Синхротронный механизм – один из наиболее часто встречающихся в астрофизике. Он работает везде, где есть для этого условия: релятивистские электроны и магнитное поле. Основные астрофизические объекты, излучающие синхротронным механизмом: облака релятивистских электронов, выброшенные из активных областей на Солнце (всплески IV и V типов), магнитосферы планет-гигантов, галактический диск (на дециметровых и метровых волнах), остатки вспышек сверхновых, пульсары, нормальные галактики, радиогалактики, квазары.

Магнитотормозное излучение, рассмотренное в предыдущем параграфе, происходит на гирочастоте  и ее гармониках и практически изотропно. Однако для релятивистских электронов ситуация качественно изменяется.

Вначале рассмотрим излучение одного электрона в случае, когда угол c между вектором скорости электрона  и вектором магнитного поля  равен 90°. Под действием силы Лоренца  электрон вращается вокруг силовой линии магнитного поля. Вследствие релятивистского сокращения углов излучение электрона будет сосредоточено в узком конусе вокруг вектора мгновенной скорости электрона. Угол раствора конуса (в радианах)

где– фактор Лоренца, представляющий собой меру энергии релятивистского электрона (E = mc2gL).

Наблюдатель на луче зрения, перпендикулярном к вектору , видит короткие импульсы с периодом , длительность каждого импульса  (рис. 2.3). Множитель gL учитывает релятивистское замедление течения времени.

В случае, когда электрон движется под произвольным (не очень малым) углом c ( питч-угол ) к вектору , будет работать лишь компонента , перпендикулярная к вектору скорости : H^ = Hsinc. Соответственно, период следования импульсов изменится вследствие эффекта Доплера за счет движения электрона вдоль силовых линий со скоростью v|| = vcosc. Электрон как бы догоняет испущенный импульс (см. рис. 2.4):

, (2.40)

так как v ~ c. Круговая частота следования импульсов

.     (2.41)

Приведенное рассмотрение пригодно для углов c (выраженных в радианах) >> 1/gL. Изменение периода следования импульсов скажется в первую очередь на спектре и должно быть учтено при усреднении по питч-углам.

Излучение, состоящее из коротких импульсов (рис 2.3), содержит множество частотных гармоник и обладает широким спектром с максимумом вблизи частоты . Для получения формы спектра единичного релятивистского электрона необходимо разложить последовательность импульсов в интеграл Фурье. При этом учитывается форма каждого импульса, определяемая, в свою очередь, вращающейся диаграммой направленности излучения электрона. Теория синхротронного излучения [15] дает следующее выражение для спектральной плотности мощности излучения:

где K5/3 – функция Бесселя мнимого аргумента порядка 5/3, H^ == Hsinc – составляющая магнитного поля, перпендикулярная к вектору скорости электрона (угол c не слишком мал),

Характерная частота nc не есть частота максимума спектра P(n), частота максимума . Функция P(n), выраженная в безразмерных единицах, представлена на рис. 2.5. Для релятивистских электронов, излучающих в межзвездной среде, типичные значения H ~ 10–5–10–6 Гс, gL ~ 103–105.

Излучение электрона линейно поляризовано. Вектор поляризации расположен в картинной плоскости перпендикулярно направлению магнитного поля, так как изменение вектора электрического поля  максимально именно в плоскости ларморовской орбиты электрона.

Степень поляризации .

Для перехода к ансамблю релятивистских электронов, имеющему некоторое распределение по энергиям N(E), необходимо провести усреднение функции P(n) по N(E). В функции P(n) зависимость от энергии входит через фактор Лоренца gL, содержащийся в величине nc. Интенсивность излучения ансамбля равна

где L – размер излучающей области вдоль луча зрения. Предполагается, что источник прозрачен для собственного синхротронного излучения. Это условие всегда выполняется для диска Галактики, но может нарушаться в некоторых компактных внегалактических источниках.

В астрофизических условиях спектр релятивистских электронов обычно представляется степенной функцией:

Такой вид спектра обусловлен особенностями механизмов ускорения частиц (§5.1). Для спектра излучения теория дает

Следовательно, магнитотормозное излучение ансамбля релятивистских электронов со степенным распределением по энергиям вида (2.48) имеет степенной спектр I(n) µ n–a, где величина  называется спектральным индексом.

Полное выражение для функции a(g) можно найти в [15]. В широком интервале частот функция a(g)~0.1. Вид функции a(g) различен для однородного и хаотически ориентированного ( запутанного ) поля. В частности, она учитывает распределение электронов по питч-углу, так как он входит в величину H^.

В случае однородного магнитного поля излучение ансамбля электронов также поляризовано; степень поляризации равна

.

Диапазону 2 < g < 3 отвечает степень поляризации около 70%. В случае хаотически ориентированного поля поляризация отсутствует. На практике реализуется промежуточный случай.

У всех источников синхротронного излучения на низких частотах наступают отклонения от степенного спектра ( завал ). Низкочастотный завал может быть обусловлен тремя причинами:

1. Тормозное поглощение в ионизованном газе на частотах n < nmax спектр имеет вид .

2. Эффект Разина–Цытовича. Предыдущее рассмотрение проведено для частиц, излучающих в вакууме. Для частот ниже

показатель преломления меньше единицы и фазовая скорость больше, чем с. Частица отстает от излучения, и при n < ncr

В межзвездной среде этот эффект несуществен.

3. Синхротронное самопоглощение. При n < ncr .