Плазменная астрофизика

Основные результаты, полученные при изучении астрофизической плазмы, находящейся в экстремальных условиях, связаны с интерпретацией наблюдаемых спектральных и временных особенностей излучения различных компактных объектов, диагностикой физических условий в их окрестности, анализом кинетических процессов в плазме релятивистских джетов и ударных волн и построением моделей аккреционных дисков, источников гамма-всплесков, микроквазаров и активных ядер галактик. Большой вклад в эти исследования внесли В. В. Железняков, В. В. и Вл. В. Кочаровские, Е. В. Деришев. К числу достижений, полученных в этом направлении в последнее время, можно отнести следующие.

Развита теория переноса излучения в плазме белых карликов и нейтронных звезд, сильные магнитные поля которых обусловливают определяющую роль циклотронного рассеяния и намагничения вакуума в переносе излучения и даже в динамике плазмы. Вопреки бытовавшим представлениям, показано, что перераспределение фотонов по частоте в циклотронной линии на порядки увеличивает вероятность выхода фотонов с больших оптических глубин, делая формирование циклотронных особенностей в значительной мере не локальным и позволяющим судить о структуре и параметрах довольно глубоких слоев атмосферы компактных звезд.

Определена зона параметров атмосфер белых карликов и нейтронных звезд, в которой возможно возникновение циклотронного ветра, и оценен вызванный последним темп потери массы этих звезд. Полученные результаты свидетельствуют о том, что циклотронный ветер может возникать в широкой области параметров магнитоактивной плазмы, отвечающей ряду реально наблюдаемых астрономических объектов, для которых предсказанный темп потери массы позволяет ожидать значительную перестройку их магнитосфер и формирование так называемых дисконов.

Построены физические модели релятивистских джетов в источниках гамма-всплесков и активных ядрах галактик. Разработаны механизмы ускорения частиц в плазме джетов, согласованные с генерирующим сопутствующим излучением и позволяющие объяснить ряд наблюдаемых особенностей спектров и кривых блеска, а также указать возможные свойства излучения в рентгеновском, мегаэлектрон-вольтном и гигаэлектрон-вольтном диапазонах энергий.

Предсказаны основные свойства внеосевого излучения релятивистских джетов блазаров и микроквазаров в гамма-диапазоне и разработан метод определения относительного содержания холодных электронов в плазме блазаров по поляризации их синхротронного излучения.

Выяснена существенная роль свободных нейтронов в динамике релятивистской плазмы в источниках гамма-всплесков и создана теория нейтринного излучения этих источников, включающая возможность эффективного торможения релятивистских джетов благодаря излучению нейтрино распадающимися пионами.

Аналитически построен широкий класс решений для стационарных токовых слоев и филаментов в бесстолкновительной многокомпонентной плазме – релятивистской и нерелятивистской, предоставляющих основу единого описания динамики самосогласованного тока и магнитного поля в различных астрофизических объектах и бесстолкновительных ударных волнах с произвольным энергетическим распределением частиц. В частном случае степенного типа усредненной по углам функции распределения по энергии показано, что при определенных условиях в спектре синхротронного излучения частиц, образующих самосогласованные токовые слои и филаменты, имеются характерные особенности в форме изломов и/или экстремумов, наблюдение которых может позволить получать информацию о параметрах подобных токовых структур.

Проведена разработка предложенного ранее в ИПФ РАН конверсионного механизма ускорения заряженных частиц при их движении в неоднородных релятивистских потоках плазмы в условиях многократных превращений, например фотоиндуцированных, частиц из заряженных (протон или электрон/позитрон) в нейтральные (нейтрон или фотон) и обратно. Установлены особенности происхождения космических лучей сверхвысоких энергий вплоть до ~10²¹ эВ.

Дан теоретический анализ особенностей формирования динамического спектра и распространения низкочастотного излучения, а также его динамического (пондеромоторного) воздействия на плазму в магнитосферах нейтронных звезд и в релятивистских джетах.

Исследованы радиационные и кинетические процессы внутри фронта ударной волны, распространяющейся в очень плотной и горячей плазме, например, ударной волны внутри сверхновой звезды в процессе ее взрыва. В результате показана возможность перехода из режима радиационно-доминированного фронта (ширина фронта определяется давлением излучения) в режим вязкого фронта (ширина определяется длиной свободного пробега частиц), что сопровождается резким подъемом температуры плазмы за фронтом и генерацией мощного импульса высоко-энергетических нейтрино.

Развита модель двойных звездных систем, включающих массивную звезду и компактный объект, которые являются источниками жесткого гамма-излучения. Модель дает удовлетворительное объяснение наблюдениям и основана на эффекте положительной обратной связи, когда электроны и позитроны, ускоренные на фронте ударной волны между пульсарным и звездным ветром, генерируют синхротронное излучение, которое увеличивает число электрон-позитронных пар за счет их двухфотонного рождения внутри релятивистского пульсарного ветра.

К перспективным направлениям фундаментальной физики космической плазмы, которые в настоящее время активно развиваются в ИПФ РАН, относятся:

• формирование динамических спектров естественного электромагнитного излучения: эффекты генерации, распространения и взаимодействия (линейного и нелинейного) различных волн в неравновесной космической плазме;
• самосогласованное циклотронное и синхротронное взаимодействие мощного электромагнитного излучения с неоднородной движущейся плазмой с учетом ее неравновесности, вызванной воздействием излучения на частицы;
• ускорение заряженных частиц и коллективные процессы в многокомпонентной плазме, в том числе в условиях эффективного взаимопревращения частиц и/или фотонов;
• плазменные явления на стыке магнитогидродинамических и кинетических процессов в неоднородных средах с потоками частиц и развитым электромагнитным излучением.