Космические лучи от гамма-всплесков

Радио, оптические и рентгеновские наблюдения с высоким пространственным разрешением показывают, что релятивистские джеты, которые выбрасываются квазарами и микро квазарами состоят из последовательностей плазмоидов (пушечных ядер) из обычной материи, чьё начальное расширение (судя по всему, со скоростью расширения, аналогичной скорости звука в релятивистском газе) заканчивается вскоре после старта (см. Dar and De Rujula, 2004 и ссылки в тексте). Фотометрические и спектроскопические наблюдения сверхновых в затухающем послесвечении недалёких гамма-всплесков и другие свойства гамма-всплесков и их послесвечения дают решительные свидетельства в пользу того, что длинные гамма-всплески создаются высоко-релятивистскими джетами из плазмоидов из обычной материи, выбрасываемых сверхновыми, как уже давно утверждалось моделью пушечных ядер гамма-всплесков (Cannonball (CB) Model of GRBs) (См. например, Dar, 2004, Dar & A. De Rujula 2004, "Magnetic field in galaxies, galaxy clusters, & intergalactic space in: Physical Review D 72, 123002-123006; Dar and De Rujula, 2004). Эти джеты из плазмоидов создают стрелообразный поток высокоэнергетичных космических лучей за счёт магнитного рассеивания ионизированных частиц межзвёздной среды перед ними. Такие пучки пушечных ядер из галактических гамма-всплесков могут пройти значительные галактические расстояния и могут быть гораздо более летальны, чем гамма-лучи. (Dar and De Rujula, 2001; Dar etal., 1998).

Пусть и = bc – это скорость высокорелятивистского пушечного ядра и 1/y = l/\/l – P² – это фактор Лоренца. Для длинных гамма-всплесков у ~ 10³ (v ~ 0.999999c!). По причине высокорелятивистского движения пушечных ядер, частицы межзвёздной материи, которые сметает пушечные ядра, входят в них с фактором Лоренца порядка y = 1000 с точки зрения системы отсчёта пушечных ядер. Эти частицы равномерно распределяются по всем направлениям и ускоряются турбулентными магнитными полями в пушечных ядрах (благодаря механизму, предложенному Энрико Ферми) до того, как они снова выбрасываются в межзвёздную среду. Высокорелятивисткое движение пушечных ядер еще больше увеличивает их энергию в y раз за счёт эффекта Доплера и перестраивает их изотропное распределение в узкий конический луч с углом открытия в ~ 1/y по направлению движения пушечных ядер в межзвёздной среде. Это релятивистское создание пучка зависит только от Лоренц фактора пушечного ядра, но не от массы рассеиваемых частиц или их энергии.

Окружающий межзвёздный газ почти прозрачен для космических лучей, поскольку кулоновские и адронные сечения взаимодействий относительно малы в сравнении с плотностью галактической колонны. Высокоэнергетичные космические лучи следуют своему баллистическому движению, а нет отклоняются межзвёздным магнитным полем, чьи типичные величины составляют B= 3*10^-6 гауссов. Это происходит, потому что энергия магнитного поля, на которое набегает суженный в створ пучок космических лучей на типичных галактических расстояниях, гораздо меньше, чем кинетическая энергия пучка. Таким образом, пучок космических лучей сметает на своём пути магнитное поле и следует прямой баллистической траектории сквозь межзвёздную среду. (Те же самые рассуждения, если применить их к удалённым гамма-всплескам, приводят к противоположному выводу: никаких космических лучей от удалённых гамма-всплесков не сопровождает прибытие пучка гамма-лучей.)

Поток направленного пучка высокоэнергетичных космических лучей на расстоянии от гамма-всплеска предсказывается моделью пушечных ядер гамма-всплесков и составляет by F ~ Е_ку²/4я d² ~ 10²⁰ (LY/d²) эрг. / кв. см., где типичные значения кинетической энергии джетов равны 10⁵¹ эрг и y = 10³, что было получено на основании анализа пушечных ядер на основании данных длинных гамма-всплесков. Наблюдение послесвечения гамма-всплесков показывают, что обычно требуется день или два, чтобы пушечные ядра потеряли примерно половину своей изначальной кинетической энергии, то есть чтобы их Лоренц фактор убыл в половину. Эта энергия превращается в космические лучи с типичным Лоренц фактором y(cr)= у², чьё время прибытия на галактических расстояниях запаздывает по отношению фотонам послесвечения на пренебрежимо малое время At ~ d/cy²_CR. Таким образом, прибытие большей части энергии космических лучей практически совпадает с прибытием фотонов послесвечения. Таким образом, для типичного длинного гамма-всплеска на галактическом расстоянии в 25 000 световых лет, который виден под типичным углом 10^-3 радиан, высвобождение энергии в атмосфере за счёт пучка космических лучей составит 10¹¹ эрг/ кв. см., что на три порядка больше, чем энергия гамма-лучей. (Кинетическая энергия электронов в джете превращается в конический пучок гамма-лучей, тогда как большая часть кинетической энергии протонов превращается в конический пучок космических лучей примерно с тем же углом открытия).

Пучок энергетичных космических лучей, сопровождающих галактический гамма-всплеск, смертелен для жизни на землеподобных планетах. Когда высокоэнергетичные космические лучи с энергией E сталкиваются с атмосферой под углом к зениту B, они создают поток мюонов, чьё число примерно составляет N(E > 25 GeV) ~ 9.14[E_p/TeV]^0.757/cos B (Drees et al., 1989). Соответственно, типичный гамма-всплеск, созданный джетом с энергией E=10*51 эрг на галактическом расстоянии 25 000 св. лет, видимый под углом 10^-3 будет сопровождаться потоком мюонов на уровни поверхности F(E > 25 GeV) ~ 3 x 10¹¹ cm~². Таким образом, выделение энергии на уровне поверхности в биологических материалах, под влиянием атмосферных мюонов, создаваемое среднестатистическим гамма-всплеском около центра галактики, составит 1.4 x 10¹² MeV/гр. Это составляет примерно 75 смертельных для человека доз. Летальные дозы для других позвоночных и для насекомых могут быть в несколько раз меньше или в 7 раз больше, соответственно. Таким образом, космические лучи от галактических гамма-всплесков могут принести с собой смертельную дозу атмосферных мюонов для большинства видов живых существ на Земле. По причине большого пробега мюонов (4[E^/GeV]m) в воде, их поток смертелен, даже в сотнях метрах подводой и под землёй для космических лучей, чей источник находится достаточно высоко над горизонтом. Таким образом, в отличие от других предложенных механизмов вымирания, космические лучи от галактических гамма-всплесков могут приводить к массовым вымираниям глубоко под водой и под землёй. Хотя полпланеты находится в тени потока космических лучей, ее вращение подвергает большую часть ее поверхности воздействию космических лучей, половина из которых прибудет в течение двух дней после гамма-лучей. Дополнительные эффекты, увеличивающие летальность космических лучей для всей планеты, включают в себя:

1. Испарение значительной части атмосферы за счёт высвобождения энергии космических лучей.

2. Глобальные пожары, вызванные нагревом атмосферы и ударными волнами, создаваемыми космическими лучами в атмосфере.

3. Заражение окружающей среды радиоактивными ядрами, возникшими при разбивании атмосферных и грунтовых ядер частицами из ливней, вызванных космическими лучами, которые достигнут поверхности.

4. Исчезновение стратосферного озона, который вступит в реакцию с оксидом азота, созданным электронами, которые создадут космические лучи (значительное разрушение стратосферного озона наблюдалось при мощных солнечных вспышках, который генерировали энергетичные протоны.)

5. Значительные повреждения пищевых цепочек за счёт радиоактивного загрязнения и массового вымирания растительности из-за ионизирующей радиации (летальнее дозы радиации для деревьев и растений немного больше, чем дозы для животных, но всё же меньше, чем поток, оценки которого приведены выше – для всех, кроме самых живучих видов).

Таким образом, пучок космических лучей от галактической сверхновой/гамма-всплеска, направленный в нашу сторону, который прибывает сразу после гамма-всплеска, может убить, в относительно короткое время (в течение месяцев), большинство видов живых существ на нашей планете.