ПКЛ 01

Корональное электричество активных карликовых звезд типа Солнца как

универсальный ускоритель заряженных частиц в Галактике

Ю.С. Копысов1, Ю.И. Стожков2

1Институт ядерных исследований РАН, Москва 2Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва

29-я РККЛ, Москва, ФИАН, 3-7 августа 2006 stozhkov@fian.fiandns.mipt.ru

Плотность вспыхивающих звезд(flare stars) в Галактике равна~ 0.056 звезд/пк3. Полная плотность звезд в ~ 2 разавыше (~ 0.133 звезд/пк3).

(Р.Е. Гершберг «Активность солнечного типа звезд главной последовательности», изд-во Астропринт, Одесса, 2002 г., 688 стр.)

Карлики – звезды главнойпоследовательности классов G – M.

Температуры – (6000 – 2500) К

(красный карлик AU Mic, находящийся отСолнца на r = 10 пк, имеет Тк = 4107 К)

Массы – (1 – 0.06) М๏

Радиус – (1 – 0.1) R๏

Cветимости – (2 – 0.0008) L๏

(L๏ = 3.86 1033 эрг/с)

Вспыхивающие звезды излучают в Н и других

эмиссионных линиях водорода, имеют мощное рентгеновское излучение.  Для Солнца в рентгеновском диапазоне (1-8 Å) имеем (Lx/Lbol) 109, на красных карликах это отношение

равно (Lx/Lbol) 106.

У самых активных карликов <Lx > 1030 эрг/c. У

Солнца в min солнечной активности <Lx๏> 21026

эрг/c, в max <Lx๏> 51029 эрг/c.

 Красные карлики имеют более мощный звездный ветер. Солнце теряет ~ (10-14 - 10-15) M๏/год, красные

карлики теряют ~ (10-11 - 10-12) M๏/год.

Пятна на красных карликах были открыты в1959 г. по оптическим и радионаблюдениям (амплитуда изменений ~ 0m.01).

Площадь пятен на Солнце занимает < 0.5 % полной его поверхности, на красных карликахпятна занимают от ~ 10 % до 90 % всейповерхности звезды.

Наблюдается цикличность в изменении числазвездных пятен.

Болометрический дефицит излучения красныхкарликов = S*[(Tphot)

4 – (Tspot)4]/ (Tphot)

4 достигает~ 30 %.

На красных карликах общая запятненность ивспышечная активность на несколько порядковпревышает солнечную. Магнитные поля в пятнах этихзвезд могут достигать ~ 20 кГс.

Вспышки на Солнце: продолжительность – отнескольких минут до нескольких часов; полнаяэнергия оптического излучения вспышки соcтавляет~ (1026 - 1031) эрг.

Во время вспышек на красных карликах оптическаясветимость звезды увеличивается в несколько раз. Полная энергия оптического диапазона увеличиваетсядо ~ 1035 эрг. Длительность звездных вспышек – отдолей секунд до десятков часов.

Например, вспышка 15 июля 1992 г. на AU Micдлилась ~ 2 часа и энергия, которая выделилась за 2 часа в ультрафиолете (65-190 Å) была равна 31034

эрг. Через сутки наблюдалась следующая вспышка cполной энергией EUV 21033 эрг.

AU Mic имеет следующие характеристики: r = 9.9 пк, имеются пятна, (RAU/ R๏) 0.39, (MAU/M๏) 0.52, log LAU 32.38.

Зарегистрировано более 1200 вспыхивающих звезд счислом вспышек более 4000. На UV Get ~ каждый часпроисходит вспышка.

UV Get имеет следующие характеристики: r = 2.7 пс, имеются пятна, (RUV/ R๏) 0.16, (MUV/M๏) 0.1, log LUV 30.91.

Вспышечная активность Солнца на ~ 4 порядкавеличины ниже, чем у самых активных карликов. Полная энергия солнечной вспышки 4 августа 1972 г. оценивается равной 21032 эрг.

Полная энергия мощных звездных вспышек можетдостигать значений до 31036 эрг.

Звездные вспышки были открыты по возрастаниям рентгеновского излучения и радиоизлучения в метровом диапазоне.

Начало солнечной вспышки уверенно определяется по увеличению потока рентгеновского излучения.

В рентгеновском диапазоне вспышки на красных карликах превосходят солнечные на несколько порядков по величине энергии, LX ~ (1030 - 1034) эрг.

Звездные вспышки были открыты по возрастаниямрентгеновского излучения и радиоизлучения вметровом диапазоне.

Начало солнечной вспышки уверенно определяется поувеличению потока рентгеновского излучения.

В рентгеновском диапазоне вспышки на красныхкарликах превосходят солнечные на несколько порядков по величине энергии, LX ~ (1030 - 1034) эрг.

В Галактике плотность энергийwH wГ wКЛ 0.5 эВ/см3. Полная энергия КЛ равна WКЛ = wКЛVГал 1054 эрг, где VГал = 51066 см3 – объем диска Галактики.WКЛ = Р1истnКЛ 1054 эрг.Cредняя мощность 1 вспышки в КЛ на красномкарлике 1035 эрг. Пусть вспышки происходят 1 раз в3.5 дня. Тогда Р1ист 1037 эрг/год.Число источников КЛ: nКЛ = кN = 21010 , гдеN = 21011 – число звезд в нашей Галактике, к = 0.1 - коэффициент. Время жизни КЛ в Галактике107 лет.

Тогда от вспышек на красных карликах имеемWКЛ = Р1истnКЛ (1037 эрг/год) (107 лет) (21010 ) WКЛ 1054 эрг.

Магнитные поля

На Солнце:фоновое поле – В ~ 1 Гс [сосредоточено в малых дискретных трубках c r ~ (100-200) км, где В ~ (1 - 2) кГс]; поле пятен - В ~ (1 – 4) кГс

На красных карликах следует ожидать магнитные поля напряженностью в несколько десятков кГс.

Подгорный И.М., Подгорный А.И.,

Подгорный И.М., Подгорный А.И.,

Максимальная энергия частиц, ускоренных во вспышках

Солнечные вспышки

Wmax=q·Lmax · Emax, Emax = (e/c) ·[Vin max · B]Vin max = VA = B/(4)0.5

Lmax = 1010 cм, B = 300 Гс, = 1010 cм-3

Vin max =VA = 6.7·108 cм/c, Emax= 2·103 В/cм

Wmax = 2·1014 эВ

Максимальная энергия частиц, ускоренных во вспышках

Звездные вспышкиB = 1500 Гс, Wmax=q·Lmax · Emax, Emax= (e/c) ·[Vin max·B]Vin max = VA = B/(4)0.5

Lmax = 1010 cм, B = 1500 Гс, = 1010 cм-3

Vin max =VA = 3·109 cм/c, Emax= 104 В/cм

Wmax = 1015 эВ

)(4)(1 2

2 rqdrd

rdrd

r

q(r) = eZana(r), na(r) – объемная

концентрация частиц, несущих заряд Za в

единицах заряда электрона е (заряд Zе = -1)

Решение уравнения ищем в виде

o = constant при r ro

(r) = eZ [U1(r)/r]; U1(r) = Csin[k(r-ro)+]

при ro < r r1

(r) =eZ [U2(r)/r]; U2(r) = D exp[- (r-r1)]

при r1 r <,

при ro < r r1

при r1 r <

)(

)({

44)(

22

12

2

2

rU

rUk

r

eZ

dr

Ud

r

eZrq k

(1) Условие равенства логарифмических производных U1 и U2 при r = r1:

11

)(1)(1 2

2

1

1rrrr dr

rdUUdr

rdUU

Это требование приводит к следующемуусловию сшивки 2-х решений:

])([ 1 orrkkctg

,...2,1,0),()( 1 nk

arctgrrkn o

( (2)  Условие непрерывности потенциала при r = r1:

)()( 1211 rUrU

22/ kCkD

Это условие дает связь между постоянными С и D:

(3) Условие однородности электрического поля при r rо:

0)(

02

2

rrdr

rd

Это дополнительное условие дает связь между k и :

0)]([

)]([

2

2

01

012

020

rrkktg

rrktgk

rk

kr

(4) Условие электронейтральности:

040

2

drqreZr

Производя интегрирование, находим:

10 )cos(sin krC

Полученные решения реализуют линейный вариант уравнения самосогласованного поля. Характер этих решений не зависит от значений заряда Z. Они универсальны в том смысле, что могут описывать электрическое поле в солнечной короне, коронах красных карликов, в атмосфере Земли. Мы рассчитали конфигурацию, которая описывает электрическое поле, подобное электрическому полю Земли. Для выбранных значений r0 = 1 и r1 = 2.3 мы

приняли = 0.3543. Тогда первые три значения кm

равны: ко = 0.8276, к1= 2.1301, к2 = 4.0823. Состояние с m

= 0 соответствует монотонному убыванию поля с ростом расстояния r. Состояние с m = 1 имеет минимум при r 2, а затем также убывает с ростом r.

,r

NGC 4565 в ИК-диапазоне. Темная эллиптич. область вокруг диска галактики заполнена слабыми красными карликами

Схема строения Галактики

The Energetic Gamma Ray Emission Telescope (EGRET) spectrum of diffuse gamma rays towards the galactic centre. The yellow area represents the contribution from the conventional background, whilst the blue area is the estimated uncertainty in the background shape from solar modulation and the cross-section uncertainties. The red area is the contribution of the gammas from the π0 decays produced by the annihilation of a pair of 60 GeV WIMPs into mono-energetic quark pairs, each having an energy equal to the WIMP mass. Dashed lines indicate individual contributions.

Основные выводы:

-          Энергии, выделяемой в КЛ во время вспышек на карликовых звездах, достаточно, чтобы объяснить наблюдаемую плотность КЛ как в диске Галактики, так и в ее гало.

-          За счет нагрева вещества верхней хромосферы и нижней короны происходит отрыв электронов от ионов и создаются крупномасштабные электрические поля, способные ускорять частица до высоких энергий. Наиболее сильные электрические поля создаются во время солнечных вспышек, когда температура достигает 107 –108 К.