Космические лучи (Космическая радиация). Космические лучи самых высоких энергий В каких объектах образуются космические лучи

Дифференциальный энергетический спектр космических лучей носит степенной характер (в дважды логарифмическом масштабе - наклонная прямая) (минимальные энергии - жёлтая зона, солнечная модуляция, средние энергии - синяя зона, ГКЛ, максимальные энергии - пурпурная зона, внегалактические КЛ)

Космические лучи - элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве.

Основные сведения

Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц .

Физика космических лучей изучает:

процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;
частицы космических лучей, их природу и свойства;
явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, и .

Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшими экспериментальными задачами.

Классификация по происхождению космических лучей:

в Галактике
в межпланетном пространстве

Первичными принято называть внегалактические и галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц, проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.

До развития ускорительной техники космические лучи служили единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в космических лучах.

Энергетический спектр космических лучей на 43% состоит из энергии протонов, ещё на 23% - из энергии гелия (альфа-частиц) и 34% энергии, переносимой остальными частицами.

По количеству частиц космические лучи на 92% состоят из протонов, на 6% - из ядер гелия, около 1% составляют более тяжелые элементы, и около 1% приходится на электроны. При изучении источников космических лучей вне протонно-ядерная компонента в основном обнаруживается по создаваемому ею потоку гамма-лучей , а электронная компонента - по порождаемому ею синхротронному излучению, которое приходится на радиодиапазон (в частности, на метровые волны - при излучении в магнитном поле межзвёздной среды), а при сильных магнитных полях в районе источника космических лучей - и на более высокочастотные диапазоны. Поэтому электронная компонента может обнаруживаться и наземными астрономическими инструментами.

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: (соответственно, протоны, альфа-частицы, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые). Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа. Данное явление объясняется тем, что механизм генерации космических частиц в первую очередь ускоряет тяжелые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии.

История физики космических лучей

Впервые указание на возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения было получено в начале XX века в опытах по изучению проводимости газов. Обнаруженный спонтанный электрический ток в газе не удавалось объяснить ионизацией, возникающей от естественной радиоактивности Земли. Наблюдаемое излучение оказалось настолько проникающим, что в ионизационных камерах, экранированных толстыми слоями свинца, все равно наблюдался остаточный ток. В 1911-1912 годах был проведен ряд экспериментов с ионизационными камерами на воздушных шарах. Гесс обнаружил, что излучение растет с высотой, в то время как ионизация, вызванная радиоактивностью Земли, должна была бы падать с высотой. В опытах Кольхерстера было доказано, что это излучение направлено сверху вниз.

В 1921-1925 годах американский физик Милликен, изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами. В 1925 году советские физики Л. А. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления - открыли «барометрический эффект». Опыты Д. В. Скобельцына с камерой Вильсона, помещенной в постоянное магнитное поле, дали возможность «увидеть», за счет ионизации, следы (треки) космических частиц. Д. В. Скобельцын открыл ливни космических частиц. Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий.

В 1932 году Андерсон открыл в космических лучах позитрон. В 1937 году Андерсоном и Неддермейером были открыты мюоны и указан тип их распада. В 1947 году открыли π-мезоны. В 1955 году в космических лучах установили наличие К-мезонов, а также и тяжелых нейтральных частиц - гиперонов. Квантовая характеристика «странность» появилась в опытах с космическими лучами. Эксперименты в космических лучах поставили вопрос о сохранении четности, обнаружили процессы множественной генерации частиц в нуклонных взаимодействиях, позволили определить величину эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии. Появление космических ракет и спутников привело к новым открытиям - обнаружению Земли (1958 г., (С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков) и, независимо от них в том же году, Ван Аллен), и позволило создать новые методы исследования галактического и межгалактического пространств.

Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве

В околоземном космическом пространстве (ОКП) различают несколько типов космических лучей. К стационарным принято относить галактические космические лучи (ГКЛ), частицы альбедо и радиационный пояс. К нестационарным - солнечные космические лучи (СКЛ).

Галактические космические лучи (ГКЛ)

Галактические космические лучи (ГКЛ) состоят из ядер различных химических элементов с кинетической энергией Е более нескольких десятков МэВ/нуклон, а также электронов и позитронов с Е >10 МэВ. Эти частицы приходят в межпланетное пространство из межзвёздной среды. Наиболее вероятными источниками космических лучей считаются вспышки и образующиеся при этом . Электромагнитные поля пульсаров ускоряют заряженные частицы, которые затем рассеиваются на межзвёздных магнитных полях. Возможно, однако, что в области Е <100 МэВ/нуклон частицы образуются за счет ускорения в межпланетной среде частиц и . Дифференциальный энергетический спектр ГКЛ носит степенной характер.

Вторичные частицы в магнитосфере Земли: радиационный пояс, частицы альбедо

Космические лучи ультравысоких энергий

Энергия некоторых частиц превышает предел ГЗК (Грайзена - Зацепина - Кузьмина) - теоретический предел энергии для космических лучей 5·10 19 эВ, вызванный их взаимодействием с фотонами реликтового излучения. Несколько десятков таких частиц за год было зарегистрировано обсерваторией AGASA. Эти наблюдения ещё не имеют достаточно обоснованного научного объяснения.

Регистрация космических лучей

Долгое время после открытия космических лучей, методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях, чаще всего - газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии, поднимаемые в стратосферу, или в космическое пространство. Но данный метод не позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.

Современные обсерватории работают на других принципах. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу, она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых 100 г/см², рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые, в свою очередь, рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц, который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение, регистрируемое . Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.

Прошло без малого сто лет с того момента, как были открыты космические лучи - потоки заряженных частиц, приходящих из глубин Вселенной. С тех пор сделано много открытий, связанных с космическими излучениями, но и загадок остаётся ещё немало. Одна из них, возможно, наиболее интригующая: откуда берутся частицы с энергией более 1020 эВ, то есть почти миллиард триллионов электронвольт, в миллион раз большей, чем будет получена в мощнейшем ускорителе - Большом адронном коллайдере LHC? Какие силы и поля разгоняют частицы до таких чудовищных энергий?

Космические лучи открыл в 1912 году австрийский физик Виктор Гесс. Он был сотрудником Радиевого института Вены и проводил исследования ионизированных газов. К тому времени уже знали, что все газы (и атмосфера в том числе) всегда слегка ионизованы, что свидетельствовало о присутствии радиоактивного вещества (подобного радию) либо в составе газа, либо вблизи прибора, измеряющего ионизацию, вероятнее всего - в земной коре. Опыты с подъёмом детектора ионизации на воздушном шаре были задуманы для проверки этого предположения, так как с удалением от поверхности земли ионизация газа должна уменьшаться. Ответ получился противоположный: Гесс обнаружил некое излучение, интенсивность которого росла с высотой. Это наводило на мысль, что оно приходит из космоса, но окончательно доказать внеземное происхождение лучей удалось только после многочисленных опытов (Нобелевскую премию В. Гессу присудили лишь в 1936 году). Напомним, что термин "излучение" не означает, что эти лучи имеют чисто электромагнитную природу (как солнечный свет, радиоволны или рентгеновское излучение); его использовали при открытии явления, природа которого ещё не была известна. И хотя вскоре выяснилось, что основная компонента космических лучей – ускоренные заряженные частицы, протоны, термин сохранился. Изучение нового явления быстро стало давать результаты, которые принято относить к "передовому краю науки".

Открытие космических частиц очень высокой энергии сразу же (ещё задолго до того, как был создан ускоритель протонов) вызвало вопрос: каков механизм ускорения заряженных частиц в астрофизических объектах? Сегодня мы знаем, что ответ оказался нетривиальным: природный, "космический" ускоритель кардинально отличается от ускорителей рукотворных.

Вскоре выяснилось, что космические протоны, пролетая сквозь вещество, взаимодействуют с ядрами его атомов, рождая неизвестные до этого нестабильные элементарные частицы (их наблюдали в первую очередь в атмосфере Земли). Исследование механизма их рождения открыло плодотворный путь для построения систематики элементарных частиц. в лаборатории протоны и электроны научились ускорять и получать огромные их потоки, несравнимо более плотные, чем в космических лучах. В конечном счёте именно опыты по взаимодействию частиц, получивших энергию в ускорителях, привели к созданию современной картины микромира.

В 1938 году французский физик Пьер Оже открыл замечательное явление - ливни вторичных космических частиц, которые возникают в результате взаимодействия первичных протонов и ядер экстремально высоких энергий с ядрами атомов атмосферы. Оказалось, что в спектре космических лучей есть частицы с энергией порядка 1015-1018 эВ - в миллионы раз больше энергии частиц, ускоряемых в лаборатории. Академик Дмитрий Владимирович Скобельцын придал особое значение изучению таких частиц и сразу после войны, в 1947 году, вместе с ближайшими коллегами Г. Т. Зацепиным и Н. А. Добротиным организовал комплексные исследования каскадов вторичных частиц в атмосфере, названных широкими атмосферными ливнями (ШАЛ). Историю первых исследований космических лучей можно найти в книгах Н. Добротина и В. Росси. Со временем школа Д. В. Скобельцына выросла в одну из самых сильных в мире и долгие годы определяла основные направления в изучении космических лучей сверхвысоких энергий. Её методы позволили расширить диапазон исследуемых энергий от 109-1013 эВ, регистрируемых на воздушных шарах и спутниках, до 1013-1020 эВ. Особенно привлекательными эти исследования делали два аспекта.

Во-первых, появилась возможность использовать созданные самой природой протоны высокой энергии для изучения их взаимодействия с ядрами атомов атмосферы и расшифровки самой тонкой структуры элементарных частиц.

Во-вторых, возникла вероятность отыскать в космосе объекты, способные ускорить частицы до экстремально высоких энергий.

Первый аспект оказался не столь плодотворным, как хотелось: изучение тонкой структуры элементарных частиц потребовало гораздо больше данных о взаимодействии протонов, чем позволяют получить космические лучи. Вместе с тем важный вклад в представления о микромире дало изучение зависимости самых общих характеристик взаимодействия протонов от их энергии. Именно при изучении ШАЛ обнаружили особенность в зависимости количества вторичных частиц и их распределения по энергиям от энергии первичной частицы, связанную с кварк-глюонной структурой элементарных частиц. Эти данные позже подтвердились в опытах на ускорителях.
Сегодня построены достоверные модели взаимодействия космических лучей с ядрами атомов атмосферы, позволившие изучить энергетический спектр и состав их первичных частиц самых высоких энергий. Стало ясно, что космические лучи в динамике развития Галактики играют не меньшую роль, чем её поля и потоки межзвёздного газа: удельная энергия космических лучей, газа и магнитного поля примерно равны 1 эВ в см3. При таком балансе энергии в межзвёздной среде естественно предположить, что ускорение частиц космических лучей происходит, скорее всего, в тех же объектах, которые отвечают за нагревание и выброс газа, например в Новых и Сверхновых звёздах при их взрыве.

Первый механизм ускорения космических лучей предложил Энрико Ферми для протонов, хаотически сталкивающихся с намагниченными облаками межзвёздной плазмы, но не смог объяснить всех экспериментальных данных. В 1977 году академик Гермоген Филиппович Крымский показал, что этот механизм должен гораздо сильней ускорять частицы в остатках Сверхновых на фронтах ударных волн, скорости которых на порядки выше скоростей облаков. Сегодня достоверно показано, что механизм ускорения космических протонов и ядер ударной волной в оболочках Сверхновых наиболее эффективен. Но воспроизвести его в лабораторных условиях вряд ли удастся: ускорение происходит сравнительно медленно и требует огромных затрат энергии для удержания ускоренных частиц. В оболочках Сверхновых эти условия существуют благодаря самой природе взрыва. Замечательно, что ускорение космических лучей происходит в уникальном астрофизическом объекте, который отвечает за синтез тяжёлых ядер (тяжелее гелия), действительно присутствующих в космических лучах.

В нашей Галактике известны несколько Сверхновых возрастом меньше тысячи лет, которые наблюдались невооружённым глазом. Наиболее известны Крабовидная туманность в созвездии Тельца ("Краб" - остаток вспышки Сверхновой в 1054 году, отмеченной в восточных летописях), Кассиопея-А (её наблюдал в 1572 году астроном Тихо Браге) и Сверхновая Кеплера в созвездии Змееносца (1680). Диаметры их оболочек сегодня составляют 5-10 световых лет (1 св. год = 1016 м), то есть они расширяются со скоростью порядка 0,01 скорости света и находятся на расстояниях примерно десять тысяч световых лет от Земли. Оболочки Сверхновых ("туманностей") в оптическом, в радио-, рентгеновском и гамма-диапазонах наблюдали космические обсерватории Чандра, Хаббл и Спитцер. Они достоверно показали, что в оболочках действительно происходит ускорение электронов и протонов, сопровождаемое рентгеновским излучением.

Наполнить межзвёздное пространство космическими лучами с измеренной удельной энергией (~1 эВ в см3) могли бы около 60 остатков Сверхновых моложе 2000 лет, в то время как их известно менее десяти. Эта нехватка объясняется тем, что в плоскости Галактики, там, где сосредоточены звёзды и Сверхновые в том числе, очень много пыли, которая не пропускает свет к наблюдателю на Земле. Наблюдения в рентгеновском и гамма-излучениях, для которых пылевой слой прозрачен, позволил расширить список наблюдаемых "молодых" Сверхновых оболочек. Последней из таких вновь открытых оболочек стала Сверхновая G1.9+0.3, наблюдаемая с помощью рентгеновского телескопа "Чандра" начиная с января 2008 года. Оценки размера и скорости расширения её оболочки показывают, что она вспыхнула примерно 140 лет назад, но не была видна в оптическом диапазоне из-за полного поглощения её света пылевым слоем Галактики.

К данным о Сверхновых, взрывающихся в нашей Галактике Млечный Путь, добавляются значительно более богатые статистические данные о Сверхновых в других галактиках. Прямым подтверждением присутствия ускоренных протонов и ядер служит гамма-излучение с высокой энергией фотонов, возникающих в результате распада нейтральных пионов - продуктов взаимодействия протонов (и ядер) с веществом источника. Такие фотоны самых высоких энергий наблюдают с помощью телескопов, регистрирующих свечение Вавилова - Черенкова, излучаемое вторичными частицами ШАЛ. Самый совершенный инструмент такого типа - установка из шести телескопов, созданная при сотрудничестве HESS в Намибии. Гамма-излучение Краба было измерено первым, и его интенсивность стала мерой интенсивности для других источников.

Полученный результат не только подтверждает наличие механизма ускорения протонов и ядер в Сверхновой, но и позволяет также оценить спектр ускоренных частиц: спектры "вторичных" гамма-квантов и "первичных" протонов и ядер весьма близки. Магнитное поле в Крабе и его размер допускают ускорение протонов до энергий порядка 1015 эВ. Спектры частиц космических лучей в источнике и в межзвёздной среде несколько отличаются, так как вероятность выхода частиц из источника и время жизни частиц в Галактике зависят от энергии и заряда частицы. Сравнение энергетического спектра и состава космических лучей, измеренных у Земли, со спектром и составом в источнике позволило понять, как долго путешествуют частицы среди звёзд. Ядер лития, бериллия и бора в космических лучах у Земли оказалось значительно больше, чем в источнике, - их дополнительное количество появляется в результате взаимодействия более тяжёлых ядер с межзвёздным газом. Измерив эту разность, вычислили количество Х того вещества, через которое прошли космические лучи, блуждая в межзвёздной среде. В ядерной физике количество вещества, которое встречает частица на своём пути, измеряют в г/см2. Это связано с тем, что для вычисления уменьшения потока частиц в столкновениях с ядрами вещества надо знать число столкновений частицы с ядрами, имеющими разную поперечную к направлению частицы площадь (сечение). Выражая количество вещества в этих единицах, для всех ядер получается единая шкала измерения.

Экспериментально найденное значение X ~ 5-10 г/см2 позволяет оценить время жизни t космических лучей в межзвёздной среде: t ≈ X/ρc, где c - скорость частиц, примерно равная скорости света, ρ ~10–24 г/см3 – средняя плотность межзвёздной среды. Отсюда время жизни космических лучей - порядка 108 лет. Это время намного превышает время пролёта частицы, двигающейся со скоростью с по прямой от источника до Земли (3·104 лет для самых далёких источников на противоположной от нас стороне Галактики). Это означает, что частицы движутся не по прямой, а испытывают рассеяние. Хаотические магнитные поля галактик с индукцией В ~10–6 гаусса (10–10 тесла) движут их по окружности радиусом (гирорадиусом) R = E/3 x 104B, где R в м, Е - энергия частицы в эВ, В - индукция магнитного поля в гауссах. При умеренных энергиях частиц Е < 1017 эВ, полученных в ускорителях-Сверхновых, гирорадиус оказывается значительно меньше размера Галактики (3·1020 м).

Приблизительно по прямой приходить от источника будут только частицы с энергией Е > 1019 эВ. Поэтому направление создающих ШАЛ частиц с энергией менее 1019 эВ не указывает на их источник. В этой области энергий остаётся только наблюдать вторичные излучения, генерируемые в самих источниках протонами и ядрами космических лучей. В доступной для наблюдения области энергий гамма-излучения (Е < 1013 эВ) данные о направлении прихода его квантов убедительно показывают, что космические лучи излучают объекты, сконцентрированные в плоскости нашей Галактики. Там же сосредоточено и межзвёздное вещество, с которым взаимодействуют частицы космических лучей, генерируя вторичное гамма-излучение.

Представление о космических лучах как "местном" галактическом явлении оказалось верно лишь для частиц умеренных энергий Е < 1017 эВ. Ограниченные возможности Галактики как ускорять, так и удерживать частицы с особенно высокой энергией были убедительно продемонстрированы в опытах по измерению энергетического спектра космических лучей.

В 1958 году Георгий Борисович Христиансен и Герман Викторович Куликов открыли резкое изменение вида энергетического спектра космических лучей при энергии порядка 3·1015 эВ. При энергиях меньше этого значения экспериментальные данные о спектре частиц обычно представляли в "степенном" виде так, что число частиц N с заданной энергией E считалось обратно пропорциональным энергии частицы в степени γ: N(E)=a/Eγ (γ - дифференциальный показатель спектра). До энергии 3·1015 эВ показатель γ = 2,7, но при переходе к большим энергиям энергетический спектр испытывает "излом": для энергий Е > 3·1015 эВ γ становится 3,15. Это изменение спектра естественно связать с приближением энергии ускоренных частиц к максимально возможному значению, вычисленному для механизма ускорения в Сверхновых. В пользу такого объяснения излома спектра говорит и ядерный состав первичных частиц в области энергий 1015-1017 эВ. Наиболее надёжные сведения о нём дают комплексные установки ШАЛ - "МГУ", "Тунка", "Тибет", "Каскад". С их помощью получают не только сведения об энергии первичных ядер, но и параметры, зависящие от их атомных номеров, - "ширину" ливня, соотношения между количеством электронов и мюонов, между количеством самых энергичных электронов и общим их количеством. Все эти данные свидетельствуют, что с ростом энергии первичных частиц от левой границы спектра до его излома к энергии после излома происходит увеличение их средней массы. Такое изменение состава частиц по массам согласуется с моделью ускорения частиц в Сверхновых - оно ограничено максимальной энергией, зависящей от заряда частицы. Для протонов эта максимальная энергия порядка 3·1015 эВ и увеличивается пропорционально заряду ускоряемой частицы (ядра), так что ядра железа эффективно ускоряются вплоть до ~1017 эВ. Интенсивность потоков частиц с энергией, превышающей максимальную, быстро падает.

Но регистрация частиц ещё больших энергий (~3·1018 эВ) показала, что спектр космических лучей не только не обрывается, но возвращается к виду, наблюдаемому до излома!

Измерения энергетического спектра в области "ультравысокой" энергии (Е > 1018 эВ) очень трудны из-за малого количества таких частиц. Для наблюдения этих редких событий необходимо создавать сеть из детекторов потока частиц ШАЛ и порождённых ими в атмосфере излучения Вавилова - Черенкова и ионизационного излучения (флуоресценции атмосферы) на площади в сотни и даже тысячи квадратных километров. Для подобных больших, комплексных установок выбирают места с ограниченной хозяйственной деятельностью, но с возможностью обеспечить надёжную работу огромного числа детекторов. Такие установки были построены сначала на площадях в десятки квадратных километров (Якутск, Хавера Парк, Акено), затем в сотни (AGASA, Fly’s Eyе, HiRes), и, наконец, сейчас создаются установки в тысячи квадратных километров (обсерватория Пьер Оже в Аргентине, Телескопическая установка в штате Юта, США).

Следующим шагом в изучении космических лучей ультравысокой энергии станет развитие метода регистрации ШАЛ по наблюдению флуоресценции атмосферы из космоса. В кооперации с несколькими странами в России создаётся первый космический детектор ШАЛ, проект ТУС. Ещё один такой детектор предполагается установить на Международной космической станции МКС (проекты JEM-EUSO и КЛПВЭ).

Что мы сегодня знаем о космических лучах ультравысокой энергии? На нижнем рисунке представлен энергетический спектр космических лучей с энергией выше 1018 эВ, который получен на установках последнего поколения (HiRes, обсерватория Пьер Оже) вместе с данными о космических лучах меньших энергий, которые, как было показано выше, принадлежат Галактике Млечный Путь. Видно, что при энергиях 3·1018-3·1019 эВ показатель дифференциального энергетического спектра уменьшился до значения 2,7-2,8, именно такого, который наблюдается для галактических космических лучей, когда энергии частиц гораздо меньше предельно возможных для галактических ускорителей. Не служит ли это указанием на то, что при ультравысоких энергиях основной поток частиц создают ускорители внегалактического происхождения с максимальной энергией значительно больше галактической? Излом в спектре галактических космических лучей показывает, что вклад внегалактических космических лучей резко меняется при переходе от области умеренных энергий 1014-1016 эВ, где он примерно в 30 раз меньше вклада галактических (спектр, обозначенный на рисунке пунктиром), к области ультравысоких энергий, где он становится доминирующим.

В последние десятилетия накоплены многочисленные астрономические данные о внегалактических объектах, способных ускорять заряженные частицы до энергий гораздо больше 1019 эВ. Очевидным признаком того, что объект размером D может ускорять частицы до энергии Е, служит наличие на всём протяжении этого объекта магнитного поля В такого, что гирорадиус частицы меньше D. К таким источникам-кандидатам относятся радиогалактики (испускающие сильные радиоизлучения); ядра активных галактик, содержащие чёрные дыры; сталкивающиеся галактики. Все они содержат струи газа (плазмы), движущиеся с огромными скоростями, приближающимися к скорости света. Такие струи играют роль ударных волн, необходимых для работы ускорителя. Чтобы оценить их вклад в наблюдаемую интенсивность космических лучей, нужно учесть распределение источников по расстояниям от Земли и потери энергии частиц в межгалактическом пространстве. До открытия фонового космического радиоизлучения межгалактическое пространство казалось "пустым" и прозрачным не только для электромагнитного излучения, но и для частиц ультравысокой энергии. Плотность газа в межгалактическом пространстве, по астрономическим данным, настолько мала (10–29 г/см3), что даже на огромных расстояниях в сотни миллиардов световых лет (1024 м) частицы не встречают ядер атомов газа. Однако, когда оказалось, что Вселенная наполнена мало энергичными фотонами (примерно 500 фотонов/см3 с энергией Еф ~10–3 эВ), оставшимися после Большого взрыва, стало ясно, что протоны и ядра с энергией больше Е ~5·1019 эВ, предела Грейзена - Зацепина - Кузьмина (ГЗК), должны взаимодействовать с фотонами и на пути более десятков миллионов световых лет терять бoльшую часть своей энергии. Таким образом, подавляющая часть Вселенной, находящаяся на расстояниях более 107 световых лет от нас, оказалась недоступной для наблюдения в лучах с энергией более 5·1019 эВ. Последние экспериментальные данные о спектре космических лучей ультравысокой энергии (установка HiRes, обсерватория Пьер Оже) подтверждают существование этого энергетического предела для частиц, наблюдаемых с Земли.

Как видно, изучать происхождение космических лучей ультравысокой энергии чрезвычайно трудно: основная часть возможных источников космических лучей самых высоких энергий (выше предела ГЗК) находятся столь далеко, что частицы на пути к Земле теряют приобретённую в источнике энергию. А при энергиях меньше предела ГЗК отклонение частиц магнитным полем Галактики ещё велико, и направление прихода частиц вряд ли сможет указать положение источника на небесной сфере.

В поиске источников космических лучей ультравысокой энергии используют анализ корреляции экспериментально измеренного направления прихода частиц с достаточно высокими энергиями - такими, что поля Галактики несильно отклоняют частицы от направления на источник. Установки предыдущего поколения пока не дали убедительных данных о корреляции направления прихода частиц с координатами какого-либо специально выделенного класса астрофизических объектов. Последние данные обсерватории Пьер Оже можно рассматривать как надежду на получение в ближайшие годы данных о роли источников типа AGN в создании интенсивных потоков частиц с энергией порядка предела ГЗК.

Интересно, что на установке AGASA были получены указания на существование "пустых" направлений (таких, где нет никаких известных источников), по которым за время наблюдения приходят две и даже три частицы. Это вызвало большой интерес у физиков, занимающихся космологией - наукой о происхождении и развитии Вселенной, неразрывно связанной с физикой элементарных частиц. Оказывается, что в некоторых моделях структуры микромира и развития Вселенной (теории Большого взрыва) предсказано сохранение в современной Вселенной сверхмассивных элементарных частиц с массой порядка 1023-1024 эВ, из которых должно состоять вещество на самой ранней стадии Большого взрыва. Их распределение во Вселенной не очень ясно: они могут быть либо равномерно распределены в пространстве, либо "притянуты" к массивным областям Вселенной. Главная их особенность в том, что эти частицы нестабильны и могут распадаться на более лёгкие, в том числе на стабильные протоны, фотоны и нейтрино, которые приобретают огромные кинетические энергии - более 1020 эВ. Места, где сохранились такие частицы (топологические дефекты Вселенной), могут оказаться источниками протонов, фотонов или нейтрино ультравысокой энергии.

Как и в случае галактических источников, существование внегалактических ускорителей космических лучей ультравысокой энергии подтверждают данные детекторов гамма-излучения, например телескопы установки HESS, направленные на перечисленные выше внегалактические объекты - кандидаты в источники космических лучей.

Среди них самыми перспективными оказались ядра активных галактик (AGN) со струями газа. Один из наиболее хорошо изученных на установке HESS объектов - галактика М87 в созвездии Дева, на расстоянии 50 миллионов световых лет от нашей Галактики. В её центре находится чёрная дыра, которая обеспечивает энергией процессы вблизи неё и, в частности, гигантскую струю плазмы, принадлежащей этой галактике. Ускорение космических лучей в М87 прямо подтверждают наблюдения её гамма-излучения, энергетический спектр фотонов которого с энергией 1-10 ТэВ (1012-1013 эВ), наблюдаемый на установке HESS. Наблюдаемая интенсивность гамма-излучения от М87 составляет примерно 3% от интенсивности Краба. С учётом разницы в расстоянии до этих объектов (5000 раз) это означает, что светимость М87 превышает светимость Краба в 25 миллионов раз!

Модели ускорения частиц, созданные для этого объекта, показывают, что интенсивность частиц, ускоряемых в М87, может быть так велика, что даже на расстоянии 50 миллионов световых лет вклад этого источника сможет обеспечить наблюдаемую интенсивность космических лучей с энергией выше 1019 эВ.

Но вот загадка: в современных данных о ШАЛ по направлению на этот источник нет избытка частиц с энергией порядка 1019 эВ. А не проявится ли этот источник в результатах будущих космических экспериментов, при таких энергиях, когда дальние источники уже не дают вклада в наблюдаемые события? Ситуация с изломом в энергетическом спектре может повториться ещё раз, например при энергии 2·1020. Но на этот раз источник должен быть виден в измерениях направления траектории первичной частицы, так как энергии > 2·1020 эВ настолько велики, что частицы не должны отклоняться в галактических магнитных полях.

Как видим, после столетней истории изучения космических лучей мы снова ждём новых открытий, на этот раз космического излучения ультравысокой энергии, природа которого пока неизвестна, но может играть важную роль в устройстве Вселенной.

Литература

Добротин Н. А. Космические лучи. - М.: Изд. АН СССР, 1963.

Мурзин В. С. Введение в физику космических лучей. - М.: Изд. МГУ, 1988.

Панасюк М. И. Странники Вселенной, или Эхо Большого взрыва. - Фрязино: «Век2», 2005.

Росси Б. Космические лучи. - М.: Атомиздат, 1966.

Хренов Б. А. Релятивистские метеоры // Наука в России, 2001, № 4.

Хренов Б. А. и Панасюк М. И. Посланники космоса: дальнего или ближнего? // Природа, 2006, № 2.

Космические агентства заявляют о возможности пилотируемого полета на Луну и Марс уже совсем в недалеком будущем, а средства массовой информации вселяют страх в умы обывателей статьями о космическом излучении, магнитных бурях и солнечном ветре. Попробуем разобраться в понятиях ядерной физики и оценить опасности.

Энциклопедические сведения

Под понятие подпадает любое электромагнитное излучение, которое имеет внеземное происхождение. Это потоки заряженных и незаряженных частиц различных энергий, которые движутся в космическом пространстве и достигают магнитной оболочки нашей планеты, а иногда и поверхности Земли. Органы чувств человека их не ощущают. Источниками космического излучения служат звезды и галактики.

История открытия

Первенство открытия существования космических так тоже называют) принадлежит австрийскому физику В. Гессу (1883-1964). В 1913 году он исследовал электропроводность воздуха. В соавторстве с американским физиком Карлом Дэйвидом Андерсеноном (1905-1991) он доказал, что электропроводность воздуха возникает в результате воздействия на атмосферу космического ионизирующего излучения. За свои исследования оба ученых в 1936 году получили Нобелевскую премию. Дальнейшие исследования в области свойств материи и позволили уже в 50-х годах прошлого столетия выявить спектр этих излучений и происхождение позитронов, пионов, мюонов, гиперонов и мезонов.

Галактическое космическое излучение

Энергия космического потока в ядерной физике измеряется в электронвольтах и равна 0,00001-100 квинтиллионов. Поток частиц первичного (галактического) космического излучения состоит из ядер гелия и водорода. Поток излучения ослабляют магнитосфера нашей Солнечной системы, магнитные поля Солнца и планет. Атмосфера Земли и ее магнитное поле оберегает жизнь на нашей планете. Попадая в атмосферу, частицы испытывают каскадные ядерные превращения, названные вторичным излучением. Космические тела и излучения при взрывах сверхновых звезд внутри галактики Млечный путь служат источником этого бета- и гамма-частиц, которые достигают нашей планеты в виде так называемого атмосферного ливня. В магнитном поле Земли альфа- и бета-частицы отклоняются к полюсам, в отличие от нейтральных гамма-частиц.

Солнечное космическое излучение

Близкое по природе к галактическому, оно возникает в хромосфере Солнца и сопровождается взрывом плазменного вещества, за которым следуют выбросы протуберанцев и магнитные бури. При обычной солнечной активности плотность и энергия этого потока небольшие, и их уравновешивает галактическое космическое излучение. При вспышках плотность потока сильно возрастает и превосходит излучение, приходящее из Галактики.

Для жителей планеты опасности нет

И это действительно так. С момента обнаружения космического излучения ученые не перестают его изучать. Последние исследования подтверждают, что вредоносное действие этих потоков поглощается атмосферой планеты и озоновым слоем. Вред оно может нанести космонавтам и объектам, которые находятся на высоте более 10 километров. Наглядно представить себе процесс каскадного разрушения этого опасного потока частиц в атмосфере довольно легко. Представьте, что с огромной лестницы вы сбросили башню из конструктора "Лего". На каждой ступеньке от нее будет отлетать множество кусочков. Именно так заряженные частицы космического излучения сталкиваются в атмосфере с ее атомами и теряют свой губительный потенциал.

А как же космонавты?

Человек присутствует в космосе в пределах магнитного поля Земли. Даже хоть и находится за пределами атмосферы, но попадает под воздействие магнитного поля планеты. Исключения - полеты астронавтов на Луну. Кроме того, имеет значение и длительность воздействия. Самый продолжительный полет в космосе продлился немногом более года. Исследования здоровья астронавтов, проведенные космическим агентством НАСА, показали, что чем выше доза полученной космической радиации, тем больше вероятность развития у них катаракты. Данных пока еще не достаточно, хотя именно космическое излучение считают главной опасностью при межпланетных путешествиях.

Кто долетит до Марса?

Федеральное управление авиации США утверждает, что после 32-хмесячного полета на красную планету астронавты получат такую дозу космической радиации, которая приведет к смертельной форме рака у 10% мужчин и 17% женщин. Кроме того, значительно возрастает риск развития катаракты, вероятность бесплодия и генетических аномалий у потомства. Добавим к этому нарушения в процессах нейрогенеза в гиппокампе - месте, где рождаются нейроны, и снижение долговременной памяти. Для того, чтобы снизить уровень этого воздействия, конструкторам еще необходимо изобрести защитную броню для более высокоскоростных космических кораблей и новые эффективные нейропротекторы для астронавтов.

Частицы из космоса ломают гаджеты

Профессор из Университета Вадрербильта (США) Бхарат Бхува выяснил, что электронные устройства могут выйти из строя под воздействием космического излучения. Согласно данным его исследований, излучения способны создать помехи в интегральных схемах высокоточных электронных устройств, что приводит к изменению данных в их памяти. В доказательство приводятся следующие факты:

Подводя итог

Теперь у системных администраторов и программистов есть объяснение глюков и сбоев в работе компьютерной техники. Во всем виновата космическая радиация! А если без шуток - давайте помнить, что жизнь на планете Земля вообще и наш организм в частности - это очень хрупкие биологические системы. Миллиарды лет биологической эволюции испытывали на прочность все формы органической жизни в условиях нашей планеты. Мы можем уберечься от очень многого, но всегда остаются угрозы, которых стоит опасаться. А чтобы правильно защититься, об угрозах нужно знать. Осведомлен - значит вооружен. А к Марсу астронавты все равно полетят, может, не к 2030 году, но полетят точно! Ведь мы, люди, всегда будем стремиться к звездам!

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Космические лучи: что это такое?

✪ NASA: изучаем КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

✪ Космические лучи сверхвысоких энергий - Сергей Троицкий

✪ ТАЙНА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

✪ Великое в малом. Эксперимент космических лучей

Субтитры

Основные сведения

Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц .

Физика космических лучей изучает:

процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;
частицы космических лучей, их природу и свойства;
явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет.

Классификация по происхождению космических лучей:

вне нашей Галактики
в Галактике
на Солнце
в межпланетном пространстве

Энергетический спектр космических лучей на 43 % состоит из энергии протонов , ещё на 23 % - из энергии гелия (альфа-частиц) и 34 % энергии, переносимой остальными частицами .

По количеству частиц космические лучи на 92 % состоят из протонов, на 6 % - из ядер гелия, около 1 % составляют более тяжелые элементы, и около 1 % приходится на электроны . При изучении источников космических лучей вне Солнечной системы протонно-ядерная компонента в основном обнаруживается по создаваемому ею потоку гамма-лучей орбитальными гамма-телескопами, а электронная компонента - по порождаемому ею синхротронному излучению , которое приходится на радиодиапазон (в частности, на метровые волны - при излучении в магнитном поле межзвёздной среды), а при сильных магнитных полях в районе источника космических лучей - и на более высокочастотные диапазоны. Поэтому электронная компонента может обнаруживаться и наземными астрономическими инструментами .

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: p (Z = 1) , α (Z = 2) , L (Z = 3 − 5) , M (Z = 6 − 9) , H (Z ⩾ 10) , V H (Z ⩾ 20) {\displaystyle p(Z=1),\alpha (Z=2),L(Z=3-5),M(Z=6-9),H(Z\geqslant 10),VH(Z\geqslant 20)} (соответственно, протоны, альфа-частицы, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые). Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий , бериллий , бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа . Данное явление объясняется тем, что механизм генерации космических частиц в первую очередь ускоряет тяжелые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра . Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии .

История физики космических лучей

В 1921-1925 годах американский физик Милликен , изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами. В 1925 году советские физики Л. А. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления - открыли «барометрический эффект». Опыты Д. В. Скобельцына с камерой Вильсона, помещенной в постоянное магнитное поле, дали возможность «увидеть», за счет ионизации, следы (треки) космических частиц. Д. В. Скобельцын открыл ливни космических частиц. Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий.

Солнечные космические лучи

Солнечными космическими лучами (СКЛ) называются энергичные заряженные частицы - электроны, протоны и ядра, - инжектированные Солнцем в межпланетное пространство. Энергия СКЛ простирается от нескольких кэВ до нескольких ГэВ. В нижней части этого диапазона СКЛ граничат с протонами высокоскоростных потоков солнечного ветра . Частицы СКЛ появляются вследствие солнечных вспышек .

Космические лучи ультравысоких энергий

Энергия некоторых частиц превышает предел ГЗК (Грайзена - Зацепина - Кузьмина) - теоретический предел энергии для космических лучей 5⋅10 19 эВ , вызванный их взаимодействием с фотонами реликтового излучения . Несколько десятков таких частиц за год было зарегистрировано обсерваторией AGASA (англ.) русск. . Эти наблюдения ещё не имеют достаточно обоснованного научного объяснения.

Регистрация космических лучей

Долгое время после открытия космических лучей, методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях, чаще всего - газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии , поднимаемые в стратосферу, или в космическое пространство. Но данный метод не позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.

Современные обсерватории работают на других принципах. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу, она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых 100 г/см², рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов , которые, в свою очередь, рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц, который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение , регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.

Значение для космических полётов

Космонавты МКС , когда закрывают глаза, не чаще, чем раз в 3 минуты, видят вспышки света , возможно, это явление связано с воздействием частиц высоких энергий, попадающих в сетчатку глаза. Однако экспериментально это не подтверждено, возможно, что этот эффект имеет под собой исключительно психологические основы.

Космические лучи
12.12.2005 20:11 |"Соросовская Энциклопедия"

1. Введение

Конец XIX - начало XX века ознаменовались новыми открытиями в области микромира. После открытия рентгеновских лучей и радиоактивности были обнаружены заряженные частицы, приходящие на Землю из космического пространства. Эти частицы были названы (КЛ).

Датой открытия космических лучей принято считать 1912 год, когда австрийский физик В.Ф. Гесс с помощью усовершенствованного электроскопа измерил скорость ионизации воздуха в зависимости от высоты. Оказалось, что с ростом высоты величина ионизации сначала уменьшается, а затем на высотах свыше 2000 м начинает резко возрастать. Ионизующее излучение, слабо поглощаемое воздухом и увеличивающееся с увеличением высоты, образуется КЛ, падающими на границу атмосферы из космического пространства.

КЛ представляют собой ядра различных элементов, следовательно, являются заряженными частицами. Наиболее многочисленны в КЛ ядра атомов водорода и гелия (~85 и ~10 % соответственно). Доля ядер всех остальных элементов таблицы Менделеева не превышает ~5 %. Небольшую часть КЛ составляют и (менее 1 %).

В процессах, происходящих во , КЛ играют важную роль. Плотность энергии КЛ в составляет ~1 эВ/см 3 , что сравнимо с плотностями энергий и галактического магнитного поля.

По содержанию в КЛ элементов лития, бериллия и бора, которые образуются в результате ядерных взаимодействий космических частиц с атомами , можно определить то количество вещества X , через которое прошли КЛ, блуждая в межзвездной среде. Величина X примерно равна 5-10 г/см 2 . Время блуждания КЛ в межзвездной среде (или время их жизни) и величина X связаны соотношением X ≈ρct , где c - скорость частиц (обычно полагают, что величина c равна скорости света), ρ - средняя плотность межзвездной среды, составляющая ~10 - 24 г/см 3 , t - время блуждания КЛ в этой среде. Отсюда время жизни КЛ ~3·10 8 лет. Оно определяется либо выходом КЛ из Галактики и гало, либо их поглощением за счет неупругих взаимодействий с веществом межзвездной среды.

На рис. 1 показаны энергетические спектры J (E ) для протонов Н, ядер гелия Не, углерода С и железа Fe, которые наблюдаются в космическом пространстве. Величина J (E ) представляет собой количество частиц, имеющих энергию в диапазоне от E до E +δE и проходящих через единичную поверхность в единицу времени в единице телесного угла в направлении, перпендикулярном поверхности. Видно, что основную долю в КЛ составляют протоны, затем следуют ядра гелия. Доля остальных ядер невелика.

По своему происхождению КЛ можно разделить на несколько групп.

1) КЛ галактического происхождения (ГКЛ). Источником ГКЛ является наша Галактика, в которой происходит ускорение частиц до энергий ~10 18 эВ. Спектры КЛ, изображенные на рис. 1, относятся к ГКЛ.

2) КЛ метагалактического происхождения, они имеют самые большие энергии, E >10 18 эВ, образуются в других галактиках.

3) Солнечные КЛ (СКЛ) , генерируемые на Солнце во время солнечных вспышек.

4) Аномальные КЛ (АКЛ), образующиеся в Солнечной системе на периферии гелиомагнитосферы .

КЛ самых малых и самых больших энергий различаются в 10 15 раз. С помощью только одного типа аппаратуры невозможно исследовать такой огромный диапазон энергий, поэтому для изучения КЛ используются разные методы и приборы: в космическом пространстве - с помощью аппаратуры, установленной на спутниках и космических ракетах, в атмосфере Земли - с помощью малых шаров-зондов и больших высотных аэростатов, на ее поверхности - с помощью наземных установок (некоторые из них достигают размеров в сотни квадратных километров), расположенных либо высоко в горах, либо глубоко под землей, либо на больших глубинах в океане, куда проникают частицы высоких энергий.

КЛ при своем распространении в межзвездной среде взаимодействуют с межзвездным газом, а при попадании на Землю - с атомами атмосферы. Результатом таких взаимодействий являются вторичные частицы - протоны и , электроны, γ-кванты , .

Основными типами детекторов, которые используются при изучении КЛ, являются фотоэмульсии и рентгеновские пленки, ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, счетчики нейтронов, черенковские и сцинтилляционные счетчики, твердотельные полупроводниковые детекторы, искровые и дрейфовые камеры.

2. Галактические космические лучи

КЛ используются для изучения ядерных взаимодействий частиц. В области высоких энергий, которые пока недостижимы на современных ускорителях, космические частицы являются единственным средством изучения ядерных процессов. Для изучения взаимодействий КЛ высоких энергий (E ≈10 15 эВ) с веществом используются ионизационные калориметры. Эти приборы, впервые предложенные Н.Л. Григоровым с сотрудниками, представляют собой несколько рядов детекторов - ионизационных камер или сцинтилляционных счетчиков, между которыми расположен поглотитель из свинца или железа. На верхней части калориметра помещается мишень из легкого вещества - углерода или алюминия. Частица, падающая на поверхность ионизационного калориметра, взаимодействует с ядром мишени, образуя вторичные частицы. Их число сначала возрастает, достигая некоторого максимального значения, и затем постепенно убывает по мере продвижения в тело калориметра. Детекторы измеряют ионизацию под каждым слоем поглотителя. По кривой зависимости степени ионизации от номера слоя можно определить энергию попавшей в калориметр частицы. Этими приборами впервые в мире был измерен спектр первичных КЛ в диапазоне энергий от ~10 11 до ~10 14 эВ. КЛ в диапазоне энергий 10 11 EJ(E )=J 0 E - 2,75 .

Для изучения характеристик ядерных взаимодействий КЛ очень больших энергий необходимы установки с большой площадью регистрации, так как поток высокоэнергичных частиц крайне мал. Их называют рентгеновскими камерами. Это приборы с площадью поверхности до нескольких сотен квадратных метров, состоящие из рядов рентгеновских пленок, перемежающихся слоями свинца. В результате взаимодействия КЛ с частицами воздуха образуются мезоны, часть из которых затем размножается в свинце, оставляя пятна на рентгеновской пленке. По числу и величине этих пятен, плотности их потемнения и по расположению в разных слоях определяется энергия взаимодействующей частицы и направление ее прихода.

Для изучения КЛ с энергиями выше 10 14 эВ используется свойство частиц высоких энергий создавать очень много вторичных частиц, в основном протонов и пионов, в результате взаимодействия первичной частицы с ядрами атомов в атмосфере. Обладающие достаточно высокой энергией протоны и пионы в свою очередь являются ядерно-активными частицами и вновь взаимодействуют с ядрами атомов воздуха. Как заряженные (π ±), так и нейтральные (π 0) пионы - это нестабильные частицы со временем жизни t ≈10 - 16 с для покоящегося π 0 и t ≈2,6·10 - 8 с для покоящихся π ± . Пионы сравнительно малых энергий не успевают вступить во взаимодействие с ядром атома воздуха и могут распасться на γ-кванты, положительные и отрицательные мюоны (μ ±), нейтрино (ν) и антинейтрино (ν -): π 0 → γ + γ ; π ± → μ ± + ν +ν - . Мюоны также являются нестабильными частицами со временем жизни для покоящегося мюона t ≈2,2·10 - 6 с и распадаются по схеме μ ± → e ± + ν + ν - . Гамма-кванты и электроны (позитроны ) за счет электромагнитного взаимодействия с атомами воздуха дают новые гамма-кванты и электроны. Таким образом в атмосфере образуется каскад частиц, состоящий из протонов, нейтронов и пионов (ядерный каскад), электронов (позитронов) и γ-квантов (электромагнитный каскад). Впервые ливни наблюдал Д.В. Скобельцын в конце 20-х годов.

Каскады в атмосфере, вызываемые частицами больших энергий и занимающие обширные площади, получили название широких атмосферных ливней. Они были открыты французским физиком П. Оже и его сотрудниками в 1938 году. Высокоэнергичная космическая частица образует ливень с огромным числом вторичных частиц, так, например, частица с E =10 16 эВ в результате взаимодействий с атомами воздуха вблизи поверхности Земли порождает примерно 10 млн вторичных частиц, распределенных на большой площади.

Хотя поток высокоэнергичных КЛ, падающих на границу земной атмосферы, крайне мал, широкие атмосферные ливни занимают значительные площади и могут быть зарегистрированы с высокой эффективностью. Для этой цели на поверхности земли размещаются детекторы частиц на площади в десятки квадратных километров, причем регистрируются только те события, в которых срабатывает сразу несколько детекторов. Широкий атмосферный ливень можно упрощенно представить в виде диска частиц, движущегося в атмосфере. На рис. 2 показано, как такой диск частиц широкого атмосферного ливня падает на детекторы регистрирующей установки. В зависимости от энергии космической частицы размер диска (поперечный размер ливня) может составлять от нескольких десятков метров до километра, а его толщина (продольный размер или фронт ливня) - десятки сантиметров. Частицы в ливне движутся со скоростью, близкой к скорости света. Число частиц в ливне существенно уменьшается при переходе от центра диска к его периферии. Поперечный размер широкого атмосферного ливня и число частиц в нем увеличивается с ростом энергии первичной частицы, которая образует этот ливень. Самые большие наблюдаемые на сегодняшний день ливни от первичных частиц с E ≈10 20 эВ содержат несколько миллиардов вторичных частиц. Измеряя многими детекторами пространственное распределение частиц в ливне, можно найти их полное число и определить энергию первичной частицы, которая данный ливень образовала. Поток частиц с энергиями E ≈10 20 эВ очень мал. Например, на 1 м 2 на границе атмосферы за 1 млн лет падает лишь одна частица с E ≈10 19 эВ. Для регистрации столь малых потоков необходимо иметь большие площади, покрытые детекторами, чтобы зарегистрировать достаточное количество событий за разумное время. На гигантских установках по регистрации широких атмосферных ливней было "поймано" несколько частиц, имеющих энергии свыше 10 20 эВ (максимальная зарегистрированная в настоящее время энергия частицы равна ~3·10 20 эВ).

Существуют ли КЛ более высоких энергий? В 1966 году Г.Т. Зацепин, В.А. Кузьмин и американский физик К. Грейзен высказали предположение, что спектр КЛ при энергиях E >3·10 19 эВ должен обрезаться из-за взаимодействия высокоэнергичных частиц с реликтовым излучением Вселенной. Регистрация нескольких событий с энергией E ≈10 20 эВ может быть объяснена, если предположить, что источники этих частиц удалены от нас на расстояния не более 50 Мпк. В этом случае взаимодействий КЛ с фотонами реликтового излучения практически не будет из-за малого количества фотонов на пути частицы от источника к наблюдателю.

В области высоких энергий КЛ наблюдается несколько особенностей.

1) Спектр КЛ испытывает излом при E ≈10 15 эВ. Показатель наклона спектра КЛ до излома γ≈2,75, для частиц больших энергий спектр становится круче, γ≈3,0. Эта важная особенность в спектре КЛ была открыта С.Н. Верновым и Г.Б. Христиансеном при изучении спектра широких атмосферных линий. Наблюдаемый излом в спектре при таких больших энергиях может быть вызван более быстрым выходом КЛ из нашей Галактики по сравнению с частицами меньших энергий или может быть обусловлен изменением природы их источников. Возможно также изменение химического состава КЛ в области излома.

2) При энергии частиц E ≈10 18 эВ спектр КЛ становится еще круче, γ≈3,3. Это вызвано, по-видимому, тем фактом, что в данном диапазоне энергий КЛ преимущественно метагалактического происхождения, их спектр имеет другой наклон.

3) Спектр частиц с E >10 19 эВ становится более пологим, γ≤3,3. Этот эффект вызван взаимодействием КЛ, имеющих энергии E >10 19 эВ, с , в процессе которого КЛ теряют часть своей энергии и переходят в область меньших энергий, что делает спектр частиц более пологим.

4) Спектр КЛ с энергиями свыше 10 20 эВ может быть получен лишь после длительных наблюдений, когда будет зарегистрировано достаточное количество событий с такими экстремальными энергиями. Для того чтобы существенно увеличить число случаев регистрации широких атмосферных ливней от частиц с энергиями E >10 19 эВ, в ближайшие годы планируется построить три гигантские установки с детекторами, размещенными на площади более 1000 км 2 . С их помощью ученые надеются получить ответ на вопрос о спектре КЛ в области сверхвысоких энергий и о максимально возможной энергии космических частиц.

КЛ сверхвысоких энергий будут удерживаться в Галактике ее магнитными полями, если радиус кривизны траектории частицы много меньше размеров Галактики. Используя соотношение между энергией частицы (E , эВ), ее радиусом кривизны (r ≈10 22 см - размер Галактики) и напряженностью магнитного поля (H ≈10 - 6 Э), E = 300Hr , получим максимальную энергию КЛ, которые могут удерживаться в нашей Галактике: E max ≈10 18 эВ. Это говорит о том, что КЛ более высоких энергий могут иметь метагалактическое происхождение.

3. Гамма-астрономия высоких и сверхвысоких энергий

КЛ образуются не только при взрывах сверхновых звезд . Источниками КЛ могут быть и другие космические объекты (пульсары, квазары и пр.). Можно с большой уверенностью полагать, что источники КЛ будут также и источниками высокоэнергичных γ-квантов. Гамма-кванты, в отличие от заряженных частиц, не испытывают воздействия космических магнитных полей и распространяются прямолинейно от источника к наблюдателю. Обнаружение таких светящихся в гамма-излучении космических объектов могло бы стать неопровержимым доказательством существования конкретных источников КЛ.

Идея экспериментов, начатых в начале 60-х годов советским ученым А.Е. Чудаковым, по поиску звездных источников высокоэнергичных γ-квантов заключается в следующем. Гамма-квант , падающий на границу земной атмосферы, порождает ливень частиц, состоящий из электронов и вторичных γ-квантов. Любая заряженная частица, движущаяся со скоростью, превышающей скорость света в среде, создает в ней, в данном случае в земной атмосфере, световое излучение, которое называется . Идея экспериментов состоит в том, чтобы собрать черенковский свет от ливня вторичных заряженных частиц, образованного γ-квантом высокой энергии, падающим на поверхность атмосферы из данного направления. На рис. 3 схематически изображен атмосферный ливень, образованный таким гамма-квантом. В установках, регистрирующих черенковский свет, используется ряд сферических зеркал. В фокусе каждого расположены несколько десятков фотоэлектронных умножителей - приборов, очень чувствительных к изменению светового потока, падающего на зеркало из данного направления. Наблюдения возможны лишь в ясные и безлунные ночи.

Потребовались большие усилия ученых многих стран мира по совершенствованию аппаратуры, методов обработки информации, прежде чем в середине 80-х годов был обнаружен поток высокоэнергичных γ-квантов от двух объектов: и ядра активной галактики Маркарян-421. Обнаруженные потоки γ-квантов были ничтожно малыми. Например, поток гамма-квантов с E γ >10 12 эВ от Крабовидной туманности составил всего N γ ≈10 - 12 квантов·см - 2 ·с - 1 . В начале 1997 года несколькими наземными γ-установками был открыт самый мощный источник высокоэнергичного γ-излучения - галактика Маркарян-501. Поток высокоэнергичных γ-квантов от этого источника меняется со временем, его максимальное значение в несколько раз превосходит суммарную величину потока γ-квантов от ранее известных источников.

4. Модуляционные эффекты в космических лучах

Интерес к исследованию КЛ с энергиями E солнечным ветром . Солнечный ветер обычно имеет на орбите Земли скорость 400-500 км/с и плотность частиц 5-10 см - 3 . В отличие от солнечный ветер состоит не из нейтральных молекул, а в основном из ионизованных атомов водорода и электронов. Этот ионизованный, но электрически нейтральный газ захватывает и уносит с собой солнечное магнитное поле, которое заполняет околосолнечное пространство и образует межпланетное магнитное поле. Из-за вращения Солнца вокруг своей оси с периодом 27 суток это магнитное поле закручивается в спираль. Напряженность межпланетного магнитного поля у орбиты Земли составляет примерно 7·10 - 5 Э, что на много порядков меньше напряженности магнитного поля на поверхности Земли (~0,5 Э).

Квазисферическая область пространства вокруг Солнца, имеющая радиус примерно 100 а.е., заполненная движущейся солнечной с вмороженным в нее магнитным полем, называется гелиомагнитосферой .

Гелиомагнитосфера разделена нейтральным токовым слоем на два полушария, в которых магнитные поля имеют противоположные направления. Магнитные силовые линии в гелиомагнитосфере имеют многочисленные изгибы и изломы, называемые магнитными неоднородностями, возникающими из-за неоднородностей солнечного магнитного поля, изменений скорости и плотности солнечного ветра, а также зависимости этих величин от гелиошироты и гелиодолготы.

КЛ, распространяясь в гелиомагнитосфере, рассеиваются на движущихся со скоростью солнечного ветра магнитных неоднородностях и уносятся за пределы гелиомагнитосферы. Для КЛ больших энергий (E >10 11 эВ) процессы их рассеяния и конвективного выноса несущественны, и из межзвездной среды практически все частицы столь высоких энергий попадают на орбиту Земли. Однако с уменьшением энергии все меньшее число частиц способно достичь орбиты Земли. Доля частиц галактических КЛ (ГКЛ) , которая доходит до орбиты Земли от границы гелиомагнитосферы, будет тем меньше, чем меньше энергия частиц и чем больше плотность магнитных неоднородностей межпланетного магнитного поля, а также чем больше скорость солнечного ветра. Плотность магнитных неоднородностей сильно зависит от уровня солнечной активности . В меньшей степени от уровня солнечной активности зависит скорость солнечного ветра. Так что наблюдаемая интенсивность ГКЛ внутри гелиомагнитосферы определяется уровнем солнечной активности.

Для изучения особенностей долговременного поведения КЛ было организовано их непрерывное наблюдение. В конце 50-х годов к началу Международного геофизического года во всем мире была создана сеть станций КЛ. В нашей стране такую сеть организовал С.Н. Вернов. Каждая станция включала в себя нейтронный монитор - прибор, регистрирующий вторичную ядерно-активную компоненту КЛ (в основном нейтроны), образующиеся при взаимодействиях КЛ с ядрами атомов воздуха. Так как станций было создано достаточно много и они были расположены более или менее равномерно по всему земному шару, одновременные показания этих приборов позволили получать мгновенную картину распределения потоков КЛ в межпланетной среде.

Экспериментальные данные показывают следующее. Во-первых, в КЛ наблюдается отчетливый 11-летний цикл. Когда Солнце спокойно и солнечная активность минимальна, поток КЛ в гелиосфере и на орбите Земли достигает максимальных значений. При активном Солнце поток КЛ минимален. На рис. 4,а приведен временной ход уровня солнечной активности (среднегодовое число солнечных пятен), а на рис. 4,б - временной ход потока ГКЛ. Видна цикличность и четкая противофазность приведенных кривых. Кроме того, на рис. 4,а показаны направления полярных магнитных полей Солнца в этот же период. Если принять в качестве положительной фазы 22-летнего солнечного магнитного цикла те эпохи, когда магнитные поля в северной полярной шапке направлены наружу от Солнца, а в южной полярной шапке - внутрь Солнца, то на приведенных кривых видно, что КЛ ведут себя по-разному в положительной и отрицательной фазах 22-летнего солнечного магнитного цикла. В отрицательные фазы (1960-1968 годы и 1982-1989 годы) кривая изменения потока КЛ имеет остроконечную форму. В положительные фазы (1972-1980 годы и с 1992 года по настоящее время) во временных изменениях потока КЛ наблюдается плато. Такое различие в поведении КЛ, когда магнитные поля в межпланетной среде различаются знаком, связано с различным направлением скорости дрейфа заряженных частиц в квазирегулярных магнитных полях гелиомагнитосферы .

Наряду с долговременными вариациями КЛ, связанными с 11- и 22-летними солнечными циклами, КЛ испытывают более короткопериодические изменения. К ним прежде всего относятся 27-дневные вариации КЛ, обусловленные вращением Солнца. 27-дневные вариации КЛ отчетливо проявляются в периоды развитой солнечной активности и слабо выражены в годы спокойного Солнца. Как правило, амплитуда этих вариаций не превышает 2 % от величины полного потока.

Суточные изменения КЛ связаны с вращением Земли и неизотропным распределением потока КЛ в гелиосфере. Существует класс периодических или квазипериодических вариаций КЛ, связанных, например, с годовым вращением Земли вокруг Солнца, изменением положения Земли относительно плоскости солнечного экватора и пр.

Наряду с квазипериодическими вариациями КЛ существуют их спорадические изменения, называемые форбуш-понижениями , суть которых состоит в следующем. Внезапно в течение нескольких часов или меньше поток КЛ, регистрируемый наземными станциями в атмосфере Земли или на искусственных спутниках, начинает резко падать. В некоторых случаях амплитуда этого падения может достигать десятка процентов. Такие события происходят после мощных взрывов на Солнце. Образовавшаяся распространяется в с огромной скоростью, достигающей 1000 км/с и более. Эта ударная волна несет перед собой усиленное , которое не позволяет заряженным частицам проникать внутрь высокоскоростного потока. Поэтому, когда Земля оказывается за фронтом ударной волны этого потока, интенсивность КЛ резко спадает. Поскольку вспышки на Солнце происходят чаще всего в годы высокой и соответственно в эти периоды наиболее часто генерируются ударные волны, наиболее часто наблюдаются в годы активного Солнца. Часто форбуш-понижения происходят в периоды мощных возмущений земного магнитного поля (во время геомагнитных бурь), которые также вызываются воздействием высокоскоростного потока солнечного ветра на магнитное поле Земли.

В начале 70-х годов изучение КЛ малых энергий, проводимое на космических аппаратах, привело к открытию аномальной компоненты КЛ (АКЛ). Ее составляют не полностью ионизованные атомы He, C, N, O, Ne и Ar. Аномальность проявляется в том, что в области энергий от нескольких единиц до нескольких десятков МэВ/нуклон спектр частиц АКЛ существенно отличается от спектра ГКЛ. Здесь наблюдается возрастание потока частиц, связанное, как полагают, с ускорением ионов в ударной волне на границе гелиомагнитосферы и последующей диффузией этих частиц во внутренние районы гелиосферы. Кроме этого, распространенность элементов АКЛ значительно отличается от соответствующих величин в ГКЛ.

5. Солнечные космические лучи

Солнце само также является источником (СКЛ). СКЛ - это заряженные частицы, ускоренные во вспышечных процессах на Солнце до энергий, во много раз превышающих тепловые энергии частиц на его поверхности. СКЛ впервые были зарегистрированы в начале 40-х годов ионизационными камерами - наземными приборами, которые регистрировали высокоэнергичные мюоны.

Что же представляет собой вспышка СКЛ? Астрономы, наблюдающие за Солнцем, заметили, что во время роста солнечной активности в активных областях на поверхности Солнца, где сосредоточено много пятен и имеется сложная конфигурация фотосферных магнитных полей, неожиданно возникает яркое свечение в оптическом диапазоне спектра. Примерно в это же время наблюдается увеличение радиоизлучения Солнца и очень часто появление рентгеновского и гамма-излучений , сопровождающих выброс коронального вещества в виде потока ускоренных заряженных частиц. В настоящее время полагают, что основным источником энергии солнечной вспышки является энергия аннигиляции солнечного магнитного поля в активной области и образование нейтрального токового слоя. Заряженные частицы СКЛ, ускоренные в солнечной вспышке, выбрасываются в межпланетное пространство и затем распространяются в нем.

Распространение СКЛ в межпланетной среде определяется условиями, которые существовали в ней до вспышки. Если условия были спокойными, то есть скорость солнечного ветра не слишком отличалась от средней и магнитное поле не испытывало существенных флуктуаций, то СКЛ будут распространяться в соответствии с законом диффузии, причем диффузия вдоль магнитных силовых линий будет определяющей. Если при вспышке на Солнце генерирована мощная ударная волна , то частицы ускоряются на фронте волны при ее распространении в короне Солнца и в межпланетной среде. Наиболее часто СКЛ на орбите Земли наблюдаются в тех случаях, когда магнитная силовая линия, пересекающая место вспышки, проходит через Землю. Статистический анализ числа зарегистрированных событий СКЛ с энергиями более нескольких сотен мегаэлектронвольт показывает, что наиболее часто регистрируются СКЛ, которые были ускорены во вспышках, имевших место на западном лимбе (крае) Солнца. В последние годы появились доказательства того, что ускорение частиц может происходить на фронте ударной волны вблизи Солнца. Таким образом, ускоренные частицы могут регистрироваться также и вдали от линии соединения вспышки и наблюдателя. Довольно часто вспышки СКЛ происходят во время форбуш-понижений .

Поток заряженных частиц, ускоренных во вспышках на Солнце, огромен и представляет угрозу всему живому. Магнитное поле и атмосфера спасают Землю от этой чудовищной радиации. Однако космонавтам, отправляющимся в далекие космические путешествия, например к Марсу, необходимо иметь заблаговременную информацию о возможности появления таких событий, чтобы принять защитные меры. Задача установления основных закономерностей возникновения вспышек СКЛ, прогнозирования таких событий решается учеными многих стран мира в течение нескольких десятков лет. К сожалению, вопрос о заблаговременном прогнозировании СКЛ и определении их основных характеристик на орбите Земли еще далек от решения.

6. Космические лучи в магнитосфере и атмосфере Земли

КЛ, прежде чем достигнуть поверхности Земли, должны пройти земное магнитное поле (магнитосферу) и земную атмосферу. Магнитное поле Земли имеет сложную структуру. Внутренняя область магнитосферы с размерами в несколько радиусов Земли (R ⊕ =6378 км) имеет дипольную структуру. На стороне Земли, обращенной к Солнцу, на расстоянии ~10R ⊕ солнечный ветер и земное магнитное поле в результате взаимодействия образуют стоячую ударную волну. На этом расстоянии солнечный ветер обтекает магнитное поле, размыкая часть силовых линий на передней (освещенной) границе магнитного поля Земли, и переносит их на ночную сторону Земли, образуя хвост магнитосферы. Хвост магнитосферы, состоящий из разомкнутых силовых линий, простирается на расстояние в несколько сотен радиусов Земли. На рис. 5 схематически изображена земная магнитосфера. КЛ, попадая в геомагнитосферу, движутся в ней сложным образом, так как на любую заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца, равная F =(q /c )[v ×B ], где q - заряд частицы, c - скорость света в вакууме , v - скорость частицы, а B - индукция магнитного поля. Зная F , можно определить траекторию частицы из уравнения

m (d v /dt )=(q /c )[v ×B ],

Где m - масса частицы. Так как B сложным образом зависит от координат точки наблюдения, то вычисление траектории движения частицы в магнитном поле Земли немыслимо без использования мощных вычислительных машин и соответствующего программного обеспечения и стало возможным только в наше время.

В начале нашего века движение заряженных частиц в поле магнитного диполя было рассмотрено шведским ученым С. Штермером. В магнитном поле движение частицы определяется ее магнитной жесткостью R =pc /q , где p - импульс частицы. Частицы, обладающие одинаковой жесткостью R , будут двигаться в одном и том же поле одинаково. Расчеты показали, что частица попадет в данную точку магнитосферы, если ее магнитная жесткость будет превосходить некоторую минимальную величину, называемую жесткостью геомагнитного обрезания R min . Частицы, имеющие R R min , попасть в данную точку магнитосферы под данным углом не могут. Обычно величина R выражается в мега- или в гигавольтах: МВ или ГВ. В полярные районы геомагнитосферы, в районы магнитных полюсов проникают частицы с очень малыми значениями R . Однако по мере продвижения к геомагнитному экватору величина R min существенно увеличивается и достигает значений ~15 ГВ. Таким образом, если измерять поток КЛ, двигаясь от полюса к экватору, то его величина будет постепенно уменьшаться, так как магнитное поле Земли будет препятствовать их проникновению. Это явление получило название широтного хода КЛ. Обнаружение широтного хода КЛ послужило доказательством того, что КЛ являются заряженными частицами.

Свойство геомагнитосферы пропускать в данную точку КЛ с жесткостью лишь выше R min используется для наблюдений КЛ в различных диапазонах энергий. Для этих целей стандартными приборами (нейтронными мониторами, кубическими телескопами, радиозондами и пр.) измеряют КЛ в районах полярных, средних и экваториальных широт, имеющих различные значения R min .

Вскоре после запусков первых в 1958 году американцем Дж. Ван Алленом и советскими учеными С.Н. Верновым и А.Е. Чудаковым были открыты внутренний и внешний радиационные пояса Земли. являются магнитными ловушками для заряженных частиц. Если частица попадает внутрь такой ловушки, то она захватывается и живет в ней довольно долго. Поэтому в радиационных поясах потоки захваченных частиц огромны по сравнению с потоками вне поясов. Схематически радиационные пояса показаны на рис. 5. Внутренний пояс состоит в основном из протонов и находится на расстоянии в несколько тысяч километров от поверхности Земли, если расстояние отсчитывать в экваториальной плоскости. Основным механизмом, который поставляет протоны во внутренний радиационный пояс, является механизм распада медленных нейтронов. Нейтроны образуются при взаимодействии КЛ с ядрами элементов воздуха. Это нестабильные частицы со временем жизни ~10 минут. Часть нейтронов имеет достаточную скорость, чтобы уйти за пределы атмосферы (граница атмосферы расположена на высоте ~30-35 км), попасть в область геомагнитной ловушки и там распасться: n →p +e - +ν. Измерения и расчеты потоков нейтронов, идущих вверх из атмосферы Земли, показали, что этот источник является основным поставщиком протонов во внутренний радиационный пояс. Максимум потока захваченных протонов внутреннего радиационного пояса (протоны с E >35 МэВ) зафиксирован на расстоянии примерно в 1,5R ⊕ .

На рис. 5 заштрихованные области представляют собой области захвата частиц - радиационные пояса Земли. Магнитосфера Земли не симметрична на дневной и ночной сторонах, поэтому области захвата частиц также различны. Это различие вызвано воздействием солнечного ветра на геомагнитосферу и особенно сказывается на ее внешних областях. Поэтому сильная асимметрия в расположении области захвата наблюдается для частиц внешнего радиационного пояса и в значительно меньшей степени для частиц внутреннего пояса.

В последнее время все большее внимание привлекает роль КЛ в атмосферных процессах. Хотя плотность энергии КЛ мала по сравнению с соответствующими величинами различных атмосферных процессов, в некоторых из них КЛ играют решающую роль. В земной атмосфере на высотах менее 30 км КЛ являются главным источником образования ионов. От плотности ионов во многом зависят процессы конденсации и образования водяных капель. Так, во время форбуш-понижений уменьшается облачность и уровень выпадения осадков. После вспышек на Солнце и прихода СКЛ на Землю величина облачности и уровень осадков увеличиваются. Эти изменения как в первом, так и во втором случаях составляют значительную величину - не менее 10 %. После вторжения в полярные области Земли больших потоков малоэнергичных частиц от солнечных вспышек наблюдается изменение температуры в верхних слоях атмосферы. КЛ активно участвуют в образовании грозового электричества. В настоящее время активно изучается влияние КЛ на концентрацию озона и на другие процессы в атмосфере.

7. Заключение

КЛ представляют собой интереснейшее явление природы, и, как все в природе, оно тесно связано с другими процессами в звездных объектах, в нашей Галактике, на Солнце, в гелиомагнитосфере и в атмосфере Земли. Человек уже многое знает о КЛ, но такие важные вопросы, как причины ускорения КЛ, в том числе до столь гигантских значений как E