В предыдущей статье был обозначен вопрос о наличии или отсутствии давления в межзвездной (межгалактической) среде. Теперь я предлагаю оценить это давление количественно.
Известно, что излучение (в том числе видимый свет) оказывает давление на поверхность, которой оно поглощается или от которой оно отражается. Также известно, что в открытом космосе есть космическое излучение, которое исходит со всех сторон с высокой степенью равномерности. Таким образом, любой объект (например, астероид), летящий в межзвездном пространстве, испытывает на своей поверхности некоторое давление этого космического излучения. Космос пронизан не только видимыми фотонами, но в гораздо большей степени он заполнен другими быстрыми частицами: протонами, ионами, мезонами, электронами, нейтрино... Всю эту бомбардирующую группу принято называть космическими лучами, хоть это и не совсем корректно, так как, строго говоря, лучами (излучением) можно называть только их фотонную часть. Потоки частиц, имеющих массу, даже очень быстрых, строго говоря, не должны называться излучением. Но, что поделаешь: такой вот бардак у физиков в терминологии.
Здесь я немного отвлекусь от основной темы и сделаю важное замечание из области терминологии во избежание недоразумений: когда я употребляю термин "масса" без оговорок, то я имею в виду массу покоя. Поэтому, например, известное всем соотношение " Е равно эм цэ квадрат" я предпочитаю записывать в более корректном виде:
Это немного непривычная форма известного уравнения, но она правильнее отражает физическую суть. Обычно гамма-множитель опускают, подразумевая под символом m некую "релятивистскую массу", в которую уже спрятан этот гамма-множитель. Это очень неудачная интерпретация. Но эта тема отдельная. Для интересующихся тонкостями терминологии рекомендую ознакомиться по этому поводу с замечательной статьей профессора Л. Б. Окуня "Понятие массы".
Но вернемся к космическим лучам.
Интенсивность космических лучей в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на квадратный сантиметр в секунду, Эти "лучи" состоят в основном из протонов и альфа-частиц. Среднее значение энергии E космических частиц - около 10 000 мега электрон-вольт (электрон-вольт - единица измерения энергии, принятая в физике элементарных частиц, и она равна примерно 10^-19 Дж). Воспользуемся этими данными для предварительных оценок, то есть будем считать, что средняя интенсивность космических лучей I (суммарная мощность излучения W, действующая на единицу площади S) в межзвездном пространстве составляет порядка 10 000 мега электрон-вольт на квадратный сантиметр в секунду. Если перевести в единицы СИ, то получим величину порядка сотых долей милливатта на метр квадратный.
А теперь оценим давление, которое оказывают космические лучи. Обычно давление обозначают буквой P. (Pressure - давление по-английски). Но нам эта буква понадобится для обозначения импульса. (Импульс тоже обычно обозначают буквой p, так как Pulse - импульс по-английски). Проявим фантазию и обозначим давление буквой L (Load - груз, нагрузка). Поток частиц, падающих на поверхность объекта и поглощаемых ей создает давление:
Если частицы не поглощаются, а отражаются, то создаваемое ими давление будет в 2 раза больше. И, наконец, объект может быть прозрачным, то есть частицы могут пролетать сквозь него, не оказывая никакого давления. В общем случае в формулу надо добавить коэффициент k, характеризующий степень прозрачности-поглощения-отражения объекта, который в зависимости от того, что это за объект, окажется где-то между 0 и 2.
Для импульса фотонов действует формула:
То есть если бы космические лучи состояли только из фотонов, то они создавали бы давление:
Однако, основную долю частиц космических лучей составляют протоны, поэтому рассмотрим задачу на примере протона. Энергия покоя протона равна примерно 1000 МэВ.
Импульс массивной релятивистской частицы рассчитывается по формуле:
Скорость массивной частицы:
То есть протон с полной энергией порядка 10 000 МэВ (что в 10 раз больше его энергии покоя) движется со скоростью, составляющей 99,5% от скорости света, и его импульс составляет 99,5% от импульса фотона с той же энергией. Поэтому для космических лучей давление вполне можно оценивать с помощью формулы для излучения (то есть для фотонов).
Итак, мы получили оценку давления космического излучения. Это давление, конечно очень мало, но оно может играть существенную роль в формировании звездных и галактических систем, особенно в периферийных областях.
Космические зонды Вояджер-1 и Вояджер-2, запущенные в 1977 году, улетевшие за 40 с лишним лет далеко за пределы орбит самых дальних планет, до сих пор передают данные, из которых следуют довольно интересные вещи, которым еще предстоит найти объяснение. Мы еще много не знаем о процессах формирования звездных и галактических систем. И вклад космического излучения здесь может быть гораздо более существенным, чем принято считать.
