автори, доповнюючи каталог інфрачервоних галактик IRAS PSCz до однорідного по світності відтворили магнітне поле в об’ємі вибірки. В роботі [21] калібрування відбувалося по скупченню в Діві для одного значення поля 0.4 мкГс, залежність між індукцією та густиною світності, бралася виду . В нашій роботі проведено моделювання позагалактичного магнітного поля згідно [21], але застосовано іншу калібровку індукції магнітного поля. А саме, хоча використано степеневу залежність між величиною поля та густиною інфрачервоної світності галактик , але, на відміну від попередніх робіт, де показник степеня в = 2/3 відповідав умові вмороженості, в нашій роботі параметри К та в визначалися на основі нормування величини поля на його очікувані максимальні (“сильне поле”) та мінімальні (“слабке поле”) значення в скупченні галактик Волосся Вероніки та пустотах Місцевого Всесвіту відповідно. Отримано таку степеневу залежність між густиною інфрачервоних галактик сL та індукцією магнітного поля поля B:

1) у випадку мінімальних значень полів в скупченнях та пустотах, модель "слабкого” поля –

, (1)

2) для максимальних значень, модель “сильного” поля –

. (2)

Побудовано карти відхилень КПНВЕ з енергією 4·1019 еВ та 1020 еВ, виявлено, що середні значення відхилень КП, що пройшли крізь скупчення галактик у випадку “слабкого” магнітного поля (1), складають 14° – 20° для КП з енергіями 4·1019 еВ та 5° – 10° для КП з енергіями 1020 еВ. Більшість площі небесної сфери в моделі “слабкого” магнітного поля зайнято областями, де відхилення склало менше 2° – 3°, так що зберігається кореляція напрямків прибуття протонного компонента КПНВЕ з напрямками на їх можливі джерела. Усереднені значення відхилень по небу показали залежність від моделей та довжини когерентності магнітного поля. Максимальні значення відповідають моделі сильного магнітного поля з довжиною когерентності 250 кпк і становлять 23° та 11° для енергій 4·1019 еВ і 1020 еВ (табл. 2), відповідно, що утруднює пошук кореляцій заряджених КП з їх можливими джерелами.

Таблиця 2

Середні по небесній сфері кутові відхилення протонів різних енергій в позагалактичному магнітному полі |

Енергія, еВ

lc, кпк | Модель № | 4·1019 | 6·1019 | 1020 | 3·1020

250 | 1 | 9.5° (23°)* | 7.1° (18°) | 2.5° (8°) | 0.4° (1.9°)

2 | 23° (31°) | 19° (28°) | 11° (23°) | 2.9° (10°)

50 | 1 | 5.3° (13°) | 3.4° (9°) | 1.2° (3.8°) | 0.2° (0.9°)

2 | 18° (29°) | 14° (26°) | 7° (17°) | 1.3° (4.5°)

10 | 1 | 2.4° (6°) | 1.5° (4°) | 0.5° (1.7°) | 0.1° (0.4°)

2 | 12° (25°) | 9.2° (19°) | 3.3° (9°) | 0.6° (2.0°)

* Примітка: в дужках зазначено середнє квадратичне відхилення

В роботі оцінено вплив позагалактичного магнітного поля на формування спектру КП від дискретних джерел на прикладі близької активної галактики Діва А та взаємодіючої системи ARP 299. Оскільки від Діви А не зареєстровано жодного КПНВЕ AGASA з енергією вище 4·1019 еВ, тому оцінено верхню границю її світності в КП в діапазоні енергій від 4·1019 еВ до 1022 еВ, при якій спостерігався б, в середньому, один КПНВЕ для даного часу спостережень AGASA, вона виявилася рівною LCR = 1041 ерг/с для обох моделей магнітного поля та для моделі без поля. Це говорить, про слабку модифікацію можливого потоку КПНВЕ від об’єкту Діви А магнітним полем, це, передовсім, пов’язано з близькістю галактики Діва А (D = 16 Мпк). В магнітному полі з середньою індукцією біля 0.1 мкГс, проходячи відстань 16 Мпк, КПНВЕ не можуть розсіятися чи затриматися на час, достатній для значимих втрат енергії.

В другому розділі дисертації було знайдено значиму кореляцію триплету подій AGASA із положенням на небі системи взаємодіючих галактик ARP 299. Якщо припустити, що даний об’єкт є джерелом трьох КП з енергіями вище 4·1019 еВ, то можна оцінити його світність в КП. Підрахунки дають для випадку без магнітного поля LCR = 1.8·1042 ерг/с, для моделі “слабкого” магнітного поля LCR = .2·1042 ерг/с, для моделі сильного магнітного поля LCR = 3.0·1042 ерг/с.

Рис. 2. Порівняння очікуваного (анізотропного) вкладу джерел Діва А та ARP 299 в потік КПНВЕ зі спостережуваним спектром установки AGASA. Для моделей магнітного поля вибиралось lc = 50 кпк, показник спектру генерації гg = 2.7. Світність джерела Діва А LCR = 1041 ерг/с, що відповідає верхній межі світності при якій спостерігався б, в середньому, один КПНВЕ для даного часу спостережень. Світність джерела ARP 299 для випадку без магнітного поля LCR = 1.8·1042 ерг/с, для моделі “слабкого” магнітного поля LCR = 2.2·1042 ерг/с, для моделі “сильного” магнітного поля LCR = 3.0·1042 ерг/с, що відповідає, в середньому, реєстрації трьох КПНВЕ протягом часу спостережень AGASA. |

Спектр КП від більш далекого джерела ARP 299 (D = 44 Мпк) (рис. 2) сильніше залежить від моделі магнітного поля ніж у випадку джерела Діва А. Для моделі “слабкого” магнітного поля можливий потік КПНВЕ від ARP 299 падає в 1.2 рази порівняно з моделлю без поля, і у випадку моделі “сильного” магнітного поля в 1.7 разів. Як видно з рис. 2 спектр від ARP299 має чітко виражене ГЗК-обрізання при енергії 1020 еВ.

ВИСНОВКИ

В дисертації проведено пошук можливих джерел КПНВЕ, а також вивчення впливу галактичних та позагалактичних магнітних полів на потоки КПНВЕ від них. А саме, представлено процедуру пошуку анізотропії напрямків прибуття КПНВЕ та їх кореляцій з можливими позагалактичними джерелами. Проведено дослідження впливу Галактичних та позагалактичних магнітних полів на поширення КПНВЕ та модифікацію їх спектру в області високих енергій.

Основними результатами дисертаційної роботи є такі:

1. Серед КПНВЕ зареєстрованих установкою AGASA виявлено 8 пар подій розмірами менше 2.5°. Ймовірність реалізації даної та більшої кількості пар, виявилася рівною 2·10-4. Така статистично значима кластеризація на малих кутах, що відповідають порядку похибок експерименту може свідчити про те, що джерелами принаймні частини КПНВЕ є точкові астрофізичні об’єкти. Для КПНВЕ SUGAR статистично значимої кластеризації не знайдено, що може свідчити про ненадійність даних установки, період роботи якої закінчився біля 30 років тому. Виявлено значиму кореляцію дублету КПНВЕ AGASA з радіогалактикою 3С 123, ймовірність випадкової реалізації виявлених двох пар та більшої кількості пар розмірами менше 1.5° становить 4·10-3. Виявлено також значиму кореляцію КПНВЕ AGASA з галактиками каталогу IRAS PSCz: ARP 299, ARP 220, М 51, NGC4631, M 101, ІС342 (ймовірність випадкової реалізації спостережуваних 9 пар та більшої кількості пар становить 7.4·10-4). Найбільш ймовірними кандидатами в джерела КПНВЕ за сприятливими фізичними умовами для прискорення КПНВЕ є радіогалактика 3C 123, взаємодіючі галактики ARP 299, ARP 220 та близькі гігантські галактики M 101, M 51.

2. Дослідження відхилень КПНВЕ в різних моделях галактичного магнітного поля показали, що найсильнішого відхилення від прямолінійного руху КПНВЕ зазнають у випадку осесиметричного парного поля. Для енергій 4·1019 еВ середнє відхилення складає біля 7°, а максимальне сягає 20° в приекваторіальній галактичній області. Найменше відхилень КПНВЕ зазнають у випадку бісиметричних моделей: середнє значення відхилення для протонів з енергією 4·1019 еВ складає біля 4°, а максимальне – менше 9°.

3. В роботі досліджено вплив позагалактичного магнітного поля на поширення КПНВЕ. Для цього відтворено магнітне поле на основі припущення про степеневу залежність між густиною світності галактик в інфрачервоному діапазоні енергій і величиною магнітного поля. Для нормування поля запропоновано використання величин поля в скупченнях галактик та в порожнинах. Знайдено параметри залежності між світністю галактик та полем для двох випадків – верхньої (модель “сильного” поля) та нижньої (модель “слабкого” поля) межі для індукції магнітного поля в скупченнях та порожнинах.

Побудовано карти відхилень КПНВЕ з енергіями 4·1019 еВ та 1020 еВ в обох моделях магнітного поля, на яких простежуються основні скупчення галактик та галактики з високою світністю в інфрачервоному діапазоні. Більшість площі небесної сфери в моделі “слабкого” магнітного поля зайнято областями, де відхилення склало менше 2° – 3°, так що зберігається кореляція напрямків прибуття протонного компонента КПНВЕ з напрямками на їх можливі джерела. Усереднені значення відхилень по небу показали залежність від моделей та довжини когерентності магнітного поля. Максимальні значення відповідають моделі “сильного” магнітного, що утруднює пошук кореляцій заряджених КП з їх можливими джерелами.

4. В роботі проведено дослідження модифікації спектру КП від точкових джерел – Діва А та ARP 299 позагалактичним магнітним полем. Форма спектру КП від першого об’єкту майже не залежить від магнітного поля. Оцінено верхню межу його світності, яка виявилася рівною 1041 ерг/с. В припущені, що ARP 299 є джерелом триплету подій AGASA з енергіями вище 4·1019 еВ [6], оцінено його світність в КП. Підрахунки дають для випадку без магнітного поля LCR = 1.8·1042 ерг/с, для моделі “слабкого” магнітного поля LCR = 2.2·1042 ерг/с, для моделі “сильного” магнітного поля LCR = 3.0·1042 ерг/с.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Опубліковані праці за темою дисертації

1. Гнатик Б.І., Елиїв А.А. Пошуки джерел космічних променів надвисоких енергій // Вісник астрономічної школи. – 2003. – Т. 4. – №2. – С. 112 – 116.

2. Гнатик Б.І., Елиїв А.А. Пошуки кореляцій між напрямками приходу космічних променів надвисоких енергій та розподілом на небі їх можливих джерел // Вісник КНУ, Астрономія – 2003. – Вип. 40. – C. 66 – 70.
3. Elyiv А., Hnatyk В. The time delay of extragalactic cosmic rays in the galactic magnetic field // Odessa Astronomical Publications – 2004. – V. 17. – P. 30 – 32.

4. Елиїв А.А., Гнатик Б.І. Пошук рекурентних джерел коротких гамма-спалахів // Вісник КНУ, Астрономія – 2005. Вип. 41. – С. 17 – 21.

5. Гнатик Б.І., Елиїв А.А. Відхилення космічних променів надвисоких енергій у магнітному полі галактики // Кинематика и физика небес. тел – 2006. – Т. 22. – № 3. – С. 204 – 207.

6. Елиїв А.А., Гнатик Б.І. Кореляція космічних променів надвисоких енергій з різними класами позагалактичних об’єктів: внесок найближчих та найяскравіших членів вибірок // Кинематика и физика небес. тел – 2006. – Т. 22. – № 4. – С. 297 – 307.

7. A. Elyiv. UHECRs deflections in the IRAS PSCz catalogue based models of extragalactic magnetic field // E-print Astro-ph 0611696. – 2006. (електронна адреса http://arxiv.org/abs/astro-ph/0611696).

Тези конференцій

8. Elyjiw A., Hnatyk B. Search for ultra high energy cosmic rays sources // Програма і тези доповідей. Астрономічна школа молодих вчених. Біла Церква: Київський інститут післядипломної освіти. – 2002. – C. 16.

9. Hnatyk B., Elyiv A.