Заполнение электрон-позитронной плазмой магнитосферы сильно замагниченных нейтронных звезд

• Автор: Собьянин, Денис Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с.

Оглавление
1 Введение
2 Рождение электрон-позитронной плазмы в сильном магнитном поле
2.1 Кинетическое уравнение для релятивистских частиц
2.2 Расщепление фотона в сильном магнитном поле
2.3 Рождение электрон-позитронной плазмы
2.4 «Линия смерти» для магнитаров
3 Движение и накопление частиц в вакуумной магнитосфере
3.1 Структура вакуумной! магнитосферы
3.2 Движение заряженных частиц
3.3 Колебания заряженных частиц вблизи бсссиловой поверхности
3.4 Торможение движения частиц
3.5 Захват заряженных частиц
3.6 Траектории частиц на бесснловой поверхности
3.7 Накопление электрон-позитронной плазмы
4 Заполнение магнитосферы электрон-позитронной плазмой
4.1 Рождение электронов и позитронов
4.2 Уравнения Максвелла
4.3 Динамическая экранировка продольного электрического поля .
4.4 Интегральное уравнение для самосогласованного источника элек-
трон-нозитрониой плазмы
4.5 Преобразование Меллина
4.6 Полоса аналитичности
4.7 Ннзкоэнергетпческая асимптотика
4.8 Начальная стадия формирования «молнии»
4.9 Вклад в источник от отдельных частиц
4.10 Временная задержка и эффективный локальный источник
4.11 Учёт экранировки
4.12 Рождение частиц до экранировки

4.13 Рождение частиц при экранировке
4.14 Вычисление для степенной зависимости
4.15 Радиус плазменной трубки и множественность
4.16 Приложение к Ю1АТ
5 Заключение
Литература

1 Введение
В физике радиопульсаров довольно подробно исследована стационарная структура магнитосферы радиопульсаров. При этом имеется в виду не вакуумная магнитосфера, а магнитосфера, заполненная плотной электрон-позитрон-ной плазмой. Это связано с тем, что радиоизлучение, генерируемое в магнитосфере потоком заряженных частиц, требует для своего объяснения существования механизма производства плотной плазмы. Такой механизм, предложенный Старроком [92] и существенно развитый Рудерманом и Сазерлендом [85], состоит в том, что в сильном магнитном поле у поверхности нейтронной звезды, являющейся радиопульсаром, В св 1012 Гс, возможно эффективное рождение электроп-позитронной пары гамма-квантом, имеющим энергию, большую, чем удвоенная энергия покоя электрона ] 15; 47]. В свою очередь, энергичные гамма-кванты излучаются электронами и позитронами при их движении в магнитосфере вдоль силовых линий магнитного поля, имеющих существенную кривизну. Такие фотоны называются пзгибнымп. Процессы излучения фотонов и их поглощения в магнитном поле, сопровождающиеся рождением электрон-по-зитронных пар, позволяют построить теорию стационарного рождения плазмы в магнитосфере замагнпченнон вращающейся нейтронной звезды [35|. При этом плотность рождённой плазмы п значительно превышает так называемую плотность Гольдрайха-Джулиана [51], noj = |fî • В|/2тгсе, которая обеспечивает стационарное вращение магнитосферы вплоть до световой поверхности, Ri = c/Q. Здесь - угловая частота вращения звезды, с — скорость света, е — заряд позитрона. Величина множественности рождения электрон-познтронной плазмы. Ато = n/iiaj, составляет большую величину, Хт ~ 104—10° [9]. Однако из наблюдений стационарно работающих радиопульсаров довольно трудно попять, каков механизм генерации радиоизлучения в их магнитосферах, где и как происходит рождение плазмы. Проследить динамику развития излучения на разных частотах было бы очень важно для понимания физических процессов, происходящих в магнитосфере радиопульсаров (52]. Кроме того, в последнее время появилось много наблюдений нестационарно работающих радиопульсаров. Это, прежде всего, так называемые выключающиеся радиопульсары, у которых радиоизлучение наблюдается только в течение определенного отрезка времени, значительно превышающего период вращения звезды. Так, пульсар

распределения В^) — ВВ'(7) и плотности плазмы п = Вп', поэтому вблизи поверхности отношения функций распределения и плотностей для случаев сильного и слабого магнитных полей имеют вид

f>(7) 2/а„у/з ВЦ

3 Л/

где ао — 4/3/3qW a и напряжённости магнитных полей на поверх-
ности обычного пульсара и магнитара. При вычислении отношений (56) и (57) МЫ воспользовались условиями 7min <С 7max и (z — Rs)/Rs 1.
В формулах (51), (53), (54) и (55) стоит множитель, растущий при z —■> 00. Это связано с тем, что мы считали выполненным условие (18), т.е. мы предполагали, что длина свободного пробега изгибного фотона достаточно мала, поэтому функции распределения и напряжённости магнитных полей в точке излучения фотона и в точке его поглощения совпадают. Но если ~ Хтах = zq/po, то длина свободного пробега велика, и рождение электрон-познтронной пары происходит на расстояниях, значительно превышающих zo, поэтому интенсивность рождения частиц падает с ростом г, и при достижении некоторого характерного значения zst функция распределения F[{7) выходит на стационарное значение.
Легко оценить характерное значение zst с помощью энергетических соображений. Плотность энергии первого поколения частиц в магнитосфере магнитара не может превышать плотность энергии первичных частиц, ускоренных во внутреннем зазоре. Плотность энергии, нормированная на величину магнитного поля, имеет вид
, , о 23/6 р’ (®) _ £ р|
1 32тг
(Уав1Г1/2яо~1^)4/
Во ах

4/31 7п1Ш ]

. (58)
С учётом выражения (58) условие < Uo7o/2/i0 преобразуется к виду

-£-Г - ,

~ 100.