Космические лучи. Космические лучи: состав и происхождение. Модуляционные эффекты в космических лучах

Космические лучи

Что такое космические лучи?

Путешествуя по нескончаемым просторам вселенной, встречая на своём пути много неожиданностей и всяческих внешних влияний. И одним из этих влияний оказываются лучи из космоса.
Космические лучи — это имеющие и не имеющие заряда частички, прилетающие из вселенских просторов к поверхности Земли, задерживаясь в воздушной оболочке нашей планеты. Физика космических лучей стала областью, имеющей очень перспективное будущее. Потому что исследуя космолучи, учёные могут лучше разобраться в процессах, происходящих в Звёздах , в нашей и не только Галактиках . Такие огромные возможности смогут предоставить нам космические лучи .

Физика космических лучей и история открытия

Космические лучи стали известны случайно в 1900 г. при замерах количества ионизации и электропроводимости газа, посредством электроскопов. Немецкие физики Юлиус Эльстер и Ганс Гейтель автономно друг от друга сделали открытие неизвестного природного происхождения ионизации воздуха.

Шотландский физик Чарльз Вильсон , находясь в Британии и работая с ионизационной камерой , сделал вывод, что приходящее излучение имеет внеземную причину. С помощью экранированной камеры, Вильсон выяснил, что проникающее свойство незнакомого излучения сильнее, чем у лучей рентгеновского и гамма-диапозона, и дал название ему ультра-гамма ионизация .

К сожалению, последующее изучение космических лучей немного затормозило процесс изучения физики в этой области. Эрнест Резерфорд , в то же время, произвёл много экспериментов по защите детектора свинцом и дал объяснение этому, как гамма-активностью материала конструкции. Позже, наичувствительнейший электрометр дал результаты, которые показывали, что над водоёмами ионизация делалась меньше и предположили, что эта ионизация, есть следствие радиоактивности литосферы в гамма-спектре. Как мне кажется, это очень смешно — то, что пришло из космоса интерпретировали, будто источник в земле.
Очень долго учёные собирали экспериментальные данные. Экспериментировали, как непосредственно на земле, так и на высоте, например, на Эйфелевой башне и на аэростате. И по прошествию 25 лет, в 25 -ом году прошлого столетия учёный физик Роберт Милликен из Америки провёл ряд замеров водопоглощения высотного излучения в водоёмах, расположенных на высоте 3.6 и около 2 -х км. В результате замеров, выяснилось, что излучение направлено вниз, через воздух.
Милликен первый раз называет это явление космическими лучами . Это будем рассматривать как настоящий прорыв в изучении этого явления. Но всё же, происхождение космолучей учёным было не понятно. Огромную лепту в понимание лучей внес советский физик Дмитрий Скобельцин . Он посредством опытов он установил, что космические лучи это частицы, имеющие электрический заряд и вызывают в воздухе ливни частиц. В последствии теорию ливней этих частиц прорабатывает физик Лев Ландау .
В 36 году прошлого столетия Виктору Гессу присудили Нобелевскую награду за выявление космических лучей . 24 года прошло прежде, чем осознали фундаментальную ценность этого явления. К тому моменту уже было понятно, что космические лучи это, в большинстве случаев, частицы с плюсовым зарядом и с очень высокой энергией.
Период изучения с 30 -х до 55 -х годов, стал эпохой фундаментальных частиц в космических лучах . В то время обнаружили шаг за шагом: позитроны, мюоны, би-мезоны и т.д. Чем мощнее становились ускорители, тем выше поднималась действующая область энергии в физике, что позволяло детально изучить явления в космических лучах . Впрочем, верхние пределы энергии, которые в космических лучах составляют сейчас 3х10 20 электрон-вольт, прежнему, на порядок превосходят результаты, воплощаемые в лабораториях.

Например, для понимания превосходства: в БАК (Большом Адронном Коллайдере ) частички разгоняют до энергии в 14х10 12 степени электрон-вольт, что примерно в 10 млн раз меньше. Кстати, вспомните период времени, когда твердили, что БАК станет причиной возникновения чёрных дыр, что приведёт к гибели человечества. Как следует из вышесказанного, в атмосфере уже очень давно происходят события энергитически мощнее, чем создаются в БАК . И развитию человечества это ни помешало. Космолучи как бы являются «природными ускорителями «.
Очевидно, что большая часть космических лучей прилетает к нам от Солнца . Но в 1960 году В.Л. Гинзбург и С. И. Сыроватский высказали мнение, что космолучи рождаются в галактике при вспышке сверхновых. И уже спустя 8 лет обнаруживается гамма-излучение высокой энергии, прилетевшее из галактики. В дальнейшем теории учёных развивались на рассмотрение внегалактических следов космолучей и частичек из молодой Вселенной.
Достаточно истории космических лучей , давайте обсудим из чего же состоят космолучи .

Состав космических лучей и происхождение

Как уже говорилось ранее, посредством космических лучей , опытным путём зафиксировали такие частички, как позитрон, мюон, би-мезон . Однако в составе космолучей этих частиц крайне мало. Большую часть космических лучей составляют протоны , это около 90% от всех лучей, приходящих с космоса. Около 7% составляют альфа-частицы , т.е. ядра гелия , и только маленькая часть примерно 1% это ядра на порядок тяжелее, например, углерод и железо . Удивительно, но эти «тяжеленные» ядра прилетают именно из галактики .
Космические лучи прилетающие с нашей звезды имеют составе, в большинстве случаев, это протоны 98% . То, что космолучи из галактики состоят из тяжелых ядер, элементарно объясняется, что рождаются они в следствии образования (взрыва) сверхновых .
Кстати, космолучи подтвердили ТО (Теорию Относительности ). Что ещё больше придаёт значимости космическим лучам .
Когда протон взаимодействует с земной атмосферой, возникает ливень частичек . Это явление рассмотрим по-подробнее. При воздействии космических лучей на атомарные ядра воздушных газов, в большинстве случаев с ядрами N 2 и O 2 , первичные космолучи , как правило, рождают огромное количество вторичных частичек ионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов . Этот поток имеет огромную зону и носит имя большой атмосферный ливень . За одно взаимодействие протончик, как правило, отдаёт примерно половину своего энергетического потенциала. В итоге этого акта рождаются в большинстве случаев пионы . Всякий следующий акт первичной частицы создаёт поток новых частиц, которые придерживаются траектории первичной частицы, создавая ливень . Созданные пионы как правило воздействуют на атомарные ядра воздуха, но и могут разрушаться, создавая мюонные и электронно-фотонные составляющие потока. Ядра частицы в итоге до земли в конечном счёте не долетают «перевоплощаясь» в мюоны, нейтрино и гамма-кванты .

Обнаружение космических лучей

Как же обнаруживаются лучи из космоса и какие данные желают получить учёные от этого явления?

Т.к. энергетический спектр космолучей огромен от 10 6 до 10 20 электрон-вольт , способы их детектирования и мониторинга крайне многообразны. Например, это наземные сооружения огромной территории для детектирования больших воздушных каскадов (ливней ). Эти сооружения могут обнаруживать следы космических лучей , при чем наблюдается широкая часть небосвода. Эти детекторы способны работать более 90% времени. К сожалению эти сооружения очень чувствительны к фоновому излучению , и порой различить частицы, прилетевшие из космоса и земные частицы очень затруднительно.

Черенковское излучение
Другой способ регистрации это использование черенковского излучения . Когда некие частицы, например, космические частицы, двигаются быстрее скорости света в некоторой среде, появляется излучение , называемое черенковским , которое и детектируется. Данные телескопы хоть и отлично могут отличить фоновую радиоактивность и космолучи , но функционируют они лишь в ясную ночную погоду, когда нет Луны на небе и у них малюсенькое поле зрения. И могут иследовать такие телескопы непродолжительное время.

Телескоп Veritas
Самый популярный телескоп, регистрирующий черенковское излучение, это Veritas и Has . Телескопы детектируют гамма-излучения , т.е. черенковское. Они смогли внести огромнейший вклад в исследование пульсаров, квазаров, звездных скоплений, гамма-всплесков, и в исследование происхождения космолучей , находящихся за пределами галактики и сверхмассивной чёрной дыры, являющейся центром Млечного Пути.
Есть и иные способы регистрации космических лучей , а также последствий, вызванных ими, но все они имеют связь лишь с их воздействием с некой материалов, будь то пластмасса, азот или перенасыщенные водные пары и т.д.

Применение космолучей

А есть ли практическое применение космических лучей?!

Египетские пирамиды
Однозначно, да. К примеру, исследование сооружений Египетских пирамид . В процессе воздействия космолучей на атмосферу, как было отмечено выше, появляются мюоны . И с помощью мюонной рентгенографии или, как говорится в «Natural « , учёные смогли «увидеть» ещё неизведанные пустоты в пирамидах. В общем, это говорит о том, что сегодняшняя физика фундаментальных частиц и космических лучей , сможет сделать новые открытия в археологии.

Нейтрино
Но давайте-ка взглянем пошире на это явление. Собственно, космические лучи служат источниками этих «неуловимых» нейтрино , будоражащие научный мир. Скорее всего, космолучи могут дать нам информацию, о таких «теоретических » частицах, как магнито-монополи или гравитоны , исследовать которые, мы пока что не в силах, по причине не способности создания нужных условий нашими современными ускорителями. К тому же, реликтовое излучение это одно из разновидностей космолучей . И северное сияние тоже следствие проявления космических лучей .

Космические лучи (излучение) - это частицы, заполняющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Они открыты в 1912 г. австрийским физиком Гессом с помощью ионизационной камеры на воздушном шаре. Максимальные энергии космических лучей 10 21 эВ, т.е. на много порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителям (10 12 эВ). Поэтому изучение космических лучей играет важную роль не только в физике космоса, но также и в физике элементарных частиц. Ряд элементарных частиц впервые был обнаружен именно в космических лучах (позитрон - Андерсон, 1932 г.; мюон () - Неддермейер и Андерсон, 1937 г.; пион () - Пауэлл, 1947 г.). Хотя в состав космических лучей входят не только заряженные, но и нейтральные частицы (особенно много фотонов и нейтрино), космическими лучами обычно называют заряженные частицы.

При обсуждении космических лучей следует уточнять, о каких именно лучах идет речь. Различают следующие типы космических лучей:

1. Галактические космические лучи - космические частицы, приходящие на Землю из недр нашей Галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем.

2. Солнечные космические лучи - космические частицы, генерируемые Солнцем.

Поток галактических космических лучей, бомбардирующих Землю, примерно изотропен и постоянен во времени и составляет 1 частица/см 2 сек (до входа в земную атмосферу). Плотность энергии галактических космических лучей 1 эВ/см 3 , что сравнимо с суммарной энергией электромагнитного излучения звезд, теплового движения межзвездного газа и галактического магнитного поля. Таким образом, космические лучи - важный компонент Галактики.

Состав галактических космических лучей:

Ядерная компонента - 93% протонов, 6.5% ядер гелия, <1% более тяжелых ядер (т.е. отвечает распространенности ядер во Вселенной).

Электроны. Их число 1% от числа ядер.

Позитроны. Их число 10% от числа электронов.

Антиадроны составляют меньше 1%.

Энергии галактических космических лучей охватывают огромный диапазон - не менее 15 порядков (10 6 -10 21 эВ). Их поток для частиц с E>10 9 эВ быстро уменьшается с ростом энергии. Спектр энергий ядерной компоненты, исключая низкие энергии, подчиняется выражению

n(E) = n o E - , (15.5)

ãäå n o - константа, а 2.7 при E<10 15 ýÂ è 3.1-3.2 ïðè E>10 15 эВ. Энергетический спектр ядерной компоненты показан на рис.15.6.

Поток частиц сверхвысоких энергий крайне мал. Так на площадь 10 км 2 за год попадает в среднем не более одной частицы с энергией 10 20 эВ. Характер спектра для электронов с энергиями >10 9 эВ аналогичен приведенному на рис.15.6. Поток галактических космических лучей не менялся в течение по крайней мере 1 млрд лет.

Галактические космические лучи, очевидно, имеют нетепловое происхождение. Действительно, максимальные температуры (10 9 K) достигаются в центре звезд. При этом энергия теплового движения частиц 10 5 эВ. В то же время частицы галактических космических лучей, достигающих окрестности Земли, в основном имеют энергии >10 8 ýÂ.

Рис. 15.6. Энергетический спектр ядерной компоненты космических

лучей. Энергия дана в системе центра масс.

Есть веские основания полагать, что космические лучи генерируются, главным образом, вспышками сверхновых (другие источники космических лучей - пульсары, радиогалактики, квазары). В нашей Галактике взрывы сверхновых происходят в среднем не реже одного раза в 100 лет. Легко подсчитать, что для поддержания наблюдаемой плотности энергии космических лучей (1 эВ/см 3) достаточно им передавать всего несколько процентов мощности взрыва. Выбрасываемые при вспышках сверхновых протоны, более тяжелые ядра, электроны и позитроны далее ускоряются в специфических астрофизических процессах (о них будет сказано ниже), приобретая энергетические характеристики, присущие космическим лучам.

В составе космических лучей практически нет метагалактических лучей, т.е. попавших в нашу Галактику извне. Все наблюдаемые свойства космических лучей можно объяснить исходя из того, что они образуются, накапливаются и длительное время удерживаются в нашей Галактике, медленно вытекая в межгалактическое пространство. Если бы космические частицы двигались прямолинейно, они вышли бы за пределы Галактики через несколько тысяч лет после своего возникновения. Столь быстрая утечка привела бы к невосполнимым потерям и резкому снижению интенсивности космических лучей.

На самом деле наличие межзвездного магнитного поля с сильно запутанной конфигурацией силовых линий заставляет заряженные частицы двигаться по сложным траекториям (это движение напоминает диффузию молекул), увеличивая время пребывания этих частиц в Галактике в тысячи раз. Возраст основной массы частиц космических лучей оценивают в десятки миллионов лет. Космические частицы сверхвысоких энергий отклоняются галактическим магнитным полем слабо и сравни-тельно быстро покидают Галактику. Этим, возможно, объясняется излом в спектре космических лучей при энергии 310 15 ýÂ.

Остановимся очень кратко на проблеме ускорения космических лучей. Частицы космических лучей двигаются в разряженной и электрически нейтральной космической плазме. В ней нет значительных электростатических полей, способных ускорять заряженные частицы за счет разности потенциалов между различными точками траектории. Но в плазме могут возникать электрические поля индукционного и импульсного типа. Так индукционное (вихревое) электрическое поле появляется, как известно, при увеличении напряженности магнитного поля со временем (так называемый, бетатронный эффект). Ускорение частиц может быть также вызвано их взаимодействием с электрическим полем плазменных волн в областях с интенсивной турбулентностью плазмы. Существуют и другие механизмы ускорения, на которых мы не имеем возможности останавливаться в данном курсе. Более детальное рассмотрение показывает, что предложенные механизмы ускорения способны обеспечить рост энергии заряженных частиц, выброшенных при взрывах сверхновых, с 10 5 äî 10 21 ýÂ.

Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, - солнечные космические лучи – весьма важный компонент космического излучения, бомбардирующего Землю. Эти частицы ускоряются до высоких энергий в верхней части атмосферы Солнца во время солнечных вспышек. Солнечные вспышки подвержены определенным временным циклам. Самые мощные повторяются с периодом 11 лет, менее мощные – с периодом 27 дней. Мощные солнечные вспышки могут увеличить поток космических лучей, падающих на Землю со стороны Солнца, в 10 6 раз по сравнению с галактическим.

По сравнению с галактическими космическими лучами в солнечных космических лучах больше протонов (до 98-99% всех ядер) и соответственно меньше ядер гелия (1.5%). В них практически нет других ядер. Содержание ядер с Z2 в солнечных космических лучах отражает состав солнечной атмосферы. Энергии частиц солнечных космических лучей меняются в интервале 10 5 -10 11 эВ. Их энергетический спектр имеет вид степенной функции (15.5), где - уменьшается от 7 до 2 по мере уменьшения энергии.

Все приведенные выше характеристики космических лучей относятся к космическим частицам до входа в атмосферу Земли, т.е. к, так называемому, первичному космическому излучению . В результате взаимодействия с ядрами атмосферы (главным образом, кислородом и азотом) высокоэнергичные частицы первичных космических лучей (прежде всего протоны) создают большое число вторичных частиц – адронов (пионов, протонов, нейтронов, антинуклонов и т.д.), лептонов (мюонов, электронов, позитронов, нейтрино) и фотонов. Развивается сложный многоступенчатый каскадный процесс. Кинетическая энергия вторичных частиц расходуется в основном на ионизацию атмосферы.

Толщина земной атмосферы около 1000 г/см 2 . В то же время пробеги высокоэнергичных протонов в воздухе 70-80 г/см 2 , а ядер гелия – 20-30 г/см 2 . Таким образом, высокоэнергичный протон может испытать до 15 столкновений с ядрами атмосферы и вероятность дойти до уровня моря у первичного протона крайне мала. Первое столкновение происходит обычно на высоте 20 км.

Лептоны и фотоны появляются в результате слабых и электромагнитных распадов вторичных адронов (главным образом, пионов) и рождения -квантами e - e + -пар в кулоновском поле ядер:

ÿäðî + ÿäðî + e - +e + .

Таким образом, вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных, которые делят на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты. Лавинообразное нарастание числа частиц может привести к тому, что в максимуме каскада их число может достигать 10 6 -10 9 (при энергии первичного протона >10 14 эВ). Такой каскад покрывает большую площадь (много квадратных километров) и называется широким атмосферным ливнем (ðèñ.15.7).

После достижения максимальных размеров происходит затухание каскада в основном за счет потери энергии на ионизацию атмосферы. Поверхности Земли достигают в основном релятивистские мюоны. Сильнее поглощается электронно-фотонная компонента и практически полностью “вымирает” адронная составляющая каскада. В целом поток частиц космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей, составляя около 0.01 частицы/см 2 ñåê.

Космические лучи
Cosmic rays

Космические лучи (космическое излучение) - частицы, заполяющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Они были открыты в 1912 г. австрийским физиком В. Гессом с помощью ионизационной камеры на воздушном шаре. Максимальные энергии космических лучей ~3 . 10 20 эВ, т.е. на несколько порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителям на встречных пучках (максимальная эквивалентная энергия Теватрона ~2 . 10 15 эВ, LHC - около 10 17 эВ). Поэтому изучение космических лучей играет важную роль не только в физике космоса, но также и в физике элементарных частиц. Ряд элементарных частиц впервые был
обнаружен именно в космических лучах (позитрон - К.Д. Андерсон , 1932 г.; мюон (μ) – К.Д. Андерсон и С. Неддермейер , 1937 г.; пион (π) - С. Ф. Пауэлл , 1947 г.). Хотя в состав космических лучей входят не только заряженные, но и нейтральные частицы (особенно много фотонов и нейтрино), космическими лучами обычно называют заряженные частицы.
Различают следующие типы космических лучей (рис. 1):

1. Галактические космические лучи – космические частицы, приходящие на Землю из нашей галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем.
2. Солнечные космические лучи – космические частицы, генерируемые Солнцем.

Кроме этих двух основных типов космических лучей рассматривают также метагалактические космические лучи - космические частицы, возникшие вне нашей галактики. Их вклад в общий поток космических лучей невелик.
Космические лучи, не искаженные взаимодействием с атмосферой Земли, называют первичными . Поток галактических космических лучей, бомбардирующих Землю, примерно изотропен и постоянен во времени и составляет ~1 частица/см 2. с (до входа в земную атмосферу). Плотность энергии галактических космических лучей ~1 эВ/см 3 , что сравнимо с суммарной энергией электромагнитного излучения звёзд, теплового движения межзвёздного газа и галактического магнитного поля. Таким образом, космические лучи – важный компонент Галактики.
Состав космических лучей приведен в таблице.

На рис.2 слева показаны энергетические спектры главных компонент первичных космических лучей. На рис 2 справа показаны вертикальные потоки главных компонент космических лучей с энергией > 1 ГэВ в атмосфере Земли. Кроме протонов и электронов все частицы возникли в результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атмосферы.

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.
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 γ-кванты в результате распадов.

π 0 → 2γ ,
π + (или K +) → μ + + ν μ ,
π - (или K –) → μ – + μ ,
K +,–,0 → 2π,
μ + → e + + ν e + μ ,
μ – → e – + e + ν μ .

Образующиеся при распаде нейтральных пионов -кванты рождают электрон-позитронные пары и -кванты последующих поколений. 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 > 10 14 эВ может создать 10 6 -10 9 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 (~0.01 см -2 ·с -1) примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей.
Основными источниками первичных космических лучей являются взрывы сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце. Большие энергии
(до 10 16 эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением частиц на ударных волнах, образующихся при взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации.

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.

1. Космические лучи (КЛ) - это поток наряженных частиц высокой энергии приходящих к поверхности Земли приблизительно изотропно со всех направлений космического пространства. Различают первичные и вторичные Космические лучи.

Первичные КЛ приходят на Землю из косу0са Они включают в себя галактические КЛ, приходящие из галактического пространства, и солнечные КЛ, рождающиеся на Солнце во время вспышек.

Вторичные КЛ рождаются в земной атмосфере. Они образуются при взаимодействии первичных КЛ с атомами вещества атмосферы.

Открытие КЛ связат!0 с изучением электропроводности воздуха. В начале XX в. было надежно установлено, что ^У0" B0W, содержащийся даже в герметичном сосуде, всегда ионизирован После открытия естественной радиоактивности стало ясно, что источник иони­зации находится вне сосуда, содержащего воздух, и представляет собой радиоактивное излу­чение горных пород Значит с увеличением высоты ионизация воздуха должна уменьшатся.

В 1912 г австриец Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре, имея электроскоп в герметично закрытом сосуд, давление воздуха в котором оставалось постоянным. Он обна­ружил что при подъеме на первые 600 м ионизация воздуха убывала. Но, начиная с 600 м, она стала возрастать чем выше тем быстрее. На высоте 4800 м концентрация ионов стала в 4 раза больше чем на уровне моря. Поэтому Гесс предположил, что на границу земной атмо­сферы из мирового пространства падает ионизирующее излучение очень большой проникаю­щей способности.

Позднее опыты приводились с шарами-зондами. Оказалось, что на высоте 8400 м ионизация в 10 раз больше чем на уровне моря.На высоте 20 км она достигает максимума, а с дальнейшим подъемом начинает уменьшаться. Это объясняется тем, что на высоте 20 км в результате взаимодействия (атмосферой первичных КЛ создается наибольшая концентрация вторичных ионизирующих частистиц.

2. Первичные космические лучи (ПКЛ) . Рассмотрим энергетический спектр, со­став, пробег и механизм ускорения частиц в ПКЛ

а . Энергия ПКЛ очень великa. У большинства частиц она превышает 10 ГэВ. Поэтому основная задана при детектировании частиц ПКЛ состоит в том, чтобы частицы затормози­лись в пределах детектора. Только в этом случае можно измерить их полную энергию.

Впервые энергетический спектр ПКЛ удалось непосредственно измерить на спутниках серии «Протон» в 1965-69 гг. Позднее эти измерения по­вторялись на спутниках Луны и Марса за пределами магнитного поля Земли. Энергия частиц ПКЛ изме­рялась с помощью ионизационного калориметра. Прибор представляет собой систему из слоев ядер­ных мишеней, фотопластинок и счетчиков. Взаимодействуя с ядрами мишени (тяжелый металл), космическая частица генерирует поток жест­ких γ -квантов. В слоях свинца эти γ - кванты поро­ждают мощные лавины ионизирующих частиц, ко­торые регистрируются в фотоэмульсиях и счетчиках. Если толщина слоев калориметра велика и все частицы лавины ос­таются в нем, то по их числу можно определить энергию пер­вичной космической частицы. Ионизационные калориметры имеют объем до нескольких куб. метров и массу до 20 тонн.

На рис.166 показана зависимость интенсивности I пото­ка частиц ПКЛ от их энергии Е в билогарифмическом масшта­бе. Интенсивность I выражена числом частиц, приходящихся на 1 м 2 земной поверхности из телесного угла 1 ср в 1 с. Энергия E указана в гигаэлектронвольтах (1 ГэВ = 109В).

В интервале энергий Е от 10 до 10 6 ГэВ энергетический спектр описывается эмпирической формулой I = АЕ - γ , еде А = 10 18 часгиц/м 2 ср-с, γ=1,6.

Суммарный поток ПКЛ равен примерно 104 частнц/м 2 ср с. Максимальная энергия ПКЛ доходит до 10 11 ГэВ Это значит что ПКЛ является уникальным источником сверхвы­соких энергий так как максимальная энергия, полученная на ускорителях, не превышает 10 5 ГэВ. Но частиц с энергией E> 10 6 ГэВ очень мало. На площадь 1 м 2 приходится в сред­нем одна такая частица в год.

Энергия ПКЛ имеет нетепловое происхождение. Так, внутри звезд средняя энергия частиц равна Еср = 3kT/2 = 3*1,4*10 -23 *10 9 /2 = 2,1*10 -14 Дж=0,1 МэВ. А средняя энергия час­тиц ПКЛ около Земли составляет 100 МэВ, то есть в 1000 раз больше. Значит, космические частицы разгоняются в каких-то астрофизических процессах электромагнитной природы.

б . Состав ПКЛ. Первичное космическое излучение в месте нахождения Солнечной системы изотропно по направлению и постоянно по времени. По составу ПКЛ подразделяет­ся на следующие группы.

р- группа. Содержит ядра водорода -протоны 1 1 р, дейтроны 2 1 D, тритоны 3 1 Т

α-группа. Содержит ядра гелия 4 2 Не, 3 2 Не.

L - группа (от англ. light - легкий). Содержит легкие ядра лития, бериллия и бора.

М-группа (mesolight - средне легкий). Содержит ядра от углерода С до фтора F.

H - группа (heavy - тяжелый). Содержит тяжелые ядра от неона Ne до калия К.

VH - группа (very heavy - очень тяжелый). Содержит ядра от кальция Са (Z=20) до цинка Zn (z=30).

SH группа (superheavy - сверхтяжелый). Содержит- ядра, начиная с галлия Са

Е - группа. Содержит электроны е и позитроны е + .

В отличие от содержания элементов в среднем во Вселенной в ПКЛ наблюдается повышенное содержание средних и тяжелых ядер: группы средних ядер L - в 150 000 раз, группы Н- 2,5 раза, группы VH - в 60 раз, группы SH-н 14 раз.

Особенно выделяется содержание ядер в группе L. Можно предположить, что ядра группы L возникают в ПКЛ как результат столкновения ядер с z> 6 с частицами межзвезд­ного газа, состоящего в основном из водорода и гелия. В результате реакции фрагментации тяжелые ядра дробятся и получаются ядра группы L. Если принять эту гипотезу, то можно оценить средний путь, проходимый космической частицей от места ее рождения до Земли.

в . Средний пробег частиц в ПКЛ. Пусть космический газ из ядер водорода равно­мерно заполняет космическое пространство. Из источника, генерирующею тяжелые части­цы, масса которых больше массы ядер группы вдоль оси OA1 распространяется параллель­ный пучок частиц. При столкновении тяжелых частиц с ядрами водорода образуются легкие ядра группы I., движущиеся в том же направлении.

В результате дробления тяжелых частиц интенсивность I т пучка тяжелых частиц

должна убывать с расстоянием по закону Бугера, I т = I т0 ехр(-σNx), (25.2) где I то - начальная интенсивность пучка тяжелых частиц, N - концентрация ядер во­дорода в космическом газе. σ – эффективное сечение ядерной реакции фрагментации с образованием ядер группы L.Пусть в каждом столкновении при исчезновении тяжелой частицы появляется только одна легкая частица группы L. Интенсивность потока частиц I будет нарастать с расстояни­ем по закону I e , = I 0 - I т = I т . (25.3) Отношение интенсивности легких и тяжелых частиц в ПКЛ должно увеличиваться с расстоянием I л /I т = /еxp(-σNx)= еxp(-σNx)-1

Обозначив отношение I л /I т = n, получаем: х = 1п(n + l)/σN. (25.5). Отношение n= I л /I т = 15/(52+15+4)=1/5=0,2. Из астрофизических оценок концентрация пылинок - ядер водорода в космосе при­мерно равна 1 частице в 1 см 3 , так что n = 10 6 м -3 . Эффективное сечение реакций фрагмента­ции, наблюдавшихся в земных условиях, позволяет принять значения σ= 10 -30 м 2 . Отсюда x = ln(1,2)/10 -30 *10 6 =2*10 23 м.

Космические расстояния в астрофизике выражаются обычно в парсеках. По опреде­лению, один парсек - это расстояние, с которого диаметр земной орбиты (150 млн.км) ви­ден под углом 1 секунда. Парсек - это очень большое расстояние, 1 пс = 3*10 16 м. Выражен­ный в парсеках, пробег частиц ПКЛ до Земли составляет х =7000 кпс.

Астрофизическими исследованиями установлено, что наша галактика имеет форму двояковыпуклой линзы диаметром 25 кпс и толщиной до 2 кпс, окруженной космическим газовым Гало в форме шара.Сравнение полученного в оценках значения х с размером Галактики показывает, что х =7000 кпс во много раз

больше не только диаметра Галактики (25 кпс), но и диаметра Гало (30 кпс). Отсюда следует, что ПКЛ рождаются за пределами нашей Галактики.

По-видимому, такой вывод не верен. Во-первых, предпола­галось, что в каждой реакции фрагментации рождается лишь одна частица группы L. На самом деле рождаться их может больше. По­этому нарастание потока частиц группы L может происходить бы­стрее и на меньшем расстоянии х. Во-вторых, предполагалось, что во всех столкновениях направление движения частиц не меняется. Но это не так. Характер движения частиц ПКЛ больше приближается к движению броуновских частиц. Их траекто­рия есть ломаная линия. Поэтому частицы ПКЛ могут проходить гораздо большие пути внутри Галактики по сравнению с ее размерами.

Более строгие оценки приводят к выводу, что внутри Галактики рождается не менее 90 % частиц ПКЛ (галактические лучи). И лишь около 10 % частиц ПКЛ приходит из-за пределов Галактики (метагалактические лучи). Из-за диффузного характера движения космиче­ских частиц стирается информация о положении источников заряженных частиц. Поэтому космическое излучение за исключением квантов ЭМ-поля изотропно.

г . Механизм ускорения частиц ПКЛ . Наиболее вероятна гипотеза Ферми. Он предположил, что при взрывах сверхновых звезд образуются протяженные намагниченные обла­ка плазмы, разбегающиеся от эпицентра взрыва с громадными скоростями. Заряженные час­тицы при встречных столкновениях с такими облаками отражаются от них. В соответствии с законом сохранения импульса, абсолютная радиальная составляющая скорости частицы увеличивается при этом на удвоенную скорость движения облака, υ 2 R = - υ 1 R + 2υ 0 . Если частица догоняет обла­ко, то ее скорость уменьшается. Но такими частицами могут быть лишь те, что родились внутри звезды. А для тех частиц, что находятся снаружи звезды, реализуются встречные движения. Поэтому кинетическая энергия космических частиц со временем растет.

3. Происхождение ПKJI . Можно выделить 4 основных источника ПКЛ: новые звезды,

сверхновые, пульсары, квазары.

а. Новые звезды (НЗ) - это тесные двойные звездные системы с суммарной массой 1-5 масс Солнца, вращающиеся око­ло общего центра масс. До вспыш­ки они имеют визуальную звездную величи­ну 4-5 единиц.

Во время вспышки в течение 1-100 земных суток их светимость увеличивается в 100-1000000 раз. После чего в течение не­скольких лет ослабевает до первоначальной величины. За время вспышки НЗ излучает около 10 38 Дж энергии. Через несколько лет после вспышки на месте НЗ обнаруживается сферическая газовая оболочка с радиальной скоростью расширения = 1000 км/с. Масса обо­лочки около 0,01 массы Солнца, ее кинетическая энергия около 10 39 Дж.

Причина вспышки НЗ в том, что в двойной системе происходит аккреция - перетека­ние вещества с холодного красного карлика на горячий белый карлик. В результате в горячей звезде нарушается равновесие между гравитационными силами, с одной стороны, и силами оптического и газокинетнческого давления, с другой. Это приводит к взрыву горячей звезды.

Вспышки НЗ - частое явление. В год в нашей Галактике вспыхивает 100-200 НЗ. Они не носяг катастрофического характера и повторяются у некоторых звезд через месяцы и го­ды. Некоторая доля частиц ПКЛ может происходить из оболочек НЗ.

б. Сверхновые звезды (СНЗ) . Так называются звезды, светимость которых во время вспышки становится соизмеримой со светимостью галактики, к которой она принадлежит. Так, СНЗ 1885 г, в туманности Андромеды имела светимость всей галактики. Количество энергии, излучаемой во время вспышки СНЗ, порядка 10 44 Дж. Оно в миллион раз больше энергии вспышки НЗ. В пашей Галактике одна СНЗ вспыхивает в среднем раз за 300 лет. По­следнюю СНЗ наблюдал Кеплер в 1604 г. (СНЗ Кеплера).

Максимальная светимость СНЗ 1-3 недели. Сбрасываемая звездой оболочка имеет массу до Ю.масс Солнца и скорость до 20 000 км/с. Из этих оболочек также берут свое нача­ло многие частицы ПКЛ. После взрыва СНЗ на их месте обнаруживаются туманности и пульсары. На сегодня найдено около 90 остатков СНЗ. Можно предположить, что в основе механизма образования СНЗ лежит закономерность: чем больше масса атомных ядер, тем при более высокой температуре идет реакция их термоядерного синтеза.

При возникновении протозвезды из газопылевой туманности все пространство туман­ности заполнено водородом. Из-за гравитационного сжатия облака температура постепенно повышается. При достижении температуры Т=10 7 К начинается вялотекущая реакция син­теза протонов в дейтроны. Запускается протон-протонный цикл.

Протозвезда разогревается до свечения и превращается в звезду. Гравитационные си­лы уравновешиваются силами светового газокинетического давления. Сжатие приостанавли­вается. На период горения водорода устанавливается относительное равновесие.

После того, как основная масса водорода превратится в гелий, звезда начинает осты­вать, световое давление быстро уменьшается. Реакция синтеза гелия не запускается, по­скольку температура Т 1 не достаточна для синтеза ядер гелия. В процессе гравитационного сжатия звезды ее температура постепенно растет. Силы гравитации увеличиваются прямо

пропорционально l/r 2 , потому при достижении температуры Т 1 равновесие не наступает, поскольку температуре Т 1 соответствует в этом случае уже меньший объем звезды. Сжатие и рост температуры продолжаются, и при некоторой температуре Т 2 =10 8 K запускается реак­ция синтеза ядер гелия: 3 4 2 He-> 12 6 С + 7,22Мэв (τ = 10 лет), и далее: (25.6)

4 2 Нe + 12 8 С-> 16 8 О + γ, 4 2 He + 16 8 O-> 20 10 Ne+ γ, 4 2 He+ 20 10 Ne -> 24 12 Mg. (25.7)

После выгорания гелия образуется плотное ядро звезды, содержание ядра углерода С-12, кислорода 0-16, неона Ne-20, Maгния Mg-24. Далее ход эволюции звезды может проте­кать подобным же образом. При некоторой температуре Т 3 > Т 2 возбуждается реакция синте­за ядер углерода-магния. Этот цикл должен завершится образованием ядер кремния Si-26 и фосфора Р-31.

И, наконец, при температуре Т 4 > Т 3 может возбудиться последний этап экзотермиче­ской реакции синтеза ядер кремния и фосфора, который должен завершится образованием ядер 56 26 Fe, 59 27 Со, 57 28 Ni.

Это идеализированная схема. На самом деле эти процессы могут перекрываться. В центре звезды могут идти реакции синтеза более тяжелых ядер при более высокой темпера­туре, а на периферии - реакции синтеза менее тяжелых ядер при меньших температурах. И в большинстве случаев эволюция звезды проходит спокойно. Но иногда возникает такое соче­тание массы, состава, размеров и других параметров звезды, что равновесие нарушается. Под действием гравитации вещество звезды стремительно надает к центру, возникает коллапс звезды. Высокие плотность, температура и давление в ядре звезды могут привести в некото­рых случаях к быстрому выделению огромных энергий. Например, в результате такой реак­ции: 16 8 O+ 16 8 O= 32 16 S+16,5 МэВ. (25.8)

Звезда взрывается, рождая сверхновую. Если учесть энергию взрыва СНЗ Е= 10 44 Дж и частоту их повторений, то получается, что для поддержания средней плотности энергии ПКЛ достаточно 1 % взрыва СНЗ.

в . Пульсары (пульсирующие источники радиоизлучения) - это небольшие, до 20 км в диаметре нейтронные звезды, возникшие в результате быстрого гравитационного сжатия остатков сверхновых звезд. Плотность нейтронных звезд достигает 1012 кг/м 3 , что близко к плотности вещества атомных ядер.

В результате сжатия остатков звезды индукция маг­нитного ноля на поверхности достигает огромных величин порядка 10 9 Тл. Для сравнения: максимальная индукция маг­нитного поля, полученная в физическом эксперименте (в им­пульсных соленоидах) не превышает 10 2 Тл. Из-за малых размеров скорость вращения нейтронных звезд может дости­гать 1000 Гц. Такая быстро вращающаяся магнитная звезда индуцирует вокруг себя вихревое электрическое поле. Это поле ускоряет частицы окружающей пульсар плазмы до высоких энергий. Ядра укоряются до 10 20 эВ, электроны - до 10 12 эВ. Уйдя от пульсара, эти быстрые частицы пополняют состав ПКЛ.

Влетающие из космоса в магнитное поле пульсара заряженные частицы закручивают­ся вокруг силовых линий, испуская синхротронное излучение в радиодиапазоне. Особенно сильно это излучение в направлении магнитных полюсов. Поскольку ось вращения пульсара не совпадает с магнитной осью, то пучок радиоизлучения описывает конус. Если в стенке этого конуса оказывается Земля, то на ней периодически регистрируется сигнал в то момент, когда полярный пучок радиоизлучения пересекает Землю.

Из-за потери энергии период пульсаров увеличивается. Поэтому чем моложе пульсар, Тем выше частота его вращения. В настоящее время известно несколько сот пульсаров, их периоды от 0,033 с до 4,8 с.

г. Квазары (сокращенно от англ. quasi-stellar radio source) - квазизвезды, подобные звездам. Они похожи на звезды по оптическому виду и схожи с туманностями по характеру спектров. В спектрах квазаров наблюдается огромное красное смещение, в 2-6 раз превы­шающее наибольшее из известных в Галактике. В видимом диапазоне, например, наблюда­ется головная УФ-линия серии Лаймана (Д= 121,6 нм в системе отсчета излучающего газа).

Определив по формуле доплеровского смещения частоты ν=ν 0 √((1±β)/(1-+β)), где β=υ/с, радиальную скорость υ квазара относительно Земли, и воспользовавшись эмпирическим законом Хаббла υ = Нr, где H=1,3-10 -18 c -1 - постоянная Хаббла, можно вычислить расстояние до квазара г. Расстояния до квазара оказались гигант­скими. Их порядок г~10 10 пс. Это в миллион раз больше размеров нашей Галактики. Блеск квазаров меняется с периодом Т около 1 часа. Так как поперечник квазара не может превышать с*Т, где с - скорость света в вакууме, то получается, что размер квазаров невелик, не более диаметра орбиты Урана (4*10 12 м). С учетом большой удаленности кваза­ров выходит, что они должны излучать гигантскую мощность порядка 10 45 Вт, сравнимую с Галактиками, в относительно малом объеме пространства. Такие сверхмощные объекты должны выбрасывать в космос потоки частиц высокой энергии. Энергетический механизм квазаров неясен. При столь огромном расходе энергии активная стадия квазаров должна ограничиваться 10 тыс.лет. К настоящему времени среди оптических объектов около 200 считаются квазарами.

4. Солнечные космические лучи. Солнце - ближайшая к Земле звезда. Эта звезда находится в стационарном состоянии и поэтому не является сколько-нибудь заметным ис­точником ПКЛ в масштабах Галактики. Но поскольку Земля находится очень близко к Солн­цу, она оказывается в зоне досягаемости истекающей из Солнца плазмы - солнечного ветра. Состоит солнечный ветер из протонов и электронов. Он зарождается в восходящих газоди­намических потоках - факелах в слое фотосферы и развивается в хромосфере.

Энергия частиц солнечного ветра но сравнению с галактическими лучами очень мала: у электронов Е≈10 4 эВ, у протонов не более 10 11 Н эВ. Во время активизации взрывных про­цессов на поверхности Солнца (период солнечной активности) концентрация частиц в сол­нечном ветре на земной орбите в сотни раз превышает концентрацию частиц в галактических лучах. Поэтому влияние солнечного ветра на земные процессы в период солнечной активно­сти существенно заметнее по сравнению с галактическими лучами. В это время нарушается радиосвязь, возникают геомагнитные бури и полярные сияния. Но в среднем вклад солнеч­ных космических лучей на Землю невелик. Он составляет по интенсивности 1-3 %.

5. Вторичные космические лучи - это поток частиц, рождающихся при взаимодей­ствии ПКЛ с веществом земной атмосферы. Часто прохождение частицы в веществе характеризуют средним пробегом ее l до взаимодействия с ядром среды. Нередко средний пробег выражают массой вещества в стол­бе площадью 1 см 2 и высотой l. Так, вся толщина земной атмосферы составляет 1000 г/см 2 . У протонов пробег l соответствует 70-80 г/см 2 , у α-частиц - 25 г/см 2 , у более тяжелых ядер эта величина еще меньше. Вероятность достижения протоном земной поверхности находится из закона Бугера. I/I 0 =ехр(-x/l)=ехр(-1000/70)≈10 -7 . Из 10 млн. первичных протонов до Зем­ли дойдет лишь один. У α -частиц и ядер это число еще меньше. Во вторичных космических лучах выделяют 3 компоненты: ядерно-активную (адронную), жесткую (мюонную) и мягкую (электронно-фотонную).

а. Ядерно-активная компонента содержит протоны и нейтроны, возникающие при взаимодействии протонов и других частиц ПКЛ высокой энергии Е 0 >1 ГэВ с ядрами ато­мов земной атмосферы, в основном, азота N и кислорода О. При ударе частицы о ядро при­мерно половина ее энергии тратиться на выбивание из ядра нескольких нуклонов с энергия­ми Е≈0,2 ГэВ, на возбуждение конечного ядра и на множественное рождение релятивиских частиц. В основном это пионы π + , π 0 , π - . Их число в расчете на первичный протон с энер­гией E 0 ≈0,2 ГэВ может доходить до 10. Возбужденное ядро, распадаясь, испускает еще несколько нуклонов или α-частиц. Рождающиеся нуклоны и первичная частица, взаимодействуя с ядрами атмосферы, приводят к развитию ядерного каскада. Появляющиеся в каждом акте столкновения протоны и другие малоэнергичные зараженные частицы в результате ионизационных потерь быстро замедля­ются и поглощаются. Нейтроны же участвуют в дальнейшем размножении ядерно-активных частиц вплоть до самых низких энергий.

б. Жесткая (мюонная) компонента рождается в ядерном каскаде из заряженных пионов с энергией Е≤100 ГэВ, распадающихся по схеме: π ± →μ ± + ν μ (ṽ μ), где μ ± - заряженные мюоны. Их масса покоя 207m e , а среднее время жизни в собственной системе отсчета τ 0 =2*10 6 с; ν м (ṽ м) - мюонное нейтрино (антинейтрино). Мюоны, в свою очередь, распадаются по схеме: μ - →e - *ṽ, μ + →e + *ν. Так как скорости мюонов близки к скорости света, то в соответствии с теорией отно­сительности среднее время их жизни в системе отсчета, связанной с Землей, оказывается достаточно большим. В результате мюоны успевают пройти всю атмосферу и даже около 20 м грунта. Это обусловлено еще и тем, что мюоны и тем более нейтрино слабо взаимодей­ствуют с веществом. Потому-то поток мюонов и нейтрино и называют жесткой или прони­кающей компонентой вторичных космических лучей.

е. Мягкая (электронно-фотонная) компонента. Ее основной источник - нейтраль­ные пионы π 0 , образующиеся в ядерном столкновении. По сравнению с заряженными пиона­ми π + и π - , время жизни которых 2*10 -6 с, нейтральные пионы распадаются быстрее, их сред­нее время жизни τ=1,8*10 -16 с. От места своего рождения π 0 -пион успевает уйти на ничтож­ное расстояние x≈c*τ= 3*10 8 *1,8*10 -16 = 5*10 -8 м и распадается на два γ-кванта высокой энер­гии: π0 → γ + γ. Эти энергичные γ-кванты в поле ядер распадаются на электрон-позитронные пары, γ→ e - + e + .Каждый из образующихся электронов обладает большой скоростью и при столкнове­нии с ядрами испускает тормозные γ-кванты, e - → e - + γ.. И так далее. Возникает лавино­образный процесс.

Нарастание числа электронов, позитронов и γ-квантов будет происходить до тех пор, пока энергия частиц не уменьшиться до величины 72 МэВ. После этого преобладающие по­тери энергии приходятся па ионизацию атомов у частиц и на комптоиовское рассеяние у γ-квантов. Рост числа частиц в ливне прекращается, а его отдельные частицы поглощаются. Максимальное развитие мягкой компоненты происходит на высоте около 15 км.

При очень больших энергиях первичных частиц E 0 >. 10 5 ГэВ электронно-фотонные каскадные лавины в земной атмосфере приобретают специфические черты широких атмо­сферных ливней. Развитие такого ливня начинается на высоте 20-25 км. Общее число частиц может достигать 10 8 -10 9 . Гак как одна частица в ливне приходится примерно па энергию 1 ГэВ, то из числа частиц в ливне можно оценить энергию первичной частицы.

Существование таких каскадных ливней открыл в 1938 г. француз Пьер Oже. Поэто­му их называют часто ливнями Оже.