В том случае, если электроны, на которых рассеивается электромагнитное излучение, являются релятивистскими, то при упругом рассеянии длина волны излучения будет уменьшаться, то есть энергия и импульс фотонов будет увеличиваться за счет энергии и импульса электронов. Это явление называют обратным комптон-эффектом. 

Прямой эффект Комптона заключается в рассеянии электромагнитной волны на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты. Эффект наблюдается для больших частот рассеиваемого электромагнитного излучения (в рентгеновской области и выше).

Элементарная теория эффектов была дана А. Комптоном и, независимо от него, П. Дебаем (P. Debye) на основе представления о том, что рентгеновское излучение состоит из фотонов. Для объяснения эффекта нужно предположить, что фотон обладает как энергией ε_ν=hν, так и импульсом p=(h/λ)n (здесь ν и λ=c/ν – частота и длина волны света, n – единичный вектор в направлении распространения волны). Комптон рассмотрел упругое рассеяние фотона на свободном покоящемся электроне (что является хорошим приближением для рассеяния фотонов рентгеновских лучей на электронах легких атомов). При рассеянии в случае прямого эффекта фотон передает электрону часть энергии и импульса, что соответствует уменьшению частоты (увеличению длины волны) рассеиваемого света. Из законов сохранения энергии и импульса Комптон получил формулу для сдвига длины волны:

где λ′, λ – длины волн до и после рассеяния, θ – угол рассеяния, m_e – масса электрона. Параметр h/(m_ec) называется комптоновской длиной волны электрона и равен 2.4∙10^-10 см. Из кинематики процесса легко также определить энергию и импульс электрона отдачи.

При рассмотрении обратного комптон-эффекта необходимо учитывать, что электрон, на котором рассеивается фотон, является ультрарелятивистским с энергией K>>ε_ν. Тогда при столкновении электрон теряет, а фотон приобретает энергию и длина волны света при столкновении уменьшается (рис.1). Если направления скоростей начальных фотонов распределены изотропно, то средняя энергия рассеянных фотонов задается выражением

 

Обратный эффект Комптона важную роль играет в области астрофизики. Эффект является главным механизмом потерь энергии электронами, движущимися в магнитном поле космических радиоисточников. Он является также причиной возникновения изотропного рентгеновского космического излучения с энергией ε _ν≈50–100 кэВ, представляющего собой фотоны отдачи при рассеянии релятивистских электронов на изотропном микроволновом космическом фоновом излучении. Т.е. в ядрах галактик и квазаров происходит перекачка энергии от релятивистских частиц к квантам поля реликтового излучения с T_b = 2.7 K. В результате энергия квантов возрастает так, что радиокванты преобразуются в рентгеновские, а мощность синхротронного излучения электронов ограничивается величиной T_b ~ 10¹² K.

Помимо рассеяния на реликтовом излучении релятивистские электроны могут рассеиваться на разнообразных плазменных формирования, приводя к трансформации плазменных волн в электромагнитные волны высокой частоты.

С 1963 года метод обратного комптоновского рассеяния используется для получения монохроматических γ-пучков высоких энергий (до нескольких ГэВ) путем рассеяния лазерных фотонов на электронах (позитронах), циркулирующих в накопителях. Пучок таких фотонов полезен в исследовании ядер. Известен также и процесс упругого рассеяния γ-квантов на протоне.

 

Рассмотрим двойную систему, состоящую из радиопульсара PSR B1259-63 и так называемой Be-звезды SS2883. Обе они активно выбрасывают вещество в окружающее пространство в виде так называемого звездного ветра. Система находится на расстоянии около 5 тыс. световых лет в путеводном созвездии Южного Креста, и ее можно частично различить даже в любительский телескоп. Уникальность PSR B1259-63 в том, что ее переменность можно наблюдать в очень широком диапазоне волн> - от радио- до гамма-излучения. И самыми важными оказались именно результаты тщательных рентгеновских наблюдений, которые были выполнены на европейском спутнике XMM-Newton.

Особенность двойной системы звезд состоит в крайней вытянутости их взаимной орбиты. Примерно каждые три с половиной года пульсар подходит очень близко к нормальной звезде. При этом пульсирующая компонента радиоизлучения начинает ослабевать, пока окончательно не тонет в резко вырастающем радиошуме. В дополнение к этому система начинает ярко светиться в рентгеновском диапазоне, а недавно были обнаружены и очень высокоэнергичные гамма-кванты, приходящие от того же источника.

Как предполагают исследователи, и радиошум, и рентгеновское излучение возникают из-за взаимодействия звездного ветра двух компонентов.

Кванты видимого света от нормальной звезды, достаточно редко рассеиваясь на быстрых электронах пульсарного ветра, получают от последних значительную импульс. При этом их энергия возрастает в миллионы раз - свет превращается в рентгеновское излучение. Такой механизм излучения называется обратным эффектом Комптона. Обнаруженное явление совсем не похоже на предыдущие представления о подобных процессах.

Раньше астрономы думали, что рентгеновское излучение возникает так же, как и радиоизлучение, - за счет быстрого вращения электронов вокруг магнитных линий. Только энергии электронов вблизи ударной волны гораздо больше, поэтому основная часть их излучения перемещается в рентгеновский диапазон.

Вместе с тем детальные исследования спектра системы опровергли такую возможность. Вместо ожидаемого "смягчения" спектра при сближении звезд ученые неожиданно увидели его "ужесточение", то есть относительная доля более энергичных фотонов становилась не меньше, а больше.