Что представляют собой космические лучи. Космические лучи: состав и происхождение. Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве

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

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.

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Косми́ческие лучи́ - элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве .

Основные сведения

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

Физика космических лучей изучает:

• процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;
• частицы космических лучей, их природу и свойства;
• явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, 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 и галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц, проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.

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

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

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

По количеству частиц космические лучи на 92% состоят из протонов, на 6% - из ядер гелия, около 1% составляют более тяжелые элементы, и около 1% приходится на электроны . При изучении источников космических лучей вне 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: $p\; (Z=1),\; \backslash alpha\; (Z=2),\; L\; (Z=3-5),\; M\; (Z=6-9),\; H\; (Z\; \backslash geqslant\; 10),\; VH\; (Z\; \backslash geqslant\; 20)$ (соответственно, протоны, альфа-частицы, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые). Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий , бериллий , бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа . Данное явление объясняется тем, что механизм генерации космических частиц в первую очередь ускоряет тяжелые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра . Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии .

История физики космических лучей

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

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

Солнечные космические лучи

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

Космические лучи ультравысоких энергий

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

Регистрация космических лучей

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

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

Значение для космических полётов

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

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.

См. также

• Обсерватория Пьер Оже (англ. )

Напишите отзыв о статье "Космические лучи"

Примечания

1. // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров . - М .: Большая Российская энциклопедия , 1990. - Т. 2. Добротность - Магнитооптика. - С. 471-474. - 703 с. - ISBN 5852700614 .
3. Гинзбург В.Л. , Сыроватский С.И. Современное состояние вопроса о происхождении космических лучей // УФН . - 1960. - № 7.- С. 411-469. - ISSN 1996-6652. - URL: ufn.ru/ru/articles/1960/7/b/
4. , с. 18.
5. В. Л. Гинзбург Космические лучи: 75 лет исследований и перспективы на будущее // Земля и Вселенная . - М .: Наука , 1988. - № 3 . - С. 3-9 .
7. , с. 236.

Литература

• С. В. Мурзин. Введение в физику космических лучей. М.: Атомиздат , 1979.
• Модель космического пространства - М.: Изд-во МГУ , в 3-х томах.
• А. Д. Филоненко (рус.) // УФН . - 2012. - Т. 182 . - С. 793-827 .
• Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. - М .: Наука, 1975. - 464 с.
• ред. Ширков Д.В. Физика микромира. - М .: Советская энциклопедия, 1980. - 528 с.

Ссылки

Составляющие Туманности Области звездообразования Околозвёздные образования Излучение

Отрывок, характеризующий Космические лучи

В это время Петя, на которого никто не обращал внимания, подошел к отцу и, весь красный, ломающимся, то грубым, то тонким голосом, сказал:
– Ну теперь, папенька, я решительно скажу – и маменька тоже, как хотите, – я решительно скажу, что вы пустите меня в военную службу, потому что я не могу… вот и всё…
Графиня с ужасом подняла глаза к небу, всплеснула руками и сердито обратилась к мужу.
– Вот и договорился! – сказала она.
Но граф в ту же минуту оправился от волнения.
– Ну, ну, – сказал он. – Вот воин еще! Глупости то оставь: учиться надо.
– Это не глупости, папенька. Оболенский Федя моложе меня и тоже идет, а главное, все равно я не могу ничему учиться теперь, когда… – Петя остановился, покраснел до поту и проговорил таки: – когда отечество в опасности.
– Полно, полно, глупости…
– Да ведь вы сами сказали, что всем пожертвуем.
– Петя, я тебе говорю, замолчи, – крикнул граф, оглядываясь на жену, которая, побледнев, смотрела остановившимися глазами на меньшого сына.
– А я вам говорю. Вот и Петр Кириллович скажет…
– Я тебе говорю – вздор, еще молоко не обсохло, а в военную службу хочет! Ну, ну, я тебе говорю, – и граф, взяв с собой бумаги, вероятно, чтобы еще раз прочесть в кабинете перед отдыхом, пошел из комнаты.
– Петр Кириллович, что ж, пойдем покурить…
Пьер находился в смущении и нерешительности. Непривычно блестящие и оживленные глаза Наташи беспрестанно, больше чем ласково обращавшиеся на него, привели его в это состояние.
– Нет, я, кажется, домой поеду…
– Как домой, да вы вечер у нас хотели… И то редко стали бывать. А эта моя… – сказал добродушно граф, указывая на Наташу, – только при вас и весела…
– Да, я забыл… Мне непременно надо домой… Дела… – поспешно сказал Пьер.
– Ну так до свидания, – сказал граф, совсем уходя из комнаты.
– Отчего вы уезжаете? Отчего вы расстроены? Отчего?.. – спросила Пьера Наташа, вызывающе глядя ему в глаза.
«Оттого, что я тебя люблю! – хотел он сказать, но он не сказал этого, до слез покраснел и опустил глаза.
– Оттого, что мне лучше реже бывать у вас… Оттого… нет, просто у меня дела.
– Отчего? нет, скажите, – решительно начала было Наташа и вдруг замолчала. Они оба испуганно и смущенно смотрели друг на друга. Он попытался усмехнуться, но не мог: улыбка его выразила страдание, и он молча поцеловал ее руку и вышел.
Пьер решил сам с собою не бывать больше у Ростовых.

Петя, после полученного им решительного отказа, ушел в свою комнату и там, запершись от всех, горько плакал. Все сделали, как будто ничего не заметили, когда он к чаю пришел молчаливый и мрачный, с заплаканными глазами.
На другой день приехал государь. Несколько человек дворовых Ростовых отпросились пойти поглядеть царя. В это утро Петя долго одевался, причесывался и устроивал воротнички так, как у больших. Он хмурился перед зеркалом, делал жесты, пожимал плечами и, наконец, никому не сказавши, надел фуражку и вышел из дома с заднего крыльца, стараясь не быть замеченным. Петя решился идти прямо к тому месту, где был государь, и прямо объяснить какому нибудь камергеру (Пете казалось, что государя всегда окружают камергеры), что он, граф Ростов, несмотря на свою молодость, желает служить отечеству, что молодость не может быть препятствием для преданности и что он готов… Петя, в то время как он собирался, приготовил много прекрасных слов, которые он скажет камергеру.
Петя рассчитывал на успех своего представления государю именно потому, что он ребенок (Петя думал даже, как все удивятся его молодости), а вместе с тем в устройстве своих воротничков, в прическе и в степенной медлительной походке он хотел представить из себя старого человека. Но чем дальше он шел, чем больше он развлекался все прибывающим и прибывающим у Кремля народом, тем больше он забывал соблюдение степенности и медлительности, свойственных взрослым людям. Подходя к Кремлю, он уже стал заботиться о том, чтобы его не затолкали, и решительно, с угрожающим видом выставил по бокам локти. Но в Троицких воротах, несмотря на всю его решительность, люди, которые, вероятно, не знали, с какой патриотической целью он шел в Кремль, так прижали его к стене, что он должен был покориться и остановиться, пока в ворота с гудящим под сводами звуком проезжали экипажи. Около Пети стояла баба с лакеем, два купца и отставной солдат. Постояв несколько времени в воротах, Петя, не дождавшись того, чтобы все экипажи проехали, прежде других хотел тронуться дальше и начал решительно работать локтями; но баба, стоявшая против него, на которую он первую направил свои локти, сердито крикнула на него:
– Что, барчук, толкаешься, видишь – все стоят. Что ж лезть то!
– Так и все полезут, – сказал лакей и, тоже начав работать локтями, затискал Петю в вонючий угол ворот.
Петя отер руками пот, покрывавший его лицо, и поправил размочившиеся от пота воротнички, которые он так хорошо, как у больших, устроил дома.
Петя чувствовал, что он имеет непрезентабельный вид, и боялся, что ежели таким он представится камергерам, то его не допустят до государя. Но оправиться и перейти в другое место не было никакой возможности от тесноты. Один из проезжавших генералов был знакомый Ростовых. Петя хотел просить его помощи, но счел, что это было бы противно мужеству. Когда все экипажи проехали, толпа хлынула и вынесла и Петю на площадь, которая была вся занята народом. Не только по площади, но на откосах, на крышах, везде был народ. Только что Петя очутился на площади, он явственно услыхал наполнявшие весь Кремль звуки колоколов и радостного народного говора.
Одно время на площади было просторнее, но вдруг все головы открылись, все бросилось еще куда то вперед. Петю сдавили так, что он не мог дышать, и все закричало: «Ура! урра! ура!Петя поднимался на цыпочки, толкался, щипался, но ничего не мог видеть, кроме народа вокруг себя.
На всех лицах было одно общее выражение умиления и восторга. Одна купчиха, стоявшая подле Пети, рыдала, и слезы текли у нее из глаз.
– Отец, ангел, батюшка! – приговаривала она, отирая пальцем слезы.
– Ура! – кричали со всех сторон. С минуту толпа простояла на одном месте; но потом опять бросилась вперед.
Петя, сам себя не помня, стиснув зубы и зверски выкатив глаза, бросился вперед, работая локтями и крича «ура!», как будто он готов был и себя и всех убить в эту минуту, но с боков его лезли точно такие же зверские лица с такими же криками «ура!».
«Так вот что такое государь! – думал Петя. – Нет, нельзя мне самому подать ему прошение, это слишком смело!Несмотря на то, он все так же отчаянно пробивался вперед, и из за спин передних ему мелькнуло пустое пространство с устланным красным сукном ходом; но в это время толпа заколебалась назад (спереди полицейские отталкивали надвинувшихся слишком близко к шествию; государь проходил из дворца в Успенский собор), и Петя неожиданно получил в бок такой удар по ребрам и так был придавлен, что вдруг в глазах его все помутилось и он потерял сознание. Когда он пришел в себя, какое то духовное лицо, с пучком седевших волос назади, в потертой синей рясе, вероятно, дьячок, одной рукой держал его под мышку, другой охранял от напиравшей толпы.
– Барчонка задавили! – говорил дьячок. – Что ж так!.. легче… задавили, задавили!
Государь прошел в Успенский собор. Толпа опять разровнялась, и дьячок вывел Петю, бледного и не дышащего, к царь пушке. Несколько лиц пожалели Петю, и вдруг вся толпа обратилась к нему, и уже вокруг него произошла давка. Те, которые стояли ближе, услуживали ему, расстегивали его сюртучок, усаживали на возвышение пушки и укоряли кого то, – тех, кто раздавил его.
– Этак до смерти раздавить можно. Что же это! Душегубство делать! Вишь, сердечный, как скатерть белый стал, – говорили голоса.
Петя скоро опомнился, краска вернулась ему в лицо, боль прошла, и за эту временную неприятность он получил место на пушке, с которой он надеялся увидать долженствующего пройти назад государя. Петя уже не думал теперь о подаче прошения. Уже только ему бы увидать его – и то он бы считал себя счастливым!
Во время службы в Успенском соборе – соединенного молебствия по случаю приезда государя и благодарственной молитвы за заключение мира с турками – толпа пораспространилась; появились покрикивающие продавцы квасу, пряников, мака, до которого был особенно охотник Петя, и послышались обыкновенные разговоры. Одна купчиха показывала свою разорванную шаль и сообщала, как дорого она была куплена; другая говорила, что нынче все шелковые материи дороги стали. Дьячок, спаситель Пети, разговаривал с чиновником о том, кто и кто служит нынче с преосвященным. Дьячок несколько раз повторял слово соборне, которого не понимал Петя. Два молодые мещанина шутили с дворовыми девушками, грызущими орехи. Все эти разговоры, в особенности шуточки с девушками, для Пети в его возрасте имевшие особенную привлекательность, все эти разговоры теперь не занимали Петю; ou сидел на своем возвышении пушки, все так же волнуясь при мысли о государе и о своей любви к нему. Совпадение чувства боли и страха, когда его сдавили, с чувством восторга еще более усилило в нем сознание важности этой минуты.
Вдруг с набережной послышались пушечные выстрелы (это стреляли в ознаменование мира с турками), и толпа стремительно бросилась к набережной – смотреть, как стреляют. Петя тоже хотел бежать туда, но дьячок, взявший под свое покровительство барчонка, не пустил его. Еще продолжались выстрелы, когда из Успенского собора выбежали офицеры, генералы, камергеры, потом уже не так поспешно вышли еще другие, опять снялись шапки с голов, и те, которые убежали смотреть пушки, бежали назад. Наконец вышли еще четверо мужчин в мундирах и лентах из дверей собора. «Ура! Ура! – опять закричала толпа.
– Который? Который? – плачущим голосом спрашивал вокруг себя Петя, но никто не отвечал ему; все были слишком увлечены, и Петя, выбрав одного из этих четырех лиц, которого он из за слез, выступивших ему от радости на глаза, не мог ясно разглядеть, сосредоточил на него весь свой восторг, хотя это был не государь, закричал «ура!неистовым голосом и решил, что завтра же, чего бы это ему ни стоило, он будет военным.
Толпа побежала за государем, проводила его до дворца и стала расходиться. Было уже поздно, и Петя ничего не ел, и пот лил с него градом; но он не уходил домой и вместе с уменьшившейся, но еще довольно большой толпой стоял перед дворцом, во время обеда государя, глядя в окна дворца, ожидая еще чего то и завидуя одинаково и сановникам, подъезжавшим к крыльцу – к обеду государя, и камер лакеям, служившим за столом и мелькавшим в окнах.
За обедом государя Валуев сказал, оглянувшись в окно:
– Народ все еще надеется увидать ваше величество.
Обед уже кончился, государь встал и, доедая бисквит, вышел на балкон. Народ, с Петей в середине, бросился к балкону.
– Ангел, отец! Ура, батюшка!.. – кричали народ и Петя, и опять бабы и некоторые мужчины послабее, в том числе и Петя, заплакали от счастия. Довольно большой обломок бисквита, который держал в руке государь, отломившись, упал на перилы балкона, с перил на землю. Ближе всех стоявший кучер в поддевке бросился к этому кусочку бисквита и схватил его. Некоторые из толпы бросились к кучеру. Заметив это, государь велел подать себе тарелку бисквитов и стал кидать бисквиты с балкона. Глаза Пети налились кровью, опасность быть задавленным еще более возбуждала его, он бросился на бисквиты. Он не знал зачем, но нужно было взять один бисквит из рук царя, и нужно было не поддаться. Он бросился и сбил с ног старушку, ловившую бисквит. Но старушка не считала себя побежденною, хотя и лежала на земле (старушка ловила бисквиты и не попадала руками). Петя коленкой отбил ее руку, схватил бисквит и, как будто боясь опоздать, опять закричал «ура!», уже охриплым голосом.
Государь ушел, и после этого большая часть народа стала расходиться.
– Вот я говорил, что еще подождать – так и вышло, – с разных сторон радостно говорили в народе.
Как ни счастлив был Петя, но ему все таки грустно было идти домой и знать, что все наслаждение этого дня кончилось. Из Кремля Петя пошел не домой, а к своему товарищу Оболенскому, которому было пятнадцать лет и который тоже поступал в полк. Вернувшись домой, он решительно и твердо объявил, что ежели его не пустят, то он убежит. И на другой день, хотя и не совсем еще сдавшись, но граф Илья Андреич поехал узнавать, как бы пристроить Петю куда нибудь побезопаснее.

15 го числа утром, на третий день после этого, у Слободского дворца стояло бесчисленное количество экипажей.
Залы были полны. В первой были дворяне в мундирах, во второй купцы с медалями, в бородах и синих кафтанах. По зале Дворянского собрания шел гул и движение. У одного большого стола, под портретом государя, сидели на стульях с высокими спинками важнейшие вельможи; но большинство дворян ходило по зале.
Все дворяне, те самые, которых каждый день видал Пьер то в клубе, то в их домах, – все были в мундирах, кто в екатерининских, кто в павловских, кто в новых александровских, кто в общем дворянском, и этот общий характер мундира придавал что то странное и фантастическое этим старым и молодым, самым разнообразным и знакомым лицам. Особенно поразительны были старики, подслеповатые, беззубые, плешивые, оплывшие желтым жиром или сморщенные, худые. Они большей частью сидели на местах и молчали, и ежели ходили и говорили, то пристроивались к кому нибудь помоложе. Так же как на лицах толпы, которую на площади видел Петя, на всех этих лицах была поразительна черта противоположности: общего ожидания чего то торжественного и обыкновенного, вчерашнего – бостонной партии, Петрушки повара, здоровья Зинаиды Дмитриевны и т. п.
Пьер, с раннего утра стянутый в неловком, сделавшемся ему узким дворянском мундире, был в залах. Он был в волнении: необыкновенное собрание не только дворянства, но и купечества – сословий, etats generaux – вызвало в нем целый ряд давно оставленных, но глубоко врезавшихся в его душе мыслей о Contrat social [Общественный договор] и французской революции. Замеченные им в воззвании слова, что государь прибудет в столицу для совещания с своим народом, утверждали его в этом взгляде. И он, полагая, что в этом смысле приближается что то важное, то, чего он ждал давно, ходил, присматривался, прислушивался к говору, но нигде не находил выражения тех мыслей, которые занимали его.

Космическими лучами принято называть совокупность потоков атомных ядер высокой энергии, в основном протонов, падающих на Землю из мирового пространства, и образуемое ими в земной атмосфере вторичное излучение, в котором встречаются все известные в настоящее время элементарные частицы.

§ 54. ОТКРЫТИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Исследования космических лучей начались в первые годы нашего столетия в связи с изучением причины непрерывной утечки заряда электроскопов. Герметически закрытый электроскоп разряжался даже при самой совершенной изоляции.

В 1910-1925 гг. различными опытами на воздушных шарах и под землей было показано, что причиной этого является некоторое сильно проникающее излучение, которое зарождается где-то вне Земли и интенсивность которого падает по мере проникновения его в атмосферу. Оно и вызывает ионизацию воздуха в ионизационной камере и связанную с этим разрядку электроскопов. Милликен назвал этот поток излучения космическими лучами.

В дальнейших опытах было установлено изменение интенсивности космического излучения (плотности потока частиц) в зависимости от высоты наблюдения (рис. 105).

Рис. 105. Зависимость числа космических частиц от высоты в относительных единицах)

Интенсивность космических лучей сравнительно быстро растет примерно до высоты над уровнем моря, затем темп роста

замедляется и на высоте интенсивность достигает максимального значения. При подъеме на большие высоты наблюдается ее уменьшение, а начиная с высоты интенсивность космических лучей остается постоянной. В результате многочисленных экспериментов установлено, что космические лучи приходят на поверхность Земли со всех сторон равномерно и во Вселенной нет места, которое можно было бы назвать источником космических лучей.

При исследовании космических лучей было сделано много принципиально важных открытий. Так, в 1932 г. Андерсоном был открыт в космических лучах позитрон, предсказанный теорией Дирака. В 1937 г. Андерсоном и Нидермайером были открыты -мезоны и указан тип их распада. В 1947 г. Пауэллом были открыты -мезоны, которые согласно теории Юкава были необходимы для объяснения ядерных сил. В 1955 г. было установлено наличие в космических лучах К-мезонов, а также тяжелых нейтральных частиц с массой, превышающей массу протона - гиперонов. Исследования космических лучей привели к необходимости введения квантовой характеристики, названной странностью. Опыты с космическими лучами также поставили вопрос о возможности несохранения четности. В космических лучах впервые были обнаружены процессы множественной генерации частиц в одном акте столкновения.

Исследования последних лет позволили определить величину эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии с ядрами. Так как в составе космических лучей имеются частицы с энергией, достигающей то космические лучи являются единственным источником информации о взаимодействии частиц столь высокой энергии.

Использование при изучении космических лучей ракет и искусственных спутников привело к новым открытиям - обнаружению радиационных поясов Земли. Возможность исследовать первичные космическое излучение за пределами земной атмосферы и создало новые методы изучения галактического и межгалактического пространства. Таким образом, исследования космических лучей, перейдя из области геофизики в область ядерной физики и физики элементарных частиц, сейчас теснейшим образом объединяют изучение строения микромира с проблемами астрофизики.

В связи с созданием ускорителей на энергии в десятки центр тяжести ядерного направления в физике космических лучей переместился в область сверхвысоких энергий, где продолжаются исследования ядерных взаимодействий, структуры нуклонов и других элементарных частиц. Кроме этого возникло самостоятельное направление - изучение космических лучей в геофизическом и астрофизическом аспектах. Предметом исследований здесь являются: первичные космические лучи у Земли (химический состав, энергетический спектр, пространственное распределение); солнечные лучи (их генерация, движение к Земле и влияние на земную

ионосферу); влияние на космические лучи межпланетной и межзвездной среды и магнитных полей; радиационные пояса вблизи Земли и других планет; происхождение космических лучей. Важнейшим средством изучения этих проблем является детальное исследование наблюдаемых на Земле и вблизи от нее разнообразных вариаций в потоке космических лучей.

Борис Аркадьевич Хренов,
доктор физико-математических наук , Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова
«Наука и жизнь» №10, 2008

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? 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 счете, 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, позволили 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 X 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/см 3 - 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 × 10 4 B, где R в м, E - энергия частицы в эВ, В - индукция магнитного поля в гауссах. При умеренных энергиях частиц E

Приблизительно по прямой приходить от источника будут только частицы с энергией E > 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 (E

Представление о космических лучах как «местном» галактическом явлении оказалось верно лишь для частиц умеренных энергий E

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 E > 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 (E > 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 E , 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 E ф ~10 –3 эВ), оставшимися после Большого взрыва, стало ясно, что протоны и ядра с энергией больше E ~5·10 19 эВ, предела Грейзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК), должны взаимодействовать с фотонами и на пути более десятков миллионов световых лет терять бо льшую 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:
1) Добротин Н.А. Космические лучи . - М.: Изд. АН СССР, 1963.
2) Мурзин В.С. Введение в физику космических лучей . - М.: Изд. МГУ, 1988.
3) Панасюк М. И. Странники Вселенной, или Эхо Большого взрыва . - Фрязино: «Век2», 2005.
4) Росси Б. Космические лучи . - М.: Атомиздат, 1966.
5) Хренов Б.А. Релятивистские метеоры // Наука в России, 2001, № 4.
6) Хренов Б.А. и Панасюк М.И. Посланники космоса: дальнего или ближнего? // Природа, 2006, № 2.
7) Хренов Б.А. и Климов П.А. Ожидается открытие // Природа, 2008, № 4.