Прискорення космiчних променiв в оболонкових залишках наднових зiр

Роздiл 6 є продовженням “експериментальної” частини роботи.

Якщо в попередньому роздiлi накладалися обмеження на моделi прискорення КП шляхом аналiзу iндивiдуального ЗН, то тут застосовуються методи статистичного аналiзу вибiрок ЗН в нашiй та близьких галактиках. Такий пiдхiд дозволяє виявити закономiрностi поведiнки КП в ЗН, якi є типовими у бiльшостi випадкiв.

Iнтенсивнiсть синхротронного радiовипромiнювання залежить вiд напруженостi магнiтного поля та кiлькостi прискорених електронiв. Од- нак, про механiзми, якi зумовлюють турбулентне посилення та/або компресiю МП та iнжекцiю електронiв в УХ, мало що вiдомо. З точки зору спостережень, вiдомою є так звана “(У ? D)-залежнiсть”, власне емпiрична кореляцiя мiж розмiрами ЗН (D) та їх радiояскравiстю (У). Вiдомими є кiлька спроб (остання - [83]) пояснити залежнiсть У ? D як усереднений еволюцiйний трек “типового” ЗН. В пiдроздiлi 6.1 наводяться аргументи, якi заперечують це твердження. Беркгуйзен [84] виявила статистично значимi кореляцiї мiж У й D i густиною МЗС (n_o ): меншi (i яскравiшi) ЗН, як правило, знаходяться в густiших середовищах (кореляцiя мiж n_o i D була вiдома вже кiлькома роками ранiше; див. рис. 4 в [85]). Отже, кореляцiї мiж У, D i n_o є радше наслiдком ефекту еволюцiї залишкiв в рiзних зовнiшнiх умовах. Спiльним ефектом цих кореляцiй є чiткий тренд no вздовж (У ? D)-залежностi (рис. 6).

Рис. 6. Розподiл ЗН в просторi параметрiв lg D-lg У (D вимiрюється в пк, У - в Вт м^?2 Гц^?1 стер^?1 ). Розмiри крапок пропорцiйнi до lg no , в легендi вказано порядок розмiрiв, якi вiдповiдають змiнi lg no вiд -1.5 до 1.0, з кроком 0.25 (no вимiрюється в см?3 ). Тут i далi представлено ЗН з вибiрки [84].

Метою роздiлу є показати, що традицiйна (У ? D)-залежнiсть вiдкриває лише незначну частину iнформацiї, яка мiститься в даних. Додатковi висновки можна зробити, аналiзуючи розподiли в тривимiрному просторi параметрiв У-D-n_o.

Рис. 7. Розподiл ЗН в просторi lg no -lg D. Кореляцiйну залежнiсть показано штрихованою лiнiєю. Теоретичну пряму, яка вiдповiдає закiнченню адiабатичної стадiї, показано суцiльною лiнiєю.

В пiдроздiлi 6.2 описуються основнi пiдходи, якi використовуються далi для статистичного аналiзу вибiрок ЗН. Показано також, що бiльшiсть видимих в радiодiапазонi ЗН невдовзi завершать адiабатичну ста- дiю еволюцiї, i що ЗН перестають випромiнювати в радiодiапазонi в епоху, близьку до кiнця адiабатичної стадiї. Справдi, кореляцiя мiж D i no , знайдена в [84], близька до D 0.54Dtr, де Dtr = D(ttr ) n?0.4 - теоретичний вираз для дiаметра ЗН наприкiнцi адiабатичної стадiї; важливо, що вiдношення D/D_tr не залежить вiд n_o . Це видно також з рис. 7, де данi Беркгуйзен [84] показано разом з залежнiстю Dtr (no ).

В пiдроздiлi 6.3 тестуються моделi синхротронного випромiнювання з певними припущеннями про поведiнку магнiтного поля i прискорених електронiв. Розглянемо параметризацiю

У(D, n_o ) D^p n^q , D < D₂.

Параметри p i q можуть бути одержанi незалежно з вибiрки ЗН шляхом застосування лiнiйної регресiї; таким чином було побудовано рис. 8. На рисунку також нанесено точки, якi вiдповiдають двом моделям поведiнки КП i МП в ЗН: “Model A” означує випадок, коли частка енергiї, яка передається до КП i МП вiд УХ є постiйною (коли МП спершу турбулентно посилюється, а потiм компресується УХ [83]); “Model B” вiдповiдає випадку, коли постiйною є лише частка енергiї, яка передається КП, а МП є постiйним (тобто лише компресується). Модель А суперечить даним спостережень.



Рис. 8. Довiрчi рiвнi (для 1, 2 i 3у) в просторi параметрiв p ? q. Лiнiя показує напрям максимального розкиду. Показано також два теоретичнi передбачення: “Model A” (?17/4, 0) i “Model B” (?2, 0).

Висновки з пiдроздiлiв 6.2 i 6.3 пiдтверджуються в пiдроздiлi 6.4 аналiзом незалежної вибiрки ЗН, а саме ЗН з галактики M33.

В пiдроздiлi 6.5 аналiзується кумулятивний розподiл кiлькостi ЗН з розмiром, меншим за даний дiаметр (залежнiсть N -lg D); традицiйне пояснення природи цього розподiлу породжує парадокс. Для Магелланових Хмар було одержано майже лiнiйний розподiл (N D1.2 ) для ЗН з дiаметрами аж до 40 пк. Лiнiйний розподiл звичайно розглядав-ся як свiдчення того, що ЗН знаходяться на стадiї вiльного розлiтання. Однак, якщо дiаметр ЗН складає 40 пк, нагребена маса складає (1000/no) M. Отже, такi ЗН повиннi були вже давно перейти в адiабатичну стадiю, а тому достатньо сильно сповiльнитися. Шлях розв'язку цього парадокса природньо виникає в нашому пiдходi: кумулятивний розподiл ЗН за розмiрами визначається не законом руху УХ, а статистичним розподiлом густин МЗС, в яких розвиваються залишки. Це наочно продемонстровано на рис. 9.

В додатках наведено промiжнi математичнi виведення, результати яких використано в основнiй частинi дисертацiї. Так, в додатках A i B отримано наближенi розподiли параметрiв, якi описують еволюцiю потоку та популяцiї прискорених електронiв за фронтом сильної адiабатичної ударної хвилi, яка поширюється в середовищах зi степеневим (додаток A) i однорiдним (додаток B) розподiлами густини. Додаток С присвячено виведенню та аналiзу меж застосування наближених фор- мул, якi описують азимутальний та радiальний розподiли поверхневої яскравостi адiабатичного ЗН в однорiдному середовищi; аналiз факторiв, якi є визначальними у формуваннi розподiлiв яскравостi в радiо-, рентґенiвському та гама-дiапазонах, проведено на основi цих формул

Рис. 9. Кумулятивний розподiл ЗН за дiаметрами. Розмiр крапок пропорцiйний lg no для останнього ЗН, який увiйшов в кумулятив. Розмiри вiдповiдають густинам середовищ так само, як на рис. 6.

в роздiлi 4.2. В додатку D наведено методику та вiдповiднi теоретичнi виведення, необхiднi для розрахунку iнтегралу, який описує радiацiйнi втрати популяцiї високоенергетичних електронiв вниз за течiєю пiсля проходження нею ударної хвилi, що рухається в середовищi з неоднорiдним розподiлом густини та/або напруженостi магнiтного поля; iнтеграл використовується для синтезу карт поверхневої яскравостi ЗН в неоднорiдних середовищах i полях (пiдроздiл 4.4). Додатки E i F присвяченi виведенню повних виразiв, якi описують розподiл яскравостi (додаток E) i спектр (додаток F) адiабатичного ЗН в однорiдному середовищi, зумовленi синхротронним випромiнюванням i зворотним ефектом Комптона; вирази застосовано до аналiзу даних спостережень залишка наднової SN 1006 в пiдроздiлi 5.4.

ВИСНОВКИ

Дисертацiйна робота є пiдсумком дослiдження властивостей приско- рення космiчних променiв на прямих ударних хвилях в оболонкових залишках наднових зiр. Вона мiстить як теоретичне моделювання, так i аналiз спостережуваних даних. Структурно робота спершу розв'язує ряд задач динамiки УХ в неоднорiдних середовищах та кiнетики заряджених часток в околi за фронтом УХ, вiдтак проводиться моделювання нетеплового випромiнювання релятивiстських електронiв в ЗН. Порiвняння моделей зi спостереженнями проводиться на прикладi залишка наднової 1006 року та шляхом статистичного аналiзу вибiрок ЗН в нашiй та сусiднiх галактиках.

Робота започатковує новий напрям аналiзу карт розподiлу поверхневої яскравостi залишкiв наднових зiр; в нiй розроблено ряд нових методiв моделювання еволюцiї i випромiнювання КП в ЗН.

Основнi результати дослiджень, представлених у дисертацiї, такi:

1. Радiокарта ЗН та результати просторової рентґенiвської спектроскопiї мiстять iнформацiю про розподiл релятивiстських електронiв i магнiтного поля в ЗН. Ця iнформацiя може бути використана для передбачення зображення ЗН в гама-дiапазонi внаслiдок випромiнювання електронiв шляхом зворотного ефекту Комптона. Згенерованi таким чином зображення SN 1006 спiвпадають з картою, одержаною пiд час спостережень системи черенковських телескопiв HESS. Цей факт свiдчить на користь iдеї про те, що гама-випромiнювання SN 1006 є електронним за своєю природою.

2. Карти яскравостi ЗН внаслiдок нетеплового випромiнювання є важливим джерелом iнформацiї для теоретичного i експериментального вивчення властивостей космiчних променiв i магнiтного поля в ЗН. Теоретичнi карти розподiлу поверхневої яскравостi ЗН внаслiдок електронного випромiнювання в радiо-, рентґенiвському та в гама-дiапазонi виявляють, що визначальними факторами формування азимутального розподiлу яскравостi є залежностi ефективностi iнжекцiї, максимальної енергiї та компресiї магнiтного поля вiд кута мiж напрямком руху УХ та вектором напруженостi магнiтного поля; а радiального розподiлу - часова еволюцiя ефективностi iнжекцiї, напруженiсть магнiтного поля та адiабатична стала.

3. Неоднорiдне середовище i/або неоднорiдне магнiтне поле зумовлю- ють асиметрiю в розподiлi поверхневої яскравостi ЗН в радiо-, рентґенiвському та гама-дiапазонах. ЗН з двома бiчними арками рiзної яскравостi зумовленi ґрадiєнтом густини МЗС або, бiльш iмовiрно, ґрадiєнтом мiжзоряного МП, перпендикулярним до арок. Збiжнi арки виникають, коли ґрадiєнт є паралельним до них. Ступiнь асиметрiї морфологiї залежить вiд властивостей iнжекцiї та прискорення електронiв; вiн є рiзним у рiзних дiапазонах. На загал, найчутливiшою до ґрадiєнта мiжзоряного МП є синхротронна рентґенiвська яскравiсть. Роль ґрадiєнта мiжзоряного МП найменш помiтною є в гама-дiапазонi.

4. Аналiз даних спостережень ЗН повинен мiстити не лише опрацювання спектрiв, а й карт яскравостi в рiзних дiапазонах. Зокрема, азимутальний розподiл радiояскравостi дозволяє визначити кут мiж мiжзоряним МП i напрямком на спостерiгача, а також накласти обмеження на модель електронної iнжекцiї; у випадку SN 1006 цей кут складає 70^o, а ефективнiсть iнжекцiї не повинна залежати вiд кута мiж зовнiшнiм МП i нормаллю до УХ. Азимутальний розподiл частоти обрiзання спектру, який одержується зi просторово-роздiленого спектрального аналiзу рентґенiвських даних, визначає модель макси- мальної енергiї електронiв; у випадку SN 1006 макимальна енергiя обмежена часом прискорення часток, а вiдношення середньої довжини вiльного пробiгу електронiв до їх ларморового радiуса 1.5. На паралельних дiлянках УХ максимальна енергiя складає 7 ТеВ; вона є бiльшою в 3.3 рази на перпендикулярних УХ. Товщина радiального профiлю рентґенiвської яскравостi узгоджується з напруженiстю МП в 50 µГс. Середня напруженiсть МП в SN 1006 складає 32 µГс, що добре узгоджується з оцiнками, проведеними колаборацiєю HESS в рамках “лептонної” моделi г-випромiнювання цього ЗН.

5. Типова картина еволюцiї ЗН складаєтся з трьох стадiй, якi описуються вiдмiнними моделями: вiльного розлiтання, адiабатичної та радiацiйної. В роботi виявлено необхiднiсть введення додаткової стадiї, перехiдної мiж адiабатичною та радiацiйною, оскiльки властивостi “пост-адiабатичної” УХ не можуть бути адекватно описанi анi в рамках адiабатичного, анi радiацiйного сценарiїв. Тривалiсть перехiдної фази складає близько 70% вiку ЗН на момент, коли порушення умов адiабатичностi починає суттєво впливати на динамiку УХ. Показано, що тривалiсть фази практично не залежить вiд ґрадiєнта густини оточуючого середовища, якщо УХ поширюється в сторону наростання густини. Розроблено наближенi аналiтичнi методи гiдродинамiчного опису динамiки УХ та течiї за фронтом протягом перехiдної та радiацiйної фаз, для УХ, яка поширюється в середовищi з неоднорiдним розподiлом густини. Знайдено аналiтичнi розв'язки системи диференцiальних рiвнянь, якi описують рух радiацiйної УХ в однорiдному середовищi чи середовищi зi степеневим розподiлом густини.

6. Тепловi рентґенiвськi композити, клас ЗН з пiдвищеною яскравiстю центральної частини ЗН внаслiдок теплового рентґенiвського випромiнювання та оболонко-подiбним розподiлом радiояскравостi, можуть бути поясненi як ефект проекцiї дво- чи тривимiрного оболонкового ЗН, який розвивається в неоднорiдному середовищi з масштабом неоднорiдностi ? 10 пк. Такi умови найчастiше трапляються у випадках зiткнень ЗН з молекулярними хмарами, тому тепловi рентґенiвськi композити є перспективними кандидатами для спостережень гама-випромiнювання внаслiдок зiткнень прискорених протонiв з протонами-мiшенями в хмарах.

7. Ефективнiсть iнжекцiї електронiв в процес прискорення Фермi I роду (частка прискорених електронiв) залежить вiд рiвня теплової рiвноваги мiж електронами та протонами в плазмi пiсля її проходження через фронт УХ та є наслiдком двох конкуруючих процесiв: електрони з вищою температурою мають бiльше шансiв повернутися назад до фронту УХ, щоб перетнути його, проте вищий рiвень турбулентностi, який призвiв до вищої температури, перешкоджає цим електронам перетнути фронт й вiдтак розпочати прискорення.

8. Середня поверхнева яскравiсть У, радiус R i концентрацiя середовища n в оболонкових ЗН корелюють мiж собою. Кореляцiя мiж першими двома характеристиками є вiдомою (У-D)-залежнiстю. Аналiз кореляцiй в трьох вказаних координатах показує, що залежнiсть У-D є наслiдком еволюцiї ЗН в рiзних умовах, а не еволюцiйним треком “типового” ЗН. Статистичний аналiз вибiрок ЗН показує, що ЗН перестають випромiнювати в радiодiапазонi в епоху, близьку до кiнця адiабатичної стадiї; що моделi синхротронного випромiнювання з припущеннями про те, що частка енергiї, яка передається вiд УХ до КП i МП, є постiйною, не пiдтверджуються даними; що нахил кумулятивного розподiлу ЗН за розмiрами визначається не законом руху УХ, а розподiлом густин МЗС, в яких розвиваються ЗН.

ОСНОВНI РЕЗУЛЬТАТИ ОПУБЛIКОВАНI В РОБОТАХ

1. Petruk O. X-ray emission of the remnants of aspherical supernova explosions / Petruk O. // Кинематика и физика небесных тел. Додаток. - 2000. - № 3. - С. 132-135.

2. Petruk O. Approximations of the self-similar solution for a blastwave in a medium with power-law density variation / Petruk O. // Astr. & Aph. - 2000. - V. 357. - P. 686-696.

3. Petruk O. Thermal X-ray composites as an e?ect of pro jection / Petruk O. // Astr. & Aph. - 2001. - V. 371. - P. 267-273.

4. Petruk O. X-rays from Supernova Remnants in 3-D: Models and Effects / Petruk O. // Astr. Society of Paci?c Conf. Proc. - 2001. - V. 251. - P. 266-267.

5. Petruk O. Model for synchrotron X-rays from shell supernova remnants in nonuniform interstellar medium and nonuniform magnetic ?eld / Petruk O. // J. Phys. Studies. - 2002. - V. 6, No. 4. - P. 455-461.

6. Berezinsky V. Spectra of ultra high energy cosmic rays from astrophysical sources. Uniform extragalactic magnetic ?eld / Berezinsky V., Grigorieva S., Petruk O. // Вiсник Київського нацiонального унiверситету. Астрономiя. - 2003. - Т. 40. - С. 60-63.

7. Bandiera R. Analytic solutions for the evolution of radiative supernova remnants / Bandiera R., Petruk O. // Astr. & Aph. - 2004. - V. 419. - P. 419-423.

8. Petruk O. On the transition of the adiabatic supernova remnant to the radiative stage in a nonuniform interstellar medium / Petruk O. // J. Phys. Studies. - 2005. - V. 9, No. 4. - P. 364-373.

9. Petruk O. In?uence of thermalisation on electron injection in supernova remnant shocks / Petruk O., Bandiera R. // J. Phys. Studies. - 2006. - V. 10. - P. 66-73.

10. Petruk O. The arti?cial broadening of the high-energy end of electron spectrum in supernova remnants / Petruk O. // Astr. & Aph. - 2006. - V. 460. - P. 375-379.

11. Петрук О. Синхротронне та теплове випромiнювання залишкiв наднових зiр в рентґенiвському дiапазонi. Слабкi радiацiйнi втрати електронiв / Петрук О., Бешлей В. // Кинематика и физика небесных тел. - 2007. - Т. 23, № 1. - С. 25-39.

12. Гнатик Б. Перехiд залишкiв Наднових з адiабатичної до радiацiйної стадiї еволюцiї. Аналiтичний опис / Гнатик Б., Петрук О., Тєлєжинський I. // Кинематика и физика небесных тел. - 2007. - Т. 23, № 4. - С. 195-206.

13. Orlando S. On the origin of asymmetries in bilateral supernova remnants / Orlando S., Bocchino F., Reale F., Peres G., Petruk O. // Astr. & Aph. - 2007. - V. 470. - P. 927-939.

14. Петрук О. Синхротронне випромiнювання залишкiв наднових зiр в рентґенiвському дiапазонi. Експоненцiйне обрiзання спектру електронiв / Петрук О., Бешлей В. // Кинематика и физика небесных тел. - 2008. - Т. 24, № 3. - С. 216-230.

15. Petruk O. Approximation of the radiation power of electrons due to the inverse-Compton process in the black-body photon ?eld / Petruk O. // Astr. & Aph. - 2008. - V. 499. - P. 643-648.

16. Petruk O. Some properties of synchrotron radio and inverse-Compton gamma-ray images of supernova remnants / Petruk O., Beshley V., Bocchino F., Orlando S. // Mon. Not. Roy. Ast. Soc. - 2009. - V. 395. - P. 1467-1475.

17. Petruk O. Aspect angle for interstellar magnetic ?eld in SN 1006 / Petruk O., Dubner G., Castelletti G., Bocchino F., Iakubovskyi D., Kirsch M.,

Miceli M., Orlando S., Telezhinsky I. // Mon. Not. Roy. Ast. Soc. - 2009. - V. 393. - P. 1034-1040.

18. Miceli M. Thermal emission, shock modi?cation, and X-ray emitting ejecta in SN 1006 / Miceli M., Bocchino F., Iakubovskyi D., Orlando S., Telezhinsky I., Kirsch M., Petruk O., Dubner G., Castelletti G. // Astr. & Aph. - 2009. - V. 501. - P. 239-249.

19. Petruk O. Predicted г-ray image of SN 1006 due to inverse Compton emission / Petruk O., Bocchino F., Miceli M., Dubner G., Castelletti G., Orlando S., Iakubovskyi D., Telezhinsky I. // Mon. Not. Roy. Ast. Soc. - 2009. - V. 399. - P. 157-165.

20. Bandiera R. A statistical approach to radio emission from shell-type SNRs. I. Basic ideas, techniques, and ?rst results / Bandiera R., Petruk O. // Astr. & Aph. - 2010. - V. 509. - id. A34 (9 p.).

21. Orlando S. E?ects of non-uniform interstellar magnetic ?eld on synchrotron X-ray and inverse-Compton г-ray morphology of supernova remnants / Orlando S., Petruk O., Bocchino F., Miceli M. // Astr. & Aph. - 2011. - V. 526. - id. A129 (15 p.)

22. Petruk O. Observational constraints on the modeling of SN1006 [Електронний ресурс] / Petruk O., Beshley V., Bocchino F., Miceli M., Orlando S. // Mon. Not. Roy. Ast. Soc. - 2010. - accepted. - 15 p. - http://arxiv.org/pdf/1012.4586v1.

23. Petruk O. Radio, X-ray and gamma-ray surface brightness pro?les as powerful diagnostic tools for non-thermal SNR shells [Електронний ресурс] / Petruk O., Orlando S., Beshley V., Bocchino F. // Mon. Not. Roy. Ast. Soc. - 2010. - accepted. - 15 p. - http://arxiv.org/pdf/1012.4579v1.

24. Гнатик Б. Повний опис точкового вибуху в неоднорiдному середовищi в рамках радiацiйної газодинамiки / Гнатик Б., Петрук О. // Математичнi методи та фiзико-механiчнi поля. - 2002. - Т. 45, № 4. - С. 53-60.

25. Petruk O. A New Model for the Thermal X-ray Composites and the Neutral Pion Decay Gamma-Rays from Supernova Remnants / Petruk O. // Astrophysical Sources of High Energy Particles and Radiation / Eds. Wefel J., Shapiro M., Stanev T. - Kluwer Academic Publishers, 2001. - P. 93-100.

26. Петрук О. Рух радiативної ударної хвилi в середовищi з неоднорiдним розподiлом густини / Петрук О. // Математичнi проблеми механiки неоднорiдних структур / Наук. збiрник в 2 тт. - Т. 2. - Львiв, 2006. - С. 142-144.

27. Петрук О. Рух радiативної ударної хвилi пiд дiєю газу з ненульовою масою / Петрук О. // Сучаснi проблеми механiки та математики / Наук. збiрник в 3 тт. - Львiв, 2008. - Т. 3. - С. 144-146.

Тези конференцiй

28. Petruk O. X-rays from supernova remnants in 3-D: models and effects / Petruk O. // International Conference “New Century in X-ray Astronomy” (Yokohama, Japan, 6-8 March 2001). Abstracts. - P. 39.

29. Березiнський В. Математичнi пiдходи в моделюваннi поширення космiчних променiв надвисоких енергiй / Березiнський В., Шардоне П., Грiгор'єва С., Петрук О. // Конференцiя “Новi пiдходи до розв'язку диференцiальних рiвнянь” (Дрогобич, 1-5 жовтня 2001). Тези. - С. 13.

30. Петрук О. Синхротронне рентґенiвське випромiнювання несферичних залишкiв наднових зiр / Петрук О. // Конференцiя “Вибранi питання астрономiї та астрофiзики”, присвячена пам'ятi Б. Бабiя (Львiв, 1-5 квiтня 2002). Тези. - С. 67.

31. Березiнський В. Поширення космiчних променiв надвисоких енергiй у локальному надскупченнi галактик / Березiнський В., Шардоне П., Грiгор'єва С., Петрук О. // Конференцiя “Вибранi питання астрономiї та астрофiзики”, присвячена пам'ятi Б. Бабiя (Львiв, 1-5 квiтня 2002). Тези. - С. 14.

32. Petruk O. Electron injection on the shocks of Supernova Remnants / Petruk O., Bandiera R. // 35-th COSPAR Scienti?c Assembly (Paris, France 18-25 July 2004). Abstracts. - P. 1090.

33. Berezinsky V. Spectra of UHECRs from Astrophysical Sources: Overdensity in Distribution of Luminous Matter and Extragalactic Magnetic Fields / Berezinsky V., Grigorieva S., Petruk O. // Мiжнародна конференцiя “Астрофiзика та космологiя пiсля Гамова” (Одеса, 8-14 серпня 2004). Тези. - С.105.

34. Petruk O. Electron Injection and Acceleration on the Shocks of Supernova Remnants / Petruk O., Bandiera R. // Мiжнародна конференцiя “Астрофiзика та космологiя пiсля Гамова” (Одеса, 8-14 серпня 2004). Тези. - С. 112.

35. Петрук О. Аналiтичнi розв'язки задач iнжекцiї та прискорення космiчних променiв нерелятивiстськими ударними хвилями / Петрук О. // Конференцiя iм.В.Я.Скоробогатька (Дрогобич, 27 вересня - 1 жовтня 2004). Тези. - С. 172.

36. Telezhinsky I. Galactic supernova remnant survey with INTEGRAL / Telezhinsky I., Hnatyk B., Petruk O. // VI Мiжнародна Конференцiя “Релятивiстська астрофiзика, гравiтацiя, космологiя” (Київ, 24-26 травня 2006). Тези. - С. 20.

37. Elyiv A. Extragalactic magnetic ?eld and distribution of UHECR sources on the basis of IRAS PSCz catalogue / Elyiv A., Petruk O., Hnatyk B.

// VI Мiжнародна Конференцiя “Релятивiстська астрофiзика, гравiтацiя, космологiя” (Київ, 24-26 травня 2006). Тези. - С. 20.

38. Elyiv A. Spectrum of turbulence of the extragalactic magnetic ?eld and IRAS PSCz catalogue / Elyiv A., Petruk O., Hnatyk B. // IAU XXVI-th General Assembly. Joint Discussion 1: Cosmic Particle Acceleration (Prague, Czech Republic, 16-17 August, 2006). Abstract Book. - P. 254.

39. Beshley V. Geometry of electron injection and synchrotron maps of supernova remnants / Beshley V., Petruk O. // Четверта наукова конференцiя “Вибранi питання астрономiї та астрофiзики” (Львiв, 19-21 жовтня 2006). Тези. - С. 65.

40. Petruk O. Dependence of the electron injection efficiency on the shock velocity in supernova remnants: limitations from observations / Petruk O. // Четверта наукова конференцiя “Вибранi питання астрономiї та астрофiзики” (Львiв, 19-21 жовтня 2006). Тези. - С. 83.

41. Orlando S. Supernova remnants in nonuniform medium and nonuniform magnetic ?eld: synchrotron morphology and prospects for microphysics / Orlando S., Bocchino F., Petruk O. // VII Мiжнародна Конференцiя “Релятивiстська астрофiзика, гравiтацiя, космологiя” (Київ, 23-25 травня 2007). Тези. - С. 12.

42. Orlando S. On the origin of asymmetries in bilateral supernova remnants / Orlando S., Bocchino F., Reale F., Peres G., Petruk O. // A Workshop On the Future of Supernova Remnant Research “Endpoints and Interactions” (Honolulu, Hawaii, May 24-25, 2007). Programme and Abstracts. - P. 14.

43. Петрук О. Моделювання залишкiв наднових зiр в середовищi з неоднорiдними магнiтним полем та густиною. Спостережуванi обмеження на кiнетику заряджених часток / Петрук О., Орландо С., Боккiно Ф. // Мiжнародна математична конференцiя iм.В.Я.Скоробогатька (Дрогобич, 24-28 вересня 2007). Тези. - С. 223.

44. Petruk O. Approximation of the gamma-ray emissivity due to inverse-Compton process and gamma-ray images of supernova remnants / Petruk O., Beshley V. // 8-th Annual International Conference “Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology” (Kyiv, 21-23 May, 2008). Book of Abstracts. - P. 24.

45. Petruk O. X-ray emission of the shock of SN 1006. Constraints on electron kinetics / Petruk O., Telezhinsky I., Iakubovskyi D., Kirsch M., Dubner G., Castelletti G., Bocchino F., Miceli M. // International Conference “The X-ray Universe” (Granada, Spain, 27-30 May 2008). Abstract Book. - P. 69.

46. Bocchino F. The outer shock of SN 1006 / Bocchino F., Telezhinsky I., Iakubovskyi D., Kirsch M., Dubner G., Casteletti G., Petruk O., Miceli M.//

37th COSPAR Scienti?c Assembly (Montreal, Canada, 13-20 July 2008). Abstract CD [Електронний ресурс]. - id. E13-0008-08 (1 p.).

47. Bandiera R. On the origin of some empirical relations in supernova remnant samples / Bandiera R., Petruk O. // 37th COSPAR Scienti?c Assembly (Montreal, Canada, 13-20 July 2008). Abstract CD [Електронний ресурс]. - id. E13-0026-08 (1 p.).

48. Петрук О. Властивостi розподiлу поверхневої яскравостi залишкiв наднових в радiо, рентґенiвському i гама дiапазонах / Петрук О., Бешлей В. // П'ята наукова конференцiя пам'ятi Б.Бабiя “Вибранi питання астрономiї та астрофiзики” (Львiв, 6-8 жовтня 2008). Тези. - С. 67-68.

49. Beshley V. Nonthermal images of supernova remnants / Beshley V., Petruk O. // 9-th Annual International Conference “Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology” (Kyiv, May 27-29, 2009). Book of Abstracts. - P. 20.

50. Petruk O. Leptonic origin of the gamma-ray image of SN 1006 / Petruk O., Bocchino F., Miceli M., Dubner G., Castelletti G., Orlando S., Iakubovskyi D., Telezhinsky I. // 9-th Annual International Conference “Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology” (Kyiv, May 27-29, 2009). Book of Abstracts. - P. 24.

51. Beshley V. Very-high energy gamma-ray images of supernova remnants due to inverse-Compton scattering / Beshley V., Petruk O. // 4-th International Conference “Astrophysics and Cosmology after Gamow: recent progress and new horizons” (Odessa, 17-23 August, 2009). Program and Abstracts. - P. 25.

52. Orlando S. E?ects of non-uniform interstellar magnetic ?eld on synchrotron and inverse compton emission of SNRs / Orlando S., Petruk O., Bocchino F., Miceli M. // Conference “Chandra's First Decade of Discovery” (Boston, USA, 22-25 September, 2009). Abstracts. - id. 173 (1 p.).

53. Beshley V. Nonthermal images of supernova remnants / Beshley V., Petruk O., Orlando S., Bocchino F. // 10-th Annual International Conference “Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology” (Kyiv, May 25-27, 2010). Book of Abstracts. - P. 104-105.

54. Beshley V. A classical picture of SN 1006 / Beshley V., Petruk O. // 10-th Annual International Conference “Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology” (Kyiv, 25-27 May, 2010). Book of Abstracts. - P. 104.

55. Orlando S. On the origin of non-thermal emission of SN1006 / Orlando S., Bocchino F., Petruk O., Miceli M.// 38th COSPAR Scienti?c Assembly

(Bremen, Germany, 18-25 July 2010). Abstract CD [Електронний ресурс]. - id. E19-0059-10 (1 p.).

56. Bandiera R. Exploring the statistics of shell-type supernova remnants and getting insights on their physics / Bandiera R., Petruk O. // 38th COSPAR Scienti?c Assembly (Bremen, Germany, 18-25 July 2010). Abstract CD [Електронний ресурс]. - id. E19-0070-10 (1 p.).

ПЕРЕЛIК ЦИТОВАНИХ ДЖЕРЕЛ

57. Hillas A. M. Can diffusive shock acceleration in supernova remnants account for high-energy galactic cosmic rays? / Hillas A. M. // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. - 2005. - V. 31. - P. R95-R131

58. Drury L.O'C. Test of galactic cosmic-ray source models - Working Group Report / Drury L. O'C., Ellison D. E., Aharonian F. A. et al. // Space Sci. Rev. - 2001. - V. 99. - P. 329-352.

59. Status and Perspective of Astroparticle Physics in Europe / Astroparticle Physics European Coordination, Peer Review Committee [Електронний ресурс]. - 2008. - 145 p. - www.aspera-eu.com/images/stories/?les/ Roadmap.pdf

60. Koyama K. Evidence for Shock Acceleration of High-Energy Electrons in the Supernova Remnant SN 1006 / Koyama K., Petre R., Gotthelf E. V. et al. // Nature. - 1995. - V. 378. - P. 255-258.

61. Reynolds S. P. Maximum Energies of Shock-accelerated Electrons in Young Shell Supernova Remnants / Reynolds S. P., Keohane J. W. // Aph. J. - 1999. - V. 525. - P. 368-374.

62. Hendrick S. Maximum Energies of Shock-accelerated Electrons in Large Magellanic Cloud Supernova Remnants / Hendrick S., Reynolds S. // Aph. J. - 2001. - V. 559. - P. 903-908.

63. Green D. A. A Catalogue of Galactic Supernova Remnants / Green D. A. [Електронний ресурс]. - Cambridge: Mullard Radio Astronomy Observatory, 2009. - http://www.mrao.cam.ac.uk/surveys/snrs/.

64. Torres D. F. Supernova remnants and г-ray sources / Torres D. F., Romero G. E., Dame T. M. et al. // Phys. Rep. - 2003. - V. 382. - P. 303-380.

65. Funk S. VHE Gamma-ray supernova remnants / Funk S. // Adv. Space Res. - 2008. - V. 41. - P. 464-472.

66. Abdo A. A. Fermi/Large area telescope bright gamma-ray source list / Abdo A. A., Ackermann M., Ajello M. et al. // Aph. J. Suppl. - 2009. - V. 183. - P. 46-66.

67. Drury L. O'C. Current status of shock acceleration theory / Drury L. O'C. // J. Korean Astr. Society. - 2004. - V. 37. - P. 393-398.

68. Bykov A. M. Shocks and particle acceleration in SNRs: theoretical aspects / Bykov A. M. // Adv. Space Res. - 2004. - V. 33, No 4. - P. 366-375.

69. Lembege B. Selected problems in collisionless-shock physics / Lembege B., Giacalone J., Scholer M. et al. // Space Sci. Rev. - 2004. - V. 110. - P. 161-226.

70. Berezhko E. G. Gamma-ray astronomy and cosmic ray origin problem / Berezhko E. G. // Adv. Space Res. - 2005. - V. 35. - P. 1031-1040.

71. Reynolds S. Supernova Remnants at High Energy / Reynolds S. P. // Ann. Rev. Astr. Aph. - 2008. - V. 46. - P. 89-126.

72. Bocchino F. High Resolution X-ray Observations of Supernova Remnants / Bocchino F. // Chin. J. Astr. Aph. Suppl. - 2003. - V. 3. - P. 329-340.

73. Weisskopf M. C. Six Years of Chandra Observations of Supernova Remnants / Weisskopf M. C., Hughes J. P. // Astrophysics Update 2 / Ed. J. W. Mason. - Heidelberg: Springer Verlag. - 2006. - P. 55-75 [препринт astro-ph/0511327].

74. Aharonian F. High energy astrophysics with ground-based gamma ray detectors / Aharonian F., Buckley J., Kifune T., Sinnis G. // Rep. Prog. Phys. - 2008. - V. 71. - id. 096901 (56 p.).

75. Hinton J. A. Teraelectronvolt Astronomy / Hinton J. A., Hofmann W. // Ann. Rev. Astr. Aph. - 2009. - V. 47. - P. 523-565.

76. Schure K. M. An MHD study of SN 1006 and determination of the ambient magnetic ?eld direction / Schure K. M., Achterberg A., Keppens R., Vink J. // Mon. Not. Roy. Ast. Soc. - 2010. - V. 406. - P. 2633-435

77. Badenes C. On the size distribution of supernova remnants in the Magellanic Clouds / Badenes C., Maoz D., Draine B. // Mon. Not. Roy. Ast. Soc. - 2010. - V. 407. - P. 1301-1313

78. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике / Седов Л. И. - Москва: Наука. - 1977. - 438 c.

79. Hnatyk B. Evolution of supernova remnants in the interstellar medium with a large-scale density gradient. I. General properties of the morphological evolution and X-ray emission / Hnatyk B., Petruk O. // Astr. & Aph. - 1999. - V. 344. - P. 295-309.

80. Blondin J. Transition to the radiative phase in supernova remnants / Blondin J., Wright E., Borkowski K., Reynolds S. // Aph. J. - 1998. - V. 500. - P. 342-354.

81. Cioffi D. F. Dynamics of radiative supernova remnants / Cioffi D. F., McKee C. F. Bertschinger E. // Aph. J. - 1988. - V. 334. - P. 252-265.

82. Acero F. First detection of VHE г-rays from SN 1006 by HESS / Acero F., Aharonian F., Akhperjanian A. G. et al. // Astr. & Aph. - 2010. - V. 516. - id. A62 (7 p.).

83. Berezhko E. G. The theory of synchrotron emission from supernova remnants / Berezhko E. G., Volk H. J. // Astr. & Aph. - 2004. - V. 427. - P. 525-536.

84. Berkhuijsen E. M. Properties of supernova remnants at known distances I. Surface brightness and radio spectral index / Berkhuijsen E. M. // Astr. & Aph. - 1986. - V. 166. - P. 257-270.

85. McKee C. F. A theory of the interstellar medium - Three components regulated by supernova explosions in an inhomogeneous substrate / Mc-Kee C. F., Ostriker J. P. // Aph. J. - 1977. - V. 218. - P. 148-169.

АНОТАЦIЯ

Петрук О. Л. Прискорення космiчних променiв в оболонкових залишках наднових зiр. - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора фiзико-математичних наук за спецiальнiстю 01.03.02 - астрофiзика, радiоастрономiя. - Головна астрономiчна обсерваторiя НАН України, Київ, 2010.

Дисертацiя присвячена розробцi методiв моделювання еволюцiї сильних нерелятивiстських ударних хвиль в неоднорiдних середовищах i полях, методiв опису кiнетики заряджених релятивiстських часток в їх околi, розрахункам нетеплового випромiнювання космiчних променiв в оболонкових залишках наднових зiр (ЗН) i аналiзу вiдповiдних експериментальних даних. В роботi розв'язано ряд задач динамiки космiчних променiв i ударних хвиль в неоднорiдних середовищах i магнiтних полях.

Показано, що в типовому сценарiї еволюцiї ЗН мiж адiабатичною та радiацiйною стадiями слiд видiляти додаткову пост-адiабатичну фазу, тривалiсть якої є спiвмiрною з тривалiстю адiабатичної. Розроблено наближенi аналiтичнi методи опису динамiки ударної хвилi i течiї за нею протягом пост-адiабатичної та радiацiйної стадiй. Розроблено нову модель iнжекцiї електронiв в процес прискорення Фермi I роду на паралельнiй ударнiй хвилi; вона дозволяє отримати розподiл iнжектованих часток за iмпульсами та показує, що ефективнiсть iнжекцiї залежить вiд рiвня теплової рiвноваги мiж електронами i протонами.

Започатковано новий напрям синтезу та аналiзу карт розподiлу поверхневої яскравостi ЗН внаслiдок випромiнювання прискорених часток в радiо-, рентґенiвському та гама-дiапазонах та використання карт до накладання обмежень на властивостi магнiтного поля i космiчних променiв в цих об'єктах.

Проведено моделювання нетеплового радiо-, рентґенiвського i гама-випромiнювання адiабатичних ЗН в однорiдних та неоднорiдних середовищах i полях. Виявлено основнi фактори, якi визначають азимутальнi та радiальнi змiни поверхневої яскравостi ЗН у цих дiапазонах. Зокрема, азимутальний профiль яскравостi формується внаслiдок змiн ефективностi iнжекцiї i максимальної енергiї електронiв, а також компресiї/посилення магнiтного поля ударною хвилею. Неоднорiдностi мiжзоряного середовища i/або магнiтного поля зумовлюють певнi типи асиметрiй в розподiлi яскравостi ЗН. Так, залишки з двома арками рiзної яскравостi пояснюються наявнiстю компоненти ґрадiєнта густини середовища або, бiльш iмовiрно, густини завнiшнього магнiтного поля, перпендикулярної до арок. Збiжнiсть арок зумовлена наявнiстю компоненти ґрадiєнта, паралельної до них. Ступiнь асиметрiї залежить вiд деталей динамiки космiчних променiв та є рiзною в радiо-, рентґенiвському i гама-дiапазонах; найчутливiшим до ролi ґрадiєнта магнiтного поля є рентґенiвський дiапазон, вiдтак ступiнь асиметрiї зображень ЗН є в ньому найвищою.

Проведено аналiз радiо- та рентґенiвських спостережень ЗН 1006 року, внаслiдок якого одержано радiокарту залишка, його теплове i нетеплове зображення в рентґенiвському дiапазонi, а також азимутальний розподiл його спектральних характеристик.

Розроблено новий модельно-незалежний метод прогнозування карт ЗН в гама-дiапазонi за його радiокартою i результатами просторово- роздiленої рентґенiвської спектроскопiї. Метод застосовано до ЗН 1006 року; передбачена карта яскравостi в гама-променях спiвпадає з даними спостережень, що є новим аргументом на користь лептонної природи гама-випромiнювання цього ЗН.

Розроблено новий метод визначення тривимiрної орiєнтацiї мiжзоряного магнiтного поля в околi ЗН за його радiокартою та запропоновано нову методологiю використання зображень цих об'єктiв для визначення властивостей космiчних променiв та магнiтного поля. Аналiз проведено на прикладi залишка наднової 1006 року. Показано, що кут мiж мiжзоряним магнiтним полем та напрямком на спостерiгача складає 70^o. Визначено, що максимальна енергiя електронiв обмежена часом прискорення, при цьому вiдношення середньої довжини вiльного пробiгу частки до ї ї ларморового радiуса складає 1.5. Максимальна енергiя електронiв в областi паралельної ударної хвилi рiвна 7 ТеВ; там, де ударна хвиля є перпендикулярною, вона є вищою в 3.3 рази. Радiальний профiль яскравостi в рентґенiвському дiапазонi узгоджується з напруженiстю магнiтного поля в прифронтовiй областi 50 µГс. Середня напруженiсть поля в SN 1006 складає 32 µГс, що узгоджується з iншими оцiнками.

Запропоновано новий пiдхiд до статистичного аналiзу вибiрок залишкiв наднових; вiн базується на використаннi, окрiм традицiйних дiаметра D i радiосвiтностi У ЗН, також концентрацiї мiжзоряного середовища, оцiненої за використання даних з рентґенiвського дiапазону. Показано, що (У?D)-залежнiсть не може бути еволюцiйним треком “типового” ЗН, а є наслiдком еволюцiї багатьох ЗН в суттєво рiзних умовах; що моделi, в яких вважається, що частки енергiї, якi переходять вiд ударної хвилi до космiчних променiв i магнiтного поля є постiйними, не узгоджуються з даними спостережень; що кумулятивний розподiл ЗН за розмiром не має вiдношення до закону руху ударної хвилi, а зумовлений лише густинами середовищ, в яких еволюцiонують ЗН.

Ключовi слова: космiчнi променi, залишки наднових зiр, нетеплове випромiнювання, магнiто-гiдродинамiчне моделювання, наближенi аналiтичнi та чисельнi методи.

Петрук О. Л. Ускорение космических лучей в оболочечных остатках сверхновых звезд. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора физико-матема- тических наук по специальности 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия. - Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена разработке методов моделирования эволюции сильных нерелятивистских ударных волн в неоднородных средах и полях, кинетики заряженных релятивистских частиц около них, расчетам нетеплового излучения космических лучей в оболочечных остатках сверхновых звезд и анализу соответствующих экспериментальных данных. В работе решен ряд задач динамики космических лучей и ударных волн, основано новое направление синтеза и анализа карт распределения поверхностной яркости остатков сверхновых звезд и их использо- вания для наложения ограничений на свойства магнитного поля и космических лучей в этих объектах. Проведено моделирование нетеплового радио-, рентгеновского и гамма-излучения адиабатических остатков сверхновых в однородных и неоднородных средах и полях, разработан: новый метод прогнозирования карт остатка в гамма-диапазоне по его радио-карте и результатам пространственно-распределенной рентгеновской спектроскопии; новый метод определения трехмерной ориентации межзвездного магнитного поля вблизи остатка сверхновой; новая методология использования карт остатков для определения свойств космических лучей и магнитного поля в этих объектах. Сравнение теоретических моделей с наблюдениями проведено на примере остатка сверхновой 1006 года и путем статистического анализа выборок остатков в нашей и соседних галактиках.

Ключевые слова: космические лучи, остатки сверхновых звезд, нетепловое излучение, магнито-гидродинамическое моделирование, приближенные аналитические и численные методы.

Petruk O. Acceleration of cosmic rays in shell supernova remnants. - Manuscript.

Doctor degree thesis. Speciality 01.03.02 - astrophysics, radioastronomy. - Main Astronomical Observatory, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

Methods for modeling the evolution of the strong nonrelativistic shocks in nonuniform media and ?elds as well as of kinetics of charged relativistic particles in its vicinity are developed; they are applied to calculations of the non-thermal emission of cosmic rays in the shell-like supernova remnants and for analysis of relevant experimental data. A number of tasks in dynamics of cosmic rays and strong shocks are solved; a new direction of studies is initiated, namely, synthesis and analysis of surface brightness maps of supernova remnants, their use to put constraints on properties of cosmic rays and magnetic ?eld in these ob jects. Nonthermal radio, X-ray and gamma-ray emission of adiabatic supernova remnants in the uniform and nonuniform ambient media and ?elds is modeled. A new method to predict gamma-ray image of a remnant from its radio map and results of the spatially resolved X-ray spectroscopy is developed; a new method to determine the three-dimensional orientation of the interstellar magnetic ?eld around supernova remnant is proposed; a new methodology for analysis of surface brightness maps of remnants is suggested and used for determination of properties of cosmic rays and magnetic ?eld in these ob jects. Theoretical models are compared with observations on examples of the supernova remnant of 1006 A.D. and samples of remnants in our and neighbouring galaxies.

Key words: cosmic rays, supernova remnants, non-thermal emission, magneto-hydrodynamic modeling, approximate analytical and numerical methods.

Размещено на Allbest.ru

...