К. л. напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы к-рого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвёздной и межпланетной сред и воздействие космич. магн. полей. В составе К. л. преобладают протоны, имеются также электроны, ядра гелия и более тяжёлых элементов (вплоть до ядер элементов с 30). Электронов в К. л. в сотни раз меньше, чем протонов (в одном и том же диапазоне энергий). Частицы К. л. обладают огромными кинетич. энергиями (вплоть до эВ). Хотя суммарный поток К. л. у Земли невелик [всего 1 частица/(см 2 с)], плотность их энергии (ок. 1 эВ/см 3) сравнима (в пределах нашей Галактики) с плотностью энергии суммарного эл.-магн. излучения звёзд, энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетич. энергии его турбулентных движений, а также с плотностью энергии магнитного поля Галактики. Отсюда следует, что К. л. должны играть большую роль в процессах, идущих в межзвёздном пространстве.
Др. важная особенность К. л. - нетепловое происхождение их энергии. Действительно, даже при темп-ре ~ 10 9 К, по-видимому, близкой к максимальной для звёздных недр, средняя энергия теплового движения частиц эВ. Осн. же количество частиц К. л., наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 10 8 эВ и выше. Это означает, что К. л. приобретают энергию в специфических астрофизич. процессах эл.-магн. и плазменной природы.
Изучение К. л. даёт ценные сведения об эл.-магн. полях в различных областях космического пространства. Информация, "записанная" и "переносимая" частицами К. л. на их пути к Земле, расшифровывается при исследовании - пространственно-временных изменений потока К. л. под влиянием динамических эл.-магн. и плазменных процессов в межзвёздном и околоземном пространстве.
С другой стороны, в качестве естественного источника частиц высокой энергии К. л. играют незаменимую роль при изучении строения вещества и взаимодействий между элементарными частицами. Энергии отдельных частиц К. л. столь велики, что они ещё долго будут оставаться вне конкуренции по сравнению с частицами, ускоренными (до энергий ~ 10 12 эВ) самыми мощными лабораторными ускорителями.
2. Методы изучения космических лучей
Вторгаясь в атмосферу Земли, первичные К. л. разрушают ядра наиболее распространённых в атмосфере элементов - азота и кислорода - и порождают каскадный процесс (рис. 1), в к-ром участвуют все известные в настоящее время элементарные частицы. Принято характеризовать путь, пройденный частицей К. л. в атмосфере до столкновения, количеством вещества в граммах, заключённого в столбе сечением 1 см 2 , т.е. выражать пробег частиц в г/см 2 вещества атмосферы. Это значит, что после прохождения толщи атмосферы х (в г/см 2) в пучке протонов с первоначальной интенсивностью I 0 количество протонов, не испытавших столкновения, будет равно , где - ср. пробег частицы. Для протонов, к-рые составляют большинство первичных К. л., в воздухе равен примерно 70 г/см 2 ; для ядер гелия 25 г/см 2 , для более тяжёлых ядер ещё меньше. Первое столкновение (70 г/см 2) с атмосферными частицами протоны испытывают в среднем на высоте 20 км. Толщина атмосферы на уровне моря эквивалентна 1030 г/см 2 , т.е. соответствует примерно 15 ядерным пробегам для протонов. Отсюда следует, что вероятность достичь поверхности Земли, не испытав столкновений, для первичной частицы ничтожно мала. Поэтому на поверхности Земли К. л. обнаруживаются лишь по слабым эффектам ионизации, создаваемой вторичными частицами.В начале 20 в. в опытах с электроскопами и ионизац. камерами была обнаружена постоянная остаточная ионизация газов, вызываемая каким-то очень проникающим излучением. В отличие от излучения радиоактивных веществ окружающей среды, проникающее излучение не могли задержать даже толстые слои свинца. Внеземная природа обнаруженного проникающего излучения была установлена в 1912-14 гг. австр. физиком В. Гессом, нем. учёным В. Кольхёрстером и др. физиками, поднимавшимися с ионизац. камерами на воздушных шарах. Было найдено, что с увеличением расстояния от поверхности Земли ионизация, вызываемая К. л., растёт, напр. на высоте 4800 м - вчетверо, на высоте 8400 м - в 10 раз. Внеземное происхождение К. л. окончательно доказал Р. Милликен (США), осуществивший в 1923-26 гг. серию опытов по исследованию поглощения К. л. атмосферой (именно он ввёл термин "К. л.").
Природа К. л. вплоть до 40-х гг. оставалась неясной. В течение этого времени интенсивно развивалось ядерное направление - изучение взаимодействия К. л. с веществом, образования вторичных частиц и их поглощения в атмосфере. Эти исследования, проводившиеся при помощи счётчиковых телескопов, камер Вильсона и ядерных фотоэмульсий (поднимаемых на шарах-зондах в стратосферу), привели, в частности, к открытию новых элементарных частиц - позитрона (1932 г.), мюона (1937 г.), пи-мезонов (1947 г.).
Систематич. исследования влияния геомагн. поля на интенсивность и направление прихода первичных К. л. показали, что подавляющее большинство частиц К. л. имеет положит. заряд. С этим связана восточно-западная асимметрия К. л.: из-за отклонения заряженных частиц в магн. поле Земли с запада приходит больше частиц, чем с востока.
Применение фотоэмульсий позволило в 1948 г. установить ядерный состав первичных К. л.: были обнаружены следы ядер тяжёлых элементов вплоть до железа (первичные электроны в составе К. л. были впервые зарегистрированы в стратосферных измерениях лишь в 1961 г.). С конца 40-х гг. на передний план постепенно выдвинулись проблемы происхождения и временных вариаций К. л. (космофизич. аспект).
Ядерно-физич. исследования К. л. осуществляются в основном при помощи счётчиковых установок большой площади, предназначенных для регистрации т.н. широких атмосферных ливней из вторичных частиц, к-рые образуются при вторжении одной первичной частицы с энергией эВ. Осн. цель таких наблюдений - изучение характеристик элементарного акта ядерного взаимодействия при высоких энергиях. Наряду с этим они дают информацию об энергетич. спектре К. л. при эВ, что очень важно для поиска источников и механизмов ускорения К. л.
Наблюдения К. л. в космофизич. аспекте проводятся весьма разнообразными методами - в зависимости от энергии частиц. Вариации К. л. с эВ изучаются по данным мировой сети нейтронных мониторов (нейтронный компонент К. л.), счётчиковых телескопов (мюонный компонент К. л.) и др. детекторов. Однако наземные установки из-за атмосферного поглощения нечувствительны к частицам с МэВ. Поэтому приборы для регистрации таких частиц поднимают на шарах-зондах в стратосферу до высот 30-35 км.
Внеатмосферные измерения потока К. л. 1-500 МэВ осуществляются при помощи геофизич. ракет, ИСЗ и др. КА. Прямые наблюдения К. л. в межпланетном пространстве осуществлены пока лишь вблизи плоскости эклиптики до расстояния ~ 10 а. е. от Солнца.
Ряд ценных результатов дал метод космогенных изотопов. Они образуются при взаимодействии К. л. с метеоритами и космич. пылью, с поверхностью Луны и др. планет, с атмосферой или веществом Земли. Космогенные изотопы несут информацию о вариациях К. л. в прошлом и о . По содержанию радиоуглерода 14 С в годичных кольцах деревьев можно, напр., изучать вариации интенсивности К. л. на протяжении неск. последних тысяч лет. По др. долгоживущим изотопам (10 Ве, 26 Al, 53 Mn и др.), содержащимся в метеоритах, лунном грунте, в глубоководных морских отложениях, можно восстановить картину изменений интенсивности К. л. за миллионы лет.
С развитием космич. техники и радио-химич. методов анализа стало возможным изучение характеристик К. л. по трекам (следам), создаваемым ядрами К. л. в метеоритах, лунном веществе, в спец. образцах-мишенях, экспонируемых на ИСЗ и возвращаемых на Землю, в шлемах космонавтов, работавших в открытом космосе, и т.п. Используется также косвенный метод изучения К. л. по эффектам ионизации, вызываемым ими в нижней части ионосферы, особенно в полярных широтах. Эти эффекты существенны гл. обр. при вторжении в земную атмосферу солнечных К. л.
3. Космические лучи у Земли
Табл. 1. Относительное содержание ядер в космических лучах, на Солнце и звездах (в среднем)
| Элемент | Солнечные К.л. | Солнце (фотосфера) | Звезды | Галактические К.л. |
| 1 H | 4600* | 1445 | 925 | 685 |
| 2 He (-частица) | 70* | 91 | 150 | 48 |
| 3 Li | ? | 0,3 | ||
| 4 Be- 5 B | 0,02 | 0,8 | ||
| 6 C | 0,54* | 0,6 | 0,26 | 1,8 |
| 7 N | 0,20 | 0,1 | 0,20 | 0,8 |
| 8 O** | 1,0* | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
| 9 F | 10 -3 | 0,1 | ||
| 10 Ne | 0,16* | 0,054 | 0,36 | 0,30 |
| 11 Na | ? | 0,002 | 0,002 | 0,19 |
| 12 Mg | 0,18* | 0,05 | 0,040 | 0,32 |
| 13 Al | ? | 0,002 | 0,004 | 0,06 |
| 14 Si | 0,13* | 0,065 | 0,045 | 0,12 |
| 15 P- 21 Sc | 0,06 | 0,032 | 0,024 | 0,13 |
| 16 S- 20 Ca | 0,04* | 0,028 | 0,02 | 0,11 |
| 22 Ti- 28 Ni | 0,02 | 0,006 | 0,033 | 0,28 |
| 26 Fe | 0,15* | 0,05 | 0,06 | 0,14 |
* Данные наблюдений для интервала =1-20 МэВ/нуклон, остальные цифры в этой графе относятся в основном к >40 МэВ/нуклон. Точность большинства значений в таблице в целом - от 10 до 50%. ** Обилие ядер кислорода принято за единицу.
Важнейшими характеристиками К. л. явл. их состав (распределение по массам и зарядам), энергетич. спектр (распределение по энергиям) и степень анизотропии (распределение по направлениям прихода). Относительное содержание ядер в К. л. приведено в табл.1. Из табл. 1 видно, что в составе К. л. галактич. происхождения гораздо больше лёгких ядер (Z = 3-5), чем в солнечных К. л. и в среднем в звёздах Галактики. Кроме того, в них присутствует значительно больше тяжёлых яде (20) по сравнению с их естеств распространённостью. Оба эти различи очень важны для выяснения вопрос о происхождении К. л.
Относительные числа частиц с различной массой в К. л. приведены в табл. 2.
Табл. 2. Состав и некоторые характеристики космических лучей с энергиями 2,5 ГэВ/нуклон
Видно, что в потоке первичных К. л преобладают протоны, их более 90% от числа всех частиц. По отношенив к протонам -частицы составляют 7%, электроны ~ 1% и тяжёлые ядра - менее 1%. Эти цифры относятся к частицам с энергией 2,5 ГэВ/нуклон по измерениям у Земли в минимуме солнечной активности, когда наблюдаемые энергетич. спектр можно считать близким к немодулированному спектру К. л. в межзвёздном пространстве.
Интегральный энергетич. спектр К. л. align="absmiddle" width="145" height="22"> [частиц/(см 2 с)] отражает зависимость числа частиц I с энергией выше (I 0 - нормировочная константа, +1 - показатель спектра, знак минус указывает на то, что спектр имеет падающий характер, т.е. с увеличением интенсивность К. л. уменьшается). Часто пользуются также дифференциальным представлением спектра [частиц/(см 2 с МэВ)], которое отражает зависимость от числа частиц в расчёте на единичный интервал энергии (1 МэВ).
Дифференциальный спектр по сравнению с интегральным позволяет выявить более тонкие детали энергетич. распределения К. л. Это видно из рис. 2, где показан дифференциальный спектр К. л., наблюдаемый у Земли в интервале примерно от 10 6 до эВ. Частицы К. л. с энергиями, попадающими в этот интервал, подвержены влиянию солнечной активности, поэтому изучение энергетич. спектра К. л. в интервале 10 6 -10 11 эВ крайне важно для понимания проникновения К. л. из межзвёздного в межпланетное пространство, взаимодействия К. л. с межпланетным магн. полем (ММП) и , для интерпретации солнечно-земных связей.До начала внеатмосферных и внемагнитосферных наблюдений К. л. вопрос о форме дифференциального спектра в области эВ казался довольно ясным: спектр у Земли имеет максимум вблизи 400 МэВ/нуклон; немодулированный спектр в межзвёздном пространстве должен иметь степенную форму; в межпланетном пространстве не должно быть галактич. К. л. малых энергий. Прямые измерения К. л. в интервале от 10 6 до 10 8 эВ показали, вопреки ожиданиям, что, начиная примерно с = 30 МэВ (и ниже), интенсивность К. л. снова растёт, т.е. был обнаружен характерный провал в спектре. Вероятно, провал - это результат усиленной модуляции К. л. в области эВ, где рассеяние частиц на неоднородностях ММП наиболее эффективно.
Установлено, что при эВ спектр К. л. уже не подвержен модуляции, а его наклон соответствует величине 2,7 вплоть до эВ. В этой точке спектр претерпевает излом (показатель увеличивается до =3,2-3,3). Имеются указания на то, что одновременно в составе К. л. увеличивается доля тяжёлых ядер. Однако данные о составе К. л. в этой области энергий пока весьма скудны. При align="absmiddle" width="118" height="17"> эВ спектр должен резко обрываться из-за ухода частиц в межгалактич. пространство и взаимодействия с фотонами . Поток частиц в области сверхвысоких энергий очень мал: на площадь 10 км 2 за год попадает в среднем не более одной частицы с эВ.Для К. л. с эВ характерна высокая изотропия: с точностью до 0,1% интенсивность частиц по всем направлениям одинакова. При более высоких энергиях анизотропия растёт и в интервале эВ достигает неск. десятков % (рис. 3). Анизотропия ~ 0,1% с максимумом вблизи 19 ч звёздного времени соответствует преимущественному направлению движения К. л. вдоль силовых линий магн. поля галактич. спирального рукава, в к-ром находится Солнце. С ростом энергии частиц время максимума сдвигается к 13 ч звёздного времени, что соответствует наличию дрейфового потока К. л. с эВ из Галактики поперёк магнитных силовых линий.
4. Происхождение космических лучей
Из-за высокой изотропии К. л. наблюдения у Земли не позволяют установить, где они образуются и как распределены во Вселенной. На эти вопросы ответила радиоастрономия в связи с открытием космич. в диапазоне радиочастот Гц. Это излучение создаётся электронами очень высокой энергии при их движении в магн. поле Галактики.
Частота , на к-рой интенсивность радиоизлучения максимальна, связана с напряжённостью магн. поля Н и энергией электрона соотношением (Гц), где - питч-угол электрона (угол между вектором скорости электрона и вектором Н ). Магн. поле Галактики, измеренное неск. методами, имеет величину Э. В среднем, при Э и =0,5, эВ, т.е. радиоизлучающие электроны должны иметь такие же энергии, как и осн. масса К. л., наблюдаемых у Земли. Эти электроны, являющиеся одним из компонентов К. л., занимают протяжённую область, охватывающую всю Галактику и называемую галактич. гало. В межзвёздных магн. полях электроны движутся подобно др. заряженным частицам высокой энергии - протонам и более тяжёлым ядрам. Разница состоит лишь в том, что благодаря малой массе электроны, в отличие от более тяжёлых частиц, интенсивно излучают радиоволны и тем самым обнаруживают себя в удалённых частях Галактики, являясь индикатором К. л. вообще.
Кроме общего галактич. синхротронного радиоизлучения были обнаружены дискретные его источники: оболочки , ядро Галактики, . Естественно ожидать, что все эти объекты-источники К. л.
До начала 70-х гг. 20 в. многие исследователи считали, что К. л. с align="absmiddle" width="89" height="17"> эВ имеют в основном метагалактич. происхождение. При этом указывалось на отсутствие известных галактич. источников частиц с вплоть до 10 21 эВ и на трудности, связанные с проблемой их удержания в Галактике. В связи с открытием пульсаров (1967 г.) был рассмотрен ряд возможных механизмов ускорения до сверхвысоких энергий даже очень тяжёлых ядер. С другой стороны, полученные данные свидетельствуют о том, что наблюдаемые у Земли электроны образуются и накапливаются в Галактике. Нет никаких оснований думать, что протоны и более тяжёлые ядра ведут себя в этом отношении по-другому. Т.о., оправдывается теория галактич. происхождения К. л.Косвенное подтверждение этой теории получено из данных о распределении по небесной сфере источников космич. гамма-излучения. Это излучение возникает за счёт распада -мезонов, к-рые образуются при столкновениях К. л. с частицами межзвёздного газа, а также вследствие тормозного излучения релятивистских электронов при их столкновениях с частицами межзвездного газа. Гамма-лучи не подвержены воздействию магн. полей, поэтому направление их прихода непосредственно указывает на источник. В отличие от наблюдаемого внутри Солнечной системы почти изотропного распределения К. л., распределение гамма-излучения по небу оказалось весьма неравномерным и подобным распределению сверхновых звёзд по галактич. долготе (рис. 4). Хорошее совпадение экспериментальных данных с ожидаемым распределением гамма-излучения по небесной сфере служит весомым доказательством того, что осн. источник К. л.- сверхновые звёзды.
Теория происхождения К. л. опирается не только на гипотезу о галактич. природе источников К. л., но и на представление о том, что К. л. длительное время удерживаются в Галактике, медленно вытекая в межгалактич. пространство. Двигаясь по прямой, К. л. покинули бы Галактику спустя неск. тысяч лет после момента генерации. В масштабах Галактики это время столь мало, что восполнить потери при такой быстрой утечке было бы невозможно. Однако в межзвёздном магн. поле с сильно запутанными силовыми линиями движение К. л. имеет сложный характер, напоминающий диффузию молекул в газе. В результате время утечки К. л. из Галактики оказывается в тысячи раз большим, чем при прямолинейном движении. Сказанное касается осн. части частиц К. л. (с эВ). Частицы с более высокой энергией, число к-рых очень мало, слабо отклоняются галактич. магн. полем и покидают Галактику сравнительно быстро. С этим, по-видимому, связан излом в спектре К. л. при эВ.
Наиболее надёжная оценка времени утечки К. л. из Галактики получается по данным об их составе. В К. л. в очень большом количестве (по сравнению со ср. распространённостью элементов) присутствуют лёгкие ядра (Li, Be, В). Они образуются из более тяжёлых ядер К. л. при столкновении последних с ядрами атомов межзвёздного газа (в основном водорода). Для того чтобы лёгкие ядра присутствовали в наблюдаемом количестве, К. л. за время их движения в Галактике должны проходить толщу межзвёздного вещества ок. 3 г/см. Согласно данным о распределении межзвёздного газа и остатков вспышек сверхновых звёзд, возраст К. л. не превышает 30 млн. лет.
В пользу сверхновых как осн. источника К. л., кроме данных радио-, рентгеновской и гамма-астрономии, говорят также оценки их энерговыделения при вспышках. Вспышки сверхновых сопровождаются выбросом огромных масс газа, образующих вокруг взрывающейся звезды большую ярко светящуюся и расширяющуюся оболочку (туманность). Полная энергия взрыва, к-рая уходит на излучение и кинетич. энергию разлёта газа, может достигать 10 51 -10 52 эрг. В нашей Галактике, по последним данным, сверхновые вспыхивают в среднем не реже одного раза в 100 лет. Если отнести энергию вспышки 10 51 эрг к этому промежутку времени, то ср. мощность вспышек составит ок. эрг/с. С другой стороны, для поддержания совр. плотности энергии К. л. ок. 1 эВ/см мощность источников К. л. при ср. времени жизни К. л. в Галактике лет должна быть не меньше 10 40 эрг/с. Отсюда следует, что для поддержания плотности энергии К. л. на совр. уровне достаточно, чтобы им было передано всего неск. % мощности вспышки сверхновой. Однако радиоастрономия позволяет непосредственно обнаружить только радиоизлучающие электроны. Поэтому ещё нельзя окончательно утверждать (хотя это представляется вполне естественным, особенно в свете достижений гамма-астрономии) , что при вспышках сверхновых генерируется также достаточное количество протонов и более тяжёлых ядер. В связи с этим не потеряли значения поиски и др. возможных источников К. л. Большой интерес в этом отношении представляют пульсары (где, по-видимому, возможно ускорение частиц до сверхвысоких энергий) и область галактич. ядра (где возможны взрывные процессы гораздо большей мощности, чем взрывы сверхновых). Однако мощность генерации К. л. галактич. ядром не превосходит, по-видимому, суммарной мощности их генерации при вспышках сверхновых. Кроме того, большая часть К. л., образованных в ядре, покинет диск Галактики раньше, чем достигнет окрестностей Солнца. Т.о., можно считать, что вспышки сверхновых явл. главным, хотя и не единственным источником К. л.
5. Механизмы ускорения космических лучей
Вопрос о возможных механизмах ускорения частиц до энергий ~ 10 21 эВ в деталях ещё далёк от окончат. решения. Однако в общих чертах природа процесса ускорения уже ясна. В обычном (неионизованном) газе перераспределение энергии между частицами происходит за счёт их столкновений между собой. В разреженной космич. плазме столкновения между заряженными частицами играют очень малую роль, а изменение энергии (ускорение или замедление) отдельной частицы обусловлено её взаимодействием с эл.-магн. полями, возникающими при движении всех окружающих её частиц плазмы.
В обычных условиях число частиц с энергией, заметно превышающей ср. энергию теплового движения частиц плазмы, ничтожно мало. Поэтому ускорение частиц должно начинаться практически от тепловых энергий. В космич. плазме (электрически нейтральной) не могут существовать сколько-нибудь значительные электростатич. поля, к-рые могли бы ускорять заряженные частицы за счёт разности потенциалов между точками поля. Однако в плазме могут возникать электрич. поля импульсного или индукционного характера. Импульсные электрич. поля появляются, напр., при разрыве нейтрального токового слоя, возникающего в области coприкосновения магн. полей противоположной полярности (см. ). Индукционное электрич. поле появляется при увеличении напряжённости магн. поля со временем (бетатронный эффект). Кроме импульсных полей начальная стадия ускорения может быть обусловлена взаимодействием ускоряемых частиц с электрическими полями плазменных волн в областях с интенсивным турбулентным движением плазмы.
В космосе, по-видимому, существует иерархия ускорительных механизмов, к-рые работают в различных комбинациях или в различной последовательности в зависимости от конкретных условий в области ускорения. Ускорение импульсным электрич. полем или плазменной турбулентностью способствует последующему ускорению индукционным (бетатронным) механизмом или мeханизмом Ферми.
Нек-рые особенности процесса ускорения частиц в космосе связаны с поведением плазмы
в магн. поле. Космич. магн. поля существуют в больших объёмах пространства. Частица
с зарядом
Ze
и импульсом p
движется в магн. поле H
по искривлённой траектории
с мгновенным радиусом кривизны
,
где R = cp/Ze
- магн. жёсткость частиц (измеряется в вольтах),
- питч-угол частицы. Если поле мало изменяется на расстояниях, сравнимых с величиной
, то траектория частицы имеет вид винтовой линии, навивающейся на
силовую линию магн. поля. При этом силовые линии поля как бы прикреплены к плазме
(вморожены
в плазму) - смещение любого участка плазмы вызывает соответствующее смещение и деформацию
силовых линий магн. поля, и наоборот. Если в плазме возбуждены достаточно интенсивные
движения (такая ситуация возникает, напр., в результате взрыва сверхновой), то имеется
много таких беспорядочно движущихся участков плазмы. Для наглядности их удобно рассматривать
как отдельные плазменные облака, движущиеся друг относительно друга с большими скоростями.
Осн. масса частиц плазмы удерживается в облаках и движется вместе с ними. Однако
небольшое число частиц высокой энергии, для к-рых радиус кривизны траектории в магн.
поле плазмы сравним с размером облака или превышает его, попадая в облако, не остаётся
в нём. Эти частицы лишь отклоняются магн. полем облака, происходит как бы столкновение
частицы с облаком в целом и рассеяние частиц на нём (рис. 5). В таких условиях частица
эффективно обменивается энергией сразу со всем облаком. Но кинетич. энергия облака
очень велика и в принципе энергия ускоряемой т.о. частицы может расти неограниченно,
пока
частица не покинет область с интенсивными движениями плазмы. Такова суть статистич.
механизма ускорения, предложенного Э. Ферми в 1949 г. Аналогично происходит ускорение
частиц
при их взаимодействии с мощными ударными волнами (напр., в межпланетном пространстве),
в частности при сближении двух ударных волн, образующих отражающие магн. "зеркала"
(или
"стенки") для ускоряемых частиц.
При ускорении плазменными волнами могут ускоряться частицы с энергией лишь в неск. раз больше тепловой. Число таких частиц не слишком мало, но условия ускорения будут существенно зависеть от сорта частиц, что должно вести к сильному изменению их состава по сравнению с составом исходной плазмы. Спектр ускоренных протонов, однако, и в этом случае может быть ~ exp-(R/R 0).
Бетатронный механизм, в основе к-рого лежит сохранение адиабатич. инварианта движения частицы = const, даёт степенной спектр и не избирателен по отношению к сорту частиц, но его эффективность пропорциональна магн. жёсткости частицы (dR/dt ~ R ), т.е. для его действия необходимо предварительное ускорение (инжекция).
Механизм ускорения Ферми даёт степенной энергетич. спектр , однако он избирателен по отношению к сорту частиц. Ускорение ударными волнами в космич. плазме также приводит к степенному энергетич. спектру, причём теоретич. расчёты дают показатель =2,5, что довольно хорошо соответствует наблюдаемой форме спектра К. л. Т.о., теория ускорения, к сожалению, допускает неоднозначный подход к интерпретации наблюдаемых спектров ускоренных частиц (в частности, солнечных К. л.).
Процессы ускорения импульсными электрич. полями вблизи нулевых линий магн. поля наблюдаются во время вспышек на Солнце, когда в течение неск. мин появляются частицы, ускоренные до энергии в неск. ГэВ. Вблизи пульсаров, в оболочках сверхновых звёзд в Галактике, а также во внегалактич. объектах - радиогалактиках и квазарах - этот процесс также может играть роль осн. механизма ускорения или, по крайней мере, роль инжектора. В последнем случае инжектируемые частицы ускоряются до макс. наблюдаемых в К. л. энергий в результате взаимодействий с волнами и с неоднородностями магн. поля в турбулентной плазме.
Наблюдения в различных масштабах (Галактика, Солнце, магнитосфера Земли и т.д.) показывают, что ускорение частиц происходит в космич. плазме всюду, где имеются достаточно интенсивные неоднородные движения и магн. поля. Однако в большом количестве и до очень больших энергий частицы могут ускоряться только там, где плазме сообщается очень большая кинетич. энергия. Это как раз и происходит в таких грандиозных космич. процессах, как вспышки сверхновых звёзд, активность радиогалактик и квазаров.
Наряду с огромной ролью К. л. в астрофизич. процессах, необходимо отметить их значение для изучения далёкого прошлого Земли (изменений климата, эволюции биосферы и т.д.) и для решения некоторых практич. задач современности (обеспечение радиац. безопасности космонавтов, оценка возможного вклада К. л. в метеоэффекты и т.п.).
Лит.:
Гинзбург В.Л., Сыроватский С.И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Мирошниченко
Л.И., Космические лучи в межпланетном пространстве, М., 1973; Дорман Л.И., Экспериментальные
и теоретические основы астрофизики космических лучей, М., 1975;
Топтыгин И, Н., Космические лучи в межпланетных магнитных полях, М., 1983.
(Л.И. Мирошниченко )
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.
Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшими экспериментальными задачами.
Классификация по происхождению космических лучей:
- вне нашей Галактики;
- в Галактике;
- на Солнце;
- в межпланетном пространстве.
Первичными принято называть внегалактические, галактические и солнечные космические лучи.
Вторичными космическими лучами принято называть потоки частиц, возникающих под действием первичных космических лучей в атмосфере Земли и регистрирующихся на поверхности 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 ядер гелия (альфа-частиц) и на 34 % из энергии, переносимой остальными частицами [ ] .
По количеству частиц космические лучи на 92 % состоят из протонов, на 6 % - из ядер гелия, около 1 % составляют более тяжёлые 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) , {\displaystyle (Z=1),} α (Z = 2) , {\displaystyle (Z=2),} L (Z = 3...5) , {\displaystyle (Z=3...5),} M (Z = 6...9) , {\displaystyle (Z=6...9),} H (Z ⩾ 10) , {\displaystyle (Z\geqslant 10),} VH (Z ⩾ 20) {\displaystyle (Z\geqslant 20)} (соответственно, протоны, альфа-частицы, лёгкие, средние, тяжёлые и сверхтяжёлые). 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 тяжёлые 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, всё равно наблюдался остаточный ток. В 1911-1912 годах был проведён ряд экспериментов с ионизационными камерами на воздушных шарах. Гесс обнаружил, что излучение растёт 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, помещённой в постоянное магнитное поле, дали возможность «увидеть», за счёт ионизации, следы (треки) космических частиц. Д. В. Скобельцын открыл ливни космических частиц.
Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий.
Космические лучи ультравысоких энергий
Энергия некоторых частиц (например, частицы «Oh-My-God») 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
Визуальный феномен космических лучей (англ. )
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.
Радиация
Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей - учёные из России и США уже ищут способы решения этой проблемы.
Доктор физико-математических наук Б. ХРЕНОВ, Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова.
Крабовидная туманность, изученная в лучах с различной длиной волны. Голубой цвет - рентгеновские лучи (НАСА, рентгеновская обсерватория Чандра), зелёный - оптический диапазон (НАСА, обсерватория Хаббл), красный - инфракрасное излучение (ЕКА, обсерватория
Установка HESS в Намибии.
Энергетический спектр гамма-квантов от Краба, измеренный на установке HESS (прямая линия аппроксимирует этот спектр). Поток гамма-квантов с пороговой энергией 1 ТэВ равен (2,26 ± 0,08) x 10-11 см-2·с-1.
Распределение направления прихода гамма-излучения с энергией 1-10 ГэВ в галактических координатах, по данным спутника EGRET.
Детектор частиц обсерватории Пьер Оже.
Детектор флуоресценции атмосферы: шесть телескопов просматривают атмосферу в поле зрения 0-30о по высоте над горизонтом и в поле зрения 0-180о по азимуту.
Карта расположения детекторов обсерватории Пьер Оже в провинции Мендоса, Аргентина. Точки - детекторы частиц.
Космический детектор ТУС будет наблюдать ШАЛ ультравысокой энергии с орбиты Земли.
Экспериментальные данные об энергетическом спектре космических лучей в широком диапазоне энергии первичной частицы. Для компактного представления данных дифференциальная интенсивность потока частиц умножена на Е3.
Струя релятивистского газа, выбрасываемая из эллиптической галактики М87.
Энергетические спектры гамма-квантов, измеренные на установке HESS: треугольники - от источника М87, кружки - от Краба. Поток гамма-квантов с пороговой энергией 1 ТэВ равен (2,26 ± 0,08) x 10–11 см–2 с– 1.
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 10 20 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 10 15 -10 18 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 10 9 -10 13 эВ, регистрируемых на воздушных шарах и спутниках, до 10 13 -10 20 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 см 3 . 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 = 10 16 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 см 3) 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 10 15 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/см 2 . 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/см 2 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 10 8 лет. Это время намного превышает время пролёта частицы, двигающейся со скоростью с по прямой от источника до Земли (3·10 4 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 10 4 B, где R в м, Е - энергия частицы в эВ, В - индукция магнитного поля в гауссах. При умеренных энергиях частиц Е < 10 17 эВ, полученных в ускорителях-Сверхновых, гирорадиус оказывается значительно меньше размера Галактики (3·10 20 м).
Приблизительно по прямой приходить от источника будут только частицы с энергией Е > 10 19 эВ. Поэтому направление создающих ШАЛ частиц с энергией менее 10 19 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 < 10 13 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 < 10 17 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 3·10 15 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/E γ (γ - дифференциальный показатель спектра). До энергии 3·10 15 эВ показатель γ = 2,7, но при переходе к большим энергиям энергетический спектр испытывает «излом»: для энергий Е > 3·10 15 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 10 15 -10 17 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 3·10 15 эВ и увеличивается пропорционально заряду ускоряемой частицы (ядра), так что ядра железа эффективно ускоряются вплоть до ~10 17 эВ. Интенсивность потоков частиц с энергией, превышающей максимальную, быстро падает.
Но регистрация частиц ещё больших энергий (~3·10 18 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 > 10 18 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 10 18 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 3·10 18 -3·10 19 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 10 14 -10 16 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 10 19 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/см 3), что даже на огромных расстояниях в сотни миллиардов световых лет (10 24 м) частицы не встречают ядер атомов газа. Однако, когда оказалось, что Вселенная наполнена мало энергичными фотонами (примерно 500 фотонов/см 3 с энергией Е ф ~10 –3 эВ), оставшимися после Большого взрыва, стало ясно, что протоны и ядра с энергией больше Е ~5·10 19 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 10 7 световых лет от нас, оказалась недоступной для наблюдения в лучах с энергией более 5·10 19 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 10 23 -10 24 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 10 20 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 (10 12 -10 13 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 10 19 эВ.
Но вот загадка: в современных данных о ШАЛ по направлению на этот источник нет избытка частиц с энергией порядка 10 19 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 2·10 20 . Но на этот раз источник должен быть виден в измерениях направления траектории первичной частицы, так как энергии > 2·10 20 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.
Хренов Б. А. и Климов П. А. Ожидается открытие // Природа, 2008, № 4.
рис. Космические лучи
Космические лучи - это поток заряженных частиц, движущихся в Галактике с чудовищными скоростями. Это главным образом ядра обычных химических элементов, по-видимому, возникающие в результате взрывов сверхновых звезд, движение которых по галактическим маршрутам регулируется слабыми магнитными полями, пронизывающими нашу Галактику. Космические лучи - это неотъемлемая часть межзвездной среды, и в них заключена значительная доля общей ее энергии. Когда мы прослеживаем пути космических лучей, регистрируя их с помощью специальных толстослойных фотографических эмульсий, мы действительно регистрируем захват частицы, дошедшей до нас из межзвездного пространства. В наши дни космические лучи - это единственные известные частицы, пришедшие из-за пределов Солнечной системы, с которыми мы можем иметь прямой контакт. По одной лишь этой причине они заслуживают тщательного исследования.
Открытие космических лучей
Космические лучи, которым удалось достичь Земли, пройдя сквозь толщу атмосферы, подверглись воздействию магнитного поля Земли и возможных межпланетных полей. Они также испытали действие солнечного ветра - потока частиц, выбрасываемых в пространство солнечной атмосферой. Космические лучи были впервые зарегистрированы около 60 лет назад благодаря ионизационным эффектам, которые они вызывают в ионизационных камерах. Информацию о направлениях, по которым приходят космические лучи, можно получить, проследив воздействие одной единственной заряженной частицы на цепочку соответствующим образом установленных ионизационных камер. Учеными установлено, что земная атмосфера сильно влияет на все частицы, кроме тех, которые обладают наибольшей энергией, и что на Земле регистрируются потоки вторичных космических лучей - «атмосферные ливни»,- возникающие в результате взаимодействия космических частиц высоких энергий с атомами верхних слоев атмосферы.
фото: наземная гамма обсерватория VERITAS для регистрации космического излучения
Всесторонние научные исследования позволили изучать свойства заряженных частиц, входящих в состав космических лучей. Легко были отождествлены самые распространенные их компоненты: ядра атомов водорода, протоны, и ядра атомов гелия, альфа частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Но вскоре стало ясно, что присутствуют также ядра более тяжелых элементов, в частности ядра атомов железа с атомным номером Z = 26. Не так давно при помощи современных методов «проявления следов» удалось проследить пути частиц в метеоритах, что позволило обнаружить в космических лучах элементы тяжелее железа. Самым тяжелым ядром из ныне обнаруженных является ядро с атомным номером Z = 106, т. е. трансурановое ядро.
Влияние магнитного поля Земли на заряженные частицы из космоса
Магнитное поле Земли воздействует на частицы космических лучей в такой степени, что становится очень трудно проследить первоначальное направление до входа в магнитосферу Земли всех частиц, кроме тех, которые обладают наибольшими энергиями. Кроме того, взаимодействие частиц космических лучей и газов верхних слоев атмосферы создает вторичные эффекты в виде ливней ионизованных частиц. Магнитное поле Земли и ее атмосфера - это надежный щит, защищающий нас от космических лучей! Огромную помощь в изучении космических лучей до их вторжения в атмосферу Земли и до воздействия на них земного магнитного поля оказывают искусственные спутники. Чрезвычайно важная задача будущего - проводить исследование на космических аппаратах за пределами внутренней области Солнечной системы.
Природа космического излучения
Ученые выяснили, что наибольшая часть космических лучей, причем с наименьшими энергиями, имеет солнечное происхождение, но главный вклад вносят космические лучи, приходящие из и обладающие высокими энергиями. Возможно, что некоторая доля космических лучей - это посланцы других галактик. Сейчас считают, что наиболее вероятным источником космических лучей в Галактике являются взрывы сверхновых.
фото: Вспышка сверхновой - источник галактического излучения
Как мы отмечали, главными компонентами космических лучей являются протоны и альфа-частицы. За ними идут элементы с атомными номерами Z = 30 и больше, особенно группа железа. Интересно также, что среди частиц космических лучей встречаются и электроны. Нелегко отделить истинные космические электроны от электронов, образовавшихся в солнечном ветре и в результате вторичных эффектов в земной атмосфере. Наблюдения с искусственных спутников в периоды минимума солнечной активности позволяют получить наилучшие данные о свободных электронах в межзвездном и межпланетном пространстве. Результаты исследования космических лучей позволили нам узнать много нового и интересного об относительном распределении химических элементов и их распространенности в межзвездном пространстве.
Гипотеза сверхновых
В последние годы специалисты по космическим лучам много спорили о том, возникают ли космические лучи в нашей Галактике или за ее пределами. В целом представляется, что одерживают верх сторонники галактического происхождения космических лучей. Наибольшее внимание привлекла гипотеза, выдвинутая советскими учеными В. Л. Гинзбургом, В. Н. Сыроватским и поддержанная И. С. Шкловским, согласно которой космические лучи возникают при взрывах сверхновых звезд в нашей Галактике. В , происходит 2- 3 взрыва сверхновых в столетие. Энергия, освобождающаяся при каждом таком взрыве, колоссальна, и тот факт, что известные остатки вспышек сверхновых, например Крабовидная туманность, являются источниками синхротронного радиоизлучения, указывает на присутствие вокруг них крупномасштабных магнитных полей. Ядра атомов, выбрасываемые в космическое пространство в качестве побочных продуктов взрыва сверхновых звезд, ускоряются этими магнитными полями, что позволяет понять высокие энергии частиц космических лучей.
Можно не сомневаться в том, что космические лучи в больших количествах не могут приходить к нам от далеких галактик, находящихся на расстояниях нескольких миллиардов парсек. Гипотеза сверхновых обеспечивает постоянный приток частиц с примерно требуемой энергией. Именно поэтому представляется вполне разумным искать источник космических лучей в самых грандиозных явлениях, происходящих в нашей Галактике - взрывах сверхновых.
Космические лучим -- элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве. Другое определение: космические лучи (космическое излучение) - частицы, заполняющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие Землю.
Классификация по происхождению космических лучей:
- · вне нашей Галактики
- · в Галактике
- · на Солнце
- · в межпланетном пространстве
Различают первичные космические лучи - это космические лучи до входа в атмосферу и вторичные космические лучи, образовавшиеся в результате процессов взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой 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.
По количеству частиц космические лучи на 90 процентов состоят из протонов, на 7 процентов -- из ядер гелия, около 1 процента составляют более тяжелые элементы, и около 1 процента 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.
В результате взаимодействия с ядрами атмосферы первичные космические лучи (в основном протоны) создают большое число вторичных частиц? пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. Таким образом вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных частиц, которые делятся на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты.
Такой каскад покрывает большую территорию и называется широким атмосферным ливнем.
В одном акте взаимодействия протон обычно теряет ~50% своей энергии, а в результате взаимодействия возникают в основном пионы. Каждое последующее взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые адроны, которые летят примущественно по направлению первичной частицы, образуя адронный кор ливня.
Мюомн (от греческой буквы м, использующейся для обозначения) в стандартной модели физики элементарных частиц -- неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1?2.
Пион, пи-мезон -- три вида субатомных частиц из группы мезонов. Обозначаются р0, р+ и р?. Имеют наименьшую массу среди мезонов.
Позитрон -- античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд?1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже -- трёх и более) гамма-квантов.
Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами атмосферы, а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную компоненты ливня. Адронная компонента до поверхности Земли практически не доходит, превращаясь в мюоны, нейтрино и г-кванты.
Образующиеся при распаде нейтральных пионов г-кванты вызывают каскад электронов и г-квантов, которые в свою очередь образуют электрон-позитронные пары. Заряженные лептоны теряют энергию на ионизацию и радиационное торможение. Поверхности Земли в основном достигают релятивистские мюоны. Электронно-фотонная компонента поглощается сильнее. Один протон с энергией > 1014 эВ может создать 106-109 вторичных частиц. На поверхности Земли адроны ливня концентрируются в области порядка нескольких метров, электронно-фотонная компонента? в области ~100 м, мюонная? нескольких сотен метров. Поток космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей (~0.01 см-2·с-1).
Основными источниками первичных космических лучей являются взрывы сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце. Большие энергии (до 1016 эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением частиц на ударных волнах, образующихся взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации. Интенсивность космических лучей на больших интервалах времени была постоянна в течение ~109 лет. Однако, появились данные, что 30-40 тыс. лет тому назад интенсивность космических лучей заметно отличалась от современной. Пик интенсивности связывают со взрывом близким к Солнечной системе.
луч космический первичный
Список информационных источников
http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/039.htm
http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e083.htm
https://ru.wikipedia.org/wiki/Космические_лучи
https://ru.wikipedia.org/wiki/Пион_(частица)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Мюон
https://ru.wikipedia.org/wiki/Андрон
https://ru.wikipedia.org/wiki/Позитрон