Космическими лучами называют. Что такое космические лучи

Космические лучи

поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные элементарные частицы.

К. л. - уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий, позволяющих изучать процессы превращения элементарных частиц и их структуру. Наряду с этим К. л. дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы большого масштаба, связанные с ускорением и распространением частиц космического излучения в межпланетной, межзвёздной, а возможно, и в межгалактической среде.

Большинство частиц первичного космического излучения имеет энергию больше 10 9 эв (1 Гэв ), а энергия отдельных частиц достигает 10 20 -10 21 эв (а может быть, и выше). До создания мощных ускорителей заряженных частиц (См. Ускорители заряженных частиц) К. л. были единственным источником частиц высоких энергий. В К. л. были впервые обнаружены многие неизвестные ранее элементарные частицы и получены первые данные об их распадах и взаимодействиях с атомными ядрами. Хотя современные ускорители (в особенности ускорители на встречных пучках) позволяют проводить тщательное изучение процессов взаимодействия частиц вплоть до энергий 10 11 -10 12 эв, К. л. по-прежнему являются единственным источником сведений о взаимодействиях частиц при ещё более высоких энергиях.

Подавляющая часть первичных К. л. приходит к Земле извне Солнечной системы - из окружающего её галактического пространства (Галактики), т. н. галактические К. л., и лишь небольшая их часть, преимущественно умеренных энергий (Гэв), связана с активностью Солнца, т. н. солнечные К. л. Однако в периоды высокой солнечной активности могут происходить кратковременные сильные возрастания потоков солнечных К. л. в межпланетном пространстве. Частицы самых высоких энергий (>10 17 эв ) имеют, возможно, внегалактическое происхождение (приходят из Метагалактики (См. Метагалактика)).

Общий поток энергии, приносимой К. л. на Землю (Космические лучи0,01 эрг на 1 см 2 в 1 сек ), чрезвычайно мал по сравнению с излучаемым на Землю потоком солнечной энергии и сравним с энергией видимого излучения звёзд. Однако не исключено, что в далёком прошлом К. л. сыграли определённую роль в ускорении эволюции жизни на Земле.

В масштабах всей Галактики средняя плотность энергии К. л. велика (Космические лучи 1 эв/см 3 ) - порядка плотностей всех других видов энергии: энергии тяготения (См. Тяготение) (гравитации), магнитных полей, кинетической энергии движения межзвёздного газа, энергии электромагнитного излучения звёзд. Поэтому К. л. могут оказывать заметное влияние на эволюцию Галактики в целом.

В физике К. л. четко выделяются 2 основных направления исследований: ядерно-физическое (взаимодействие К. л. с веществом; генерация, свойства и взаимодействия элементарных частиц) и космо-физическое (состав и энергетический спектр первичных К. л.; генерация и распространение солнечных и галактических К. л.; изменение во времени интенсивности К. л. и взаимодействие К. л. с магнитосферой Земли (См. Магнитосфера Земли), с солнечным ветром (См. Солнечный ветер) и ударными волнами в межпланетном пространстве и др.). По мере развития техники ускорителей область исследований на первом направлении постепенно сдвигается в сторону высоких энергий. Всё более глубокое изучение ближнего космоса прямыми методами с помощью спутников и космических ракет перемещает центр тяжести второго направления на более далёкие космические объекты. Поэтому научные результаты, получаемые с помощью К. л., носят, как правило, разведывательный, первооткрывательский, характер и имеют фундаментальное значение как для развития физики микромира (в области характерных размеров ≤10 -13 см ), так и для развития физики космоса (10 8 -10 28 см ).

Открытие и основные этапы исследования К. л. Существование К. л. было установлено в 1912 В. Гесс ом по производимой ими ионизации молекул воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение. Наблюдения следов частиц К. л. в Вильсона камере (См. Вильсона камера), помещенной в поле лабораторного магнита (Д. В. Скобельцын , 1927), и отклонения их в магнитном поле Земли с помощью газоразрядных счётчиков, поднимаемых в стратосферу (См. Стратосфера) на баллонах (С. Н. Вернов и Р. Милликен , 1935-37), доказали, что первичные К. л. представляют собой поток заряженных частиц, в основном протонов (ядер атомов водорода). При этом были измерены и энергии большей части К. л. (до 15 Гэв ). С помощью ядерных фотографических эмульсий (См. Ядерная фотографическая эмульсия), поднятых на высоту Космические лучи 30 км (Б. Питерс и др., 1948), в составе первичных К. л. были обнаружены следы ядер более тяжёлых элементов, чем водород, вплоть до ядер железа (рис. 1 ).

Детальное изучение зарядов и масс частиц вторичных К. л. привело к открытию многих новых элементарных частиц, в частности Позитрон а, мюона (См. Мюоны), пи-мезона (См. Пи-мезоны), К-мезона (См. К-мезоны), Λ- гиперона (См. Гипероны) (1932-49). В 1932 П. Блэкетт и Дж. Оккиалини впервые обнаружили в камере Вильсона группы близких по направлению генетически связанных частиц космического излучения - т. н. ливни. В опытах 1945-49 на высокогорных станциях К. л. (В. И. Векслер , Н. А. Добротин и др.) и в стратосфере (С. Н. Вернов и др.) было установлено, что вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия первичных К. л. с ядрами атомов воздуха. Позднее Г. Т. Зацепин показал, что тот же механизм, но при более высоких энергиях (≥10 14 эв ) объясняет развитие открытых ранее в К. л. (П. Оже , 1938) широких атмосферных ливней - потоков из многих миллионов частиц, покрывающих на уровне моря площади порядка 1 км 2 и более.

Для правильного подхода к проблеме происхождения К. л. большую роль сыграли успехи радиоастрономии (См. Радиоастрономия). Связанное с К. л. нетепловое космическое радиоизлучение позволило обнаружить их возможные источники. В 1955 В. Л. Гинзбург и И. С. Шкловский на основе радио-астрономических наблюдений и энергетических оценок впервые количественно обосновали гипотезу о сверхновых звёздах (См. Сверхновые звёзды) как одном из основных галактических источников К. л.

Базой для космофизического направления исследований явилась созданная в 50-60-е гг. обширная мировая сеть станций К. л. (свыше 150), на которых проводится непрерывная регистрация космического излучения. Многие станции находятся высоко в горах, на некоторых станциях проводятся подземные наблюдения, регулярно посылаются в стратосферу баллоны с приборами автоматической регистрации К. л.

Новые возможности прямого изучения первичных К. л. в очень широком диапазоне энергий открылись в связи с подъёмом регистрирующей аппаратуры на искусственных спутниках Земли и межпланетных автоматических станциях. В частности, с помощью калориметра ионизационного (См. Калориметр ионизационный) на спутниках серии «Протон» был впервые непосредственно измерен энергетический спектр первичных К. л. до энергии Космические лучи10 15 эв (советский физик Н. Л. Григоров и др., 1965- 1969). Позднее с помощью искусственных спутников Луны и Марса, а также на советском «Луноходе-1» (1970-71) были проведены длительные измерения вариаций состава и интенсивности К. л, за пределами магнитосферы Земли,

Первичные галактические К. л. Геомагнитные эффекты . Все экспериментальные данные согласуются с тем, что поток первичных К. л., летящих к Земле из Галактики, с высокой степенью точности (Космические лучи0,1%) изотропен, т. е. не зависит от направления. Попадая в магнитное поле Земли, заряженные частицы космического излучения отклоняются от первоначального направления (в результате действия на них Лоренца силы (См. Лоренца сила)). Поэтому интенсивность К. л. и их энергетический спектр в околоземном пространстве зависят как от геомагнитных координат места наблюдения, так и от направления прихода К. л. Отклоняющее действие геомагнитного поля проявляется тем сильнее, чем больше угол ϑ между направлением движения частицы и направлением силовой линии поля, т. е. чем меньше геомагнитная широта φ места наблюдения. Т. о., при одной и той же энергии частиц отклонение максимально в экваториальных областях и минимально вблизи магнитных полюсов. У экватора этот «геомагнитный барьер» не пропускает к Земле летящие перпендикулярно её поверхности протоны с энергией меньше Космические лучи15 Гэв и ядра с энергией Космические лучи7,5 Гэв на нуклон (протон пли нейтрон). С увеличением геомагнитной широты пороговая энергия частиц быстро уменьшается (Космические лучиcos 4 φ ), и в полярных областях геомагнитный барьер практически отсутствует. Наряду с регулярной широтной зависимостью на интенсивности К. л. заметно сказываются аномалии геомагнитного поля (особенно в районе Южной Атлантики). В результате распределение интенсивности К. л. по земному шару имеет довольно сложный характер (рис. 2 ). В полярных областях (φ≥ 60°) интенсивность К. л. у границы атмосферы составляет в годы минимума солнечной активности около 0,4 частицы на 1 см 2 в 1 сек в единице телесного угла.

С ростом энергии К. л. их интенсивность сначала медленно, а затем всё более резко уменьшается (рис. 3 , а). При энергиях 10 10 -10 15 эв поток частиц с энергией выше некоторой заданной энергии E (интегральный спектр) падает по закону Космические лучи E -1,7 (рис. 3 , б). В области энергий > 10 15 эв единственным источником сведений об энергетическом спектре К. л. (рис. 3 , е) являются данные по широким атмосферным ливням (см. ниже): этот спектр уже нельзя представить единым степенным законом, что может объясняться примесью метагалактических К. л.

Более 90% частиц первичных К. л. всех энергий составляют протоны, примерно 7% - α -частицы и лишь небольшая доля (Космические лучи 1%) приходится на ядра элементов более тяжёлых, чем водород и гелий. Несмотря на это, ядра с Z > 1 несут около 50% всей энергии К. л. Уменьшение распространённости с ростом атомного номера элемента в К. л. идёт медленнее, чем для вещества небесных тел во Вселенной вообще. Особенно велико в К. л. содержание ядер лёгких элементов Li, Be, В, естественная распространённость которых чрезвычайно мала (≤ 10 -7 %). Имеется также избыток тяжёлых ядер (Z ≥ 6). Из этого следует, что в источниках К. л. преобладает ускорение тяжёлых ядер, а более лёгкие ядра возникают за счёт расщепления тяжёлых ядер (фрагментации) при их взаимодействии с межзвёздным веществом. В период 1966-71 с помощью ядерных фотоэмульсий и твердотельных детекторов заряженных частиц в К. л. обнаружены ядра значительно тяжелее железа - вплоть до урана, а возможно и ещё более тяжёлые, причём их потоки падают с ростом Z примерно как Z -7 - Z -8 . В наиболее изученной области энергий (>2,5 Гэв на нуклон) ядерный состав К. л. таков: протоны - около 92%, α-частицы - около 7%, ядра с Z = 3-5 - около 0,1-0,15%, с Z = 6-9 - около 0,5% с Z = 10-15 - около 0,1-0,15%, с Z = 16-25- около 0,04%, с Z = 26 (железо) - 0,025%, с Z > 30- Космические лучи10 -5 %.

По содержанию в К. л. Li, Be, В, которых нет в источниках (эти элементы быстро выгорают в результате протекающих в звёздах термоядерных реакций) и которые образуются только в результате фрагментации, было оценено среднее количество вещества, через которое проходят К. л. на пути от источников до Земли; оно оказалось равным 3-5 г/см 2 . Отсюда, если известна средняя плотность вещества в Галактике, можно оценить путь, проходимый К. л. в Галактике, и среднее время жизни К. л. (см. ниже).

В состав первичных К. л. входят также электроны и позитроны (Космические лучи1%) и фотоны высоких энергий - γ -кванты (Космические лучи0,01% при энергиях > 100 Мэв ). Несмотря на незначительную долю в К. л., γ -кванты представляют особый интерес, поскольку, не отклоняясь магнитными полями межзвёздного пространства, они позволяют обнаруживать отдельные квазиточечные источники К. л. Найдено уже около 20 таких источников. Из них наиболее интересен пульсар (См. Пульсары) NP 0532 в Крабовидной туманности, дающий поток γ -квантов 0,1-0,5 на 1 м 2 в 1 сек и являющийся одновременно мощным пульсирующим источником рентгеновского излучения. Кроме того, обнаружен диффузный поток -λ квантов из центра Галактики с интенсивностью Космические лучи 1 частица на 1 м 2 в 1 сек в расчёте на единицу телесного угла.

Внутри магнитосферы Земли, на высотах ≥ 1000 км от земной поверхности, помимо потока К. л., присутствуют гораздо более интенсивные потоки протонов и электронов, захваченные геомагнитным полем и образующие радиационный пояс Земли (См. Радиационные пояса Земли). Происхождение внутренней области радиационного пояса объясняется в основном обратным потоком (альбедо) нейтронов, выбиваемых К. л. из ядер атомов, составляющих атмосферу Земли: нейтроны распадаются на протоны и электроны, которые удерживаются в естественной магнитной ловушке (См. Магнитные ловушки) магнитосферы Земли.

Солнечные К. л. Наиболее сильные возрастания интенсивности К. л. в виде нерегулярных кратковременных всплесков связаны с хромосферными вспышками (См. Хромосферные вспышки) на Солнце. При таких вспышках происходит ускорение заряженных частиц. солнечной плазмы (См. Плазма) электромагнитными полями (по-видимому, у границ солнечных пятен), т. е. генерация солнечных К. л. Предложен, в частности, весьма вероятный механизм ускорения частиц электрическими полями, индуцируемыми при быстром сближении областей солнечной плазмы с противоположно направленными магнитными полями (советский физик С. И. Сыроватский, 1965).

Потоки солнечных К. л. во время некоторых хромосферных вспышек в сотни раз превышают потоки галактических К. л. Так, при рекордном всплеске 23 февраля 1956 наблюдалось 300-кратное возрастание потока К. л. с энергией > 3 Гэв, что могло бы представлять серьёзную угрозу безопасности космических полётов. Поэтому очень важны систематические наблюдения хромосферных вспышек, всплесков радио- и рентгеновского излучения и др. проявлений солнечной активности, позволяющие в тесной связи с измерениями интенсивности К. л. прогнозировать радиационную обстановку на трассах космических полётов.

В среднем вклад солнечных К. л. в общую интенсивность космического излучения составляет несколько процентов.

Химический состав солнечных К. л. очень близок к составу солнечной атмосферы. В отличие от галактич. К. л., в них отсутствуют ядра Li, Be, В. Это показывает, что количество вещества, проходимое солнечными К. л., чрезвычайно мало (г/см 2) и что их генерация не может происходить в глубине солнечной атмосферы, где плотность вещества слишком велика (вероятнее всего ускорение происходит в верхней хромосфере и нижней короне Солнца).

Частицы солнечных К. л. по сравнению с галактическими обладают более низкими энергиями (их энергетический спектр более мягкий). Энергии протонов обычно ограничиваются долями Гэв, и лишь при очень редких мощных хромосферных вспышках генерируются протоны с энергиями до 100 Гэв; нижняя граница энергии регистрируемых электронов солнечных К. л. составляет десятки кэв (т. е. близка к энергии частиц солнечного ветра). Солнечные К. л. малой энергии оказывают существенное воздействие на состояние ионосферы (См. Ионосфера) Земли в высоких широтах, вызывая дополнительную ионизацию её нижних слоев. Это приводит к ослаблению радиоволн, а в некоторых случаях - к полному прекращению радиосвязи на коротких волнах. Данные о распространении солнечных К. л., их энергетическом спектре и угловой анизотропии позволяют получить информацию о структуре магнитного поля в межпланетном пространстве. Изучение пространственных и временных вариаций (изменений) потоков солнечных К. л. помогает лучше понять такие геофизические явления, как геомагнитные бури, полярные сияния и пр.

Характер возрастания потока солнечных К. л. на Землю показывает, что в начальный период после вспышки поток существенно анизотропен, причём его максимум направлен под углом примерно 45° к западу от направления на Солнце. Это явилось первым прямым доказательством изогнутости силовых линий межпланетного магнитного поля в виде спиралей Архимеда (см. рис. 4 ).

Модуляция галактических К. л. солнечным ветром. Среди периодических временных вариаций интенсивности галактич. К. л. главную роль играют модуляции интенсивности, совпадающие с 11-летним циклом солнечной активности. Эти модуляции связаны с рассеянием и «выметанием» К. л. галактического происхождения неоднородно намагниченными регулярными потоками плазмы, выбрасываемой из Солнца со скоростями 300-500 км/сек. Такие потоки, получившие название солнечного ветра, распространяются далеко за пределы орбиты Земли [на десятки астрономических единиц (См. Астрономическая единица) (а. е.); 1 а. е. ≈ 150 млн. км ], постепенно переходя в турбулентное движение плазмы в слое, пограничном с невозмущённым галактическим магнитным полем (рис. 4 ). Согласно данным о двух последних циклах (1948-59 и 1959-70), интенсивность К. л. вблизи границы земной атмосферы во время максимума солнечной активности снижается в 2-2,5 раза по сравнению с величиной, характерной для минимума. На уровне моря, куда частицы малой энергии не доходят, амплитуда 11-летних вариаций К. л. оказывается гораздо меньшей (рис. 5 ).

Существуют и другие, менее ярко выраженные типы модуляций галактич. К. л., обусловленные различными причинами. Это, в частности, 27-суточные вариации, связанные с периодом вращения Солнца вокруг своей оси, а также солнечно-суточные вариации, связанные с вращением Земли и с анизотропией электромагнитных свойств среды, в которой распространяются К. л. Совокупность сведений о модуляционных эффектах приводит большинство исследователей к выводу, что эффективные размеры области модуляции К. л. солнечным ветром составляют 2-5 а. е.

Происхождение и возраст галактических К. л . Основным источником К. л. считаются взрывы сверхновых звёзд. При каждом таком взрыве происходит расширение с огромной скоростью оболочки звезды и возникают ударные волны в плазме, приводящие к ускорению заряженных частиц до энергий Космические лучи 10 15 эв и выше. Главным экспериментальным доводом в пользу гипотезы происхождения К. л. от взрывов сверхновых явилось впервые прямое радиоастрономическое наблюдение частично поляризованного радиоизлучения от Крабовидной туманности (1957), возникшей в результате взрыва в 1054 сверхновой, сравнительно близкой к Солнечной системе. Свойства этого излучения таковы, что его следует приписать синхротронному излучению (См. Синхротронное излучение) (магнитотормозному излучению) - излучению быстрых электронов в магнитных полях, «вмороженных» в потоки звёздной плазмы, выброшенной при взрыве этой сверхновой. Позднее удалось наблюдать магнитотормозное радиоизлучение и от других, более далёких туманностей, рожденных взрывами сверхновых. Дальнейшие наблюдения показали, что спектр магнитотормозного излучения электронов простирается до оптического, рентгеновского и даже γ-диапазонов, и это связано с очень высокими энергиями электронов (до Космические лучи 10 12 эв ). Естественно, что наряду с электронами в расширяющихся оболочках сверхновых происходит интенсивное ускорение и тяжёлых заряженных частиц - протонов и ядер (однако вследствие своей большой массы они не испытывают заметных потерь энергии на излучение в магнитных полях). При этом чем тяжелее ядро, тем благоприятнее могут быть начальные условия ускорения (т. н. инжекция): тяжёлые ядра могут находиться в неполностью ионизованном состоянии и поэтому сравнительно слабо отклоняться в магнитных полях, что облегчает их «утечку» за пределы плотной оболочки звезды (в которой магнитное поле велико). Если учесть среднюю частоту взрывов сверхновых в Галактике вообще (1 раз в 30-50 лет) и полное энерговыделение в каждом взрыве (10 51 -10 52 эрг, или 10 63 -10 64 эв ) и предположить, что Космические лучи 1% этой энергии тратится на ускорение заряженных частиц, то можно объяснить как среднюю плотность энергии К. л. (Космические лучи 1 эв/см 3 ), так и отсутствие заметных колебаний потока К. л.

Методами радиоастрономии были зарегистрированы и ещё более мощные источники К. л. (точнее, их электронной компоненты), находящиеся далеко за пределами нашей Галактики. Такими источниками являются, в частности, интенсивно излучающие квазизвёздные объекты малой протяжённости - Квазары , ядра некоторых галактик (См. Галактики), испытывающие резкое расширение взрывного типа, а также Радиогалактики с характерными для них мощными выбросами вещества (сопровождающимися радиоизлучением в масштабе целых галактик).

Ускоренные в галактических источниках тяжёлые заряженные частицы распространяются затем по сложным траекториям в межзвёздном пространстве, где на них действуют слабые [(3-6)10 -6 гс ] нерегулярные и неоднородные магнитные поля облаков межзвёздной плазмы. Заряженные частицы «запутываются» в этих магнитных полях (напряжённость которых значительно повышается в областях спиральных рукавов Галактики, одновременно с увеличением концентрации межзвёздной плазмы). При этом движение К. л. носит характер диффузии, при которой частицы с энергиями до 10 17 -10 18 эв могут удерживаться в пределах нашей Галактики в течение десятков млн. лет. Диффузионное движение частиц К. л. обусловливает практически полную изотропию их потока. Лишь при более высоких энергиях радиусы кривизны траекторий частиц (особенно протонов) становятся сравнимыми с размерами галактик и происходит интенсивная «утечка» К. л. в метагалактическое пространство. Несмотря на высокую степень разреженности вещества, длительные странствия частиц в Метагалактике приводят к потерям энергии в новых процессах - фотоядерных реакциях на фоновом электромагнитном излучении (оно называется реликтовым излучением (См. Реликтовое излучение)), оставшемся от ранних стадий расширения некогда горячей Вселенной. Наличие этого процесса сильно снижает вероятность того, что наиболее энергичная часть спектра К. л. обусловлена метагалактической компонентой.

Принципиально новые возможности экспериментального изучения источников наиболее энергичной части спектра К. л. (вплоть до энергий 10 20 -10 21 эв ) открылись после обнаружения уникальных астрофизических объектов - пульсаров. По современным представлениям, пульсары - это небольшие (Космические лучи 10 км в диаметре) нейтронные звёзды, возникшие в результате быстрого гравитационного сжатия (коллапса гравитационного (См. Коллапс гравитационный)) неустойчивых звёзд типа сверхновых. Гравитационный коллапс приводит к колоссальному увеличению плотности вещества звезды (до ядерной плотности и выше), магнитного поля (до 10 13 гс ) и скорости вращения (до 10 3 оборотов в сек ). Всё это создаёт благоприятные условия для ускорения тяжёлых заряженных частиц до исключительно высоких энергий Космические лучи 10 21 эв и электронов до энергий Космические лучи 10 12 эв. И действительно, наблюдения показали, что наряду с радиоизлучением пульсары испускают (с тем же периодом) световое, рентгеновское, а иногда и γ- излучение, которые можно объяснить только процессом магнитотормозного излучения очень быстрых электронов. Т. о., синхротронное излучение электронов К. л., обусловленное сильными магнитными полями, локализованными вблизи неустойчивых «горячих» объектов - источников К. л., позволяет решать проблему происхождения К. л. методами наблюдательной астрономии (радиоастрономии, рентгеновской астрономии (См. Рентгеновская астрономия), гамма-астрономии (См. Гамма-астрономия)).

Важную дополнительную информацию об источниках и возрасте К. л. дают исследования ядерного состава К. л. Из небольшого относительного содержания в К. л. ядер Be следует, что радиоактивный изотоп 10 Ве (среднее время жизни которого около 2 млн. лет) успевает практически полностью распасться, откуда получается оценка верхнего предела возраста К. л. 20-50 млн. лет. Примерно того же порядка (10-30 млн. лет) оценки получаются из относительного содержания группы лёгких ядер (Li, Be, В) в целом, а также по среднему времени, которое требуется электронам К. л. для диффузного распространения от внутригалактических источников до границ Галактики. Анализ состава сверхтяжёлой ядерной компоненты (Z > 70) даёт средний возраст К. л. не более 10 млн. лет.

Ещё один способ проверки различных гипотез происхождения К. л. - измерение интенсивности К. л. в далёком прошлом, в частности в периоды известных вспышек ближайших сверхновых (например, вспышки в 1054). Существуют два метода, с помощью которых можно было бы обнаружить эффекты возрастания интенсивности К. л. в прошлом не только в результате взрыва сравнительно недалёких от Солнечной системы сверхновых звёзд, но и в результате возможных гораздо более мощных взрывных процессов в ядре Галактики. Это радиоуглеродный метод, в котором по концентрации изотопа 14 С в различных годичных кольцах очень старых деревьев определяют темп накопления в атмосфере 14 C, образующегося в результате ядерных реакций под действием К. л., и метеоритный метод, основанный на изучении состава стабильных и радиоактивных изотопов метеоритного вещества, подвергавшегося длительному воздействию К. л Эти методы свидетельствуют о том, что средняя интенсивность К. л. сравнительно мало отличалась от современной в течение десятков тысяч и миллиарда лет соответственно. Постоянство интенсивности К. л. в течение миллиарда лет делает маловероятной гипотезу о происхождении всех К. л. в процессе взрыва ядра нашей Галактики, который считается ответственным за образование галактического гало (пока не доказанного прямыми наблюдениями).

Взаимодействие К. л. с веществом.

1. Ядерно-активная компонента К- л. и множественная генерация частиц . При взаимодействии протонов и др. ядер первичных К. л. высокой энергии (Космические лучи несколько Гэв и выше) с ядрами атомов земной атмосферы (главным образом азота и кислорода) происходит расщепление ядер и рождение нескольких нестабильных элементарных частиц (т. н. Множественные процессы), в основном π-мезонов (пионов) - заряженных (π + , π -) и нейтральных (π 0) с временами жизни 2,5․10 -8 сек и 0,8․10 -16 сек соответственно. Со значительно меньшей вероятностью (в 5-10 раз) рождаются К-мезоны и с ещё меньшей - гипероны и практически мгновенно распадающиеся Резонансы . На рис. 6 приведена фотография множественного рождения частиц, зарегистрированного в ядерной фотоэмульсии; частицы вылетают из одной точки в виде узкого пучка. Среднее число вторичных частиц, образующихся в одном акте взаимодействия протона (или π-мезона) с лёгким ядром пли одним нуклоном такого ядра, возрастает с ростом энергии E сначала по степенному закону, близкому к E 1/3 (вплоть до E ≈ 20 Гэв ), а затем (в области энергий 2․10 10 -10 13 эв ) этот рост замедляется и лучше описывается логарифмической зависимостью. В то же время косвенные данные по широким атмосферным ливням указывают на процессы значительно более высокой множественности при энергиях ≥ 10 14 эв.

Угловая направленность потока рожденных частиц в широком интервале энергии первичных и рожденных частиц такова, что составляющая импульса, перпендикулярная направлению первичной частицы (т. н. поперечный импульс), составляет в среднем 300-400 Мэв/с, где с - скорость света в вакууме (при очень высоких энергиях E частицы, когда энергией покоя частицы mc2 можно пренебречь по сравнению с её кинетической энергией, импульс частицы р = E/c ; поэтому в физике высоких энергий импульс обычно измеряют в единицах Мэв/с ).

Первичные протоны при столкновении теряют в среднем около 50% начальной энергии (при этом они могут испытывать перезарядку, превращаясь в нейтроны).

Образующиеся при расщеплении ядер вторичные нуклоны (протоны и нейтроны) и рожденные в столкновениях заряженные пионы высокой энергии будут также (вместе с потерявшими часть энергии первичными протонами) участвовать в ядерных взаимодействиях и вызывать расщепление ядер атомов воздуха и множественное образование пионов. Средний пробег, на котором осуществляется одно ядерное взаимодействие, принято измерять удельной массой пройденного вещества он составляет для первичных протонов Космические лучи 90 г/см 2 воздуха, т. е. Космические лучи9% всей толщи атмосферы. С ростом атомного веса вещества А средний пробег постепенно возрастает (примерно как А 1/3 ), достигая Космические лучи 160 г/см 2 для свинца. Рождение пионов происходит в основном на больших высотах (20-30 км ), но продолжается в меньшей степени по всей толще атмосферы и даже на глубине нескольких м грунта.

Вылетающие при ядерных столкновениях нуклоны ядер и не успевшие распасться заряженные пионы высокой энергии образуют ядерно-активную компоненту вторичных К. л. Многократное повторение последовательных, каскадных взаимодействий нуклонов и заряженных пионов с ядрами атомов воздуха, сопровождающихся множественной генерацией новых частиц (пионов) в каждом акте взаимодействия, приводит к лавинообразному возрастанию числа вторичных ядерно-активных частиц и к быстрому уменьшению их средней энергии. Когда энергия отдельной частицы становится меньше 1 Гэв, рождение новых частиц практически прекращается и остаются (как правило) только процессы частичного (а иногда полного) расщепления атомного ядра с вылетом нуклонов сравнительно небольших энергий. Общий поток частиц ядерно-активной компоненты по мере дальнейшего проникновения в глубь атмосферы уменьшается (рис. 7 , кривая 1), и на уровне моря (Космические лучи1000 г/см 2 ) остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

2. Электронно-фотонные ливни и мягкая компонента вторичных К. л. Образующиеся при взаимодействиях частиц ядерно-активной компоненты с атомными ядрами нейтральные пионы практически мгновенно распадаются (вследствие их очень малого времени жизни) на два фотона (γ ) каждый: π°→2γ . Этот процесс даёт начало электронно-фотонной компоненте К. л. (она называется также мягкой, т. е. легко поглощаемой, компонентой).

В сильных электрических полях атомных ядер эти фотоны рождают электронно-позитронные пары e - e + (γ →e - +e +), а электроны и позитроны, в свою очередь, путём тормозного излучения (См. Тормозное излучение) испускают новые фотоны (е ± →е ± + γ ) и т. д. Такие процессы, носящие каскадный характер, приводят к лавинообразному нарастанию общего числа частиц - к образованию электронно-фотонного ливня. Развитие электронно-фотонного ливня приводит к быстрому дроблению энергии π 0 на всё большее число частиц, т. е. к быстрому уменьшению средней энергии каждой частицы ливня. После максимального развития мягкой компоненты, достигаемого на высоте около 15 км (Космические лучи 120 г/см 2 ), происходит её постепенное затухания (рис. 7 , кривая 2). Когда энергия каждой частицы становится меньше некоторого критического значения (для воздуха критическая энергия составляет около 100 Мэв ), преобладающую роль начинают играть потери энергии на ионизацию (См. Ионизация) атомов воздуха и комптоновское рассеяние (см. Комптона эффект); увеличение числа частиц в ливне прекращается, и его отдельные частицы быстро поглощаются. Практически полное поглощение электронно-фотонной компоненты происходит на сравнительно небольших толщах вещества (особенно большой плотности); в лабораторных условиях для этого достаточно иметь свинцовый экран толщиной 10-20 см (в зависимости от энергии частиц). Электронно-фотонный ливень, зарегистрированный в камере Вильсона, приведён на рис. 8.

Основной характеристикой электронно-фотонного ливня является изменение числа частиц с увеличением толщины пройденного вещества - т. н. каскадная кривая (рис. 9 ). В соответствии с теорией этого процесса число частиц в максимуме каскадной кривой примерно пропорционально энергии первоначальной частицы. Углы отклонения частиц от оси ливня определяются рассеянием электронов и позитронов, а средний поперечный импульс составляет около 20 Мэв/с.

Наряду с π°-мезонами в К. л. существуют и др. источники образования электронно-фотонных ливней. Это электроны и γ -кванты высокой энергии (> 100 Мэв ) первичных К. л., а также δ -электроны, т. е. атомарные электроны, выбиваемые за счёт прямого электрического взаимодействия проходящих сквозь вещество быстрых заряженных частиц К. л.

При очень высоких энергиях (≥ 10 14 эв ) электронно-фотонные ливни в земной атмосфере приобретают специфические черты широких атмосферных ливней. В таких ливнях очень большое число последовательных каскадов размножения приводит к сильному росту общего потока частиц (исчисляемого в зависимости от энергии многими миллионами и даже миллиардами) и к их широкому пространственному расхождению - на десятки и сотни м от оси ливня. В широких атмосферных ливнях у поверхности Земли одна частица ливня приходится примерно на несколько (2-3 ) Гэв энергии первичной частицы, вызвавшей ливень. Это даёт возможность оценивать по полному потоку частиц в ливне энергию приходящих на границу земной атмосферы «предков» этих ливней, что невозможно сделать непосредственно из-за крайне малой вероятности их прямого попадания в точку наблюдения.

Вследствие большой плотности потока частиц в широком атмосферном ливне испускается сравнительно интенсивное направленное электромагнитное излучение как в оптической области спектра, так и в радиодиапазоне. Оптическая часть свечения определяется процессом Черенкова - Вавилова излучения (См. Черенкова-Вавилова излучение), поскольку скорости большинства частиц превышают фазовую скорость распространения света в воздухе. Механизм радиоизлучения более сложен; он связан, в частности, с тем, что магнитное поле Земли вызывает пространственное разделение потоков отрицательно и положительно заряженных частиц, что эквивалентно возникновению переменного во времени электрич. диполя (См. Диполь).

3. Космические мюоны и нейтрино. Проникающая компонента вторичного излучения. Возникающие в атмосфере под действием К. л. заряженные пионы участвуют в развитии ядерного каскада лишь при достаточно больших энергиях - до тех пор, пока не начинает сказываться их распад на лету. В верхних слоях атмосферы процессы распада становятся существенными уже при энергиях ≤ 10 12 эв.

Заряженный пион (с энергией ≤ 10 11 эв ) распадается на мюон μ ± (заряженную нестабильную частицу с массой покоя m μ ≈207 me, где me - масса электрона, и средним временем жизни τ 0 ≈ 2․10 -6 сек ) и нейтрино ν (нейтральную частицу с нулевой массой покоя). В свою очередь, мюон распадается на позитрон (или электрон), Нейтрино и Антинейтрино . Т. к. скорости мюонов (как и всех остальных частиц К. л.) очень близки к скорости света с, то, в соответствии с теорией относительности, среднее время до их распада τ достаточно велико - пропорционально полной энергии E, τ = Электромагнитные взаимодействия)) и теряют свою энергию в основном на ионизацию атомов (Космические лучи 2 Мэв на толщине 1 г/см 2 ). Поэтому поток мюонов представляет собой проникающую компоненту К. л. Даже при сравнительно умеренной энергии Космические лучи 10 Гэв мюон может не только пройти сквозь всю земную атмосферу (см. рис. 7 , кривая 3), но и проникнуть далеко в глубь Земли на расстояния порядка 20 м грунта (рис. 10 ). Максимальная глубина, на которой регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, составляет около 8600 м в переводе на водный эквивалент. Благодаря своей большой проникающей способности именно мюоны образуют «скелет» широких атмосферных ливней на больших (сотни м ) расстояниях от их оси.

Т. о., одновременно с развитием описанного выше ядерного каскада происходит (за счёт распада π 0) его «обрастание» электронно-фотонной компонентой, а также (за счёт распадов π + и π -) - проникающей мюонной компонентой (рис. 11 ).

Высокая проникающая способность в сочетании с прямо пропорциональным плотности вещества коэффициент поглощения при умеренных энергиях (десятки и сотни Гэв ) делает проникающую компоненту К. л. очень удобным средством для подземной геофизической и инженерной разведки (рис. 12 ). Измеряя интенсивность К. л. телескопом счётчиков (См. Телескоп счётчиков) в штольнях и сравнивая полученные данные с известными кривыми поглощения К. л. в воде или грунте, можно обнаруживать или уточнять положения рудных пластов и пустот, а также измерять весовую нагрузку на грунт от стоящих на нём сооружений.

При энергиях порядка 10 12 эв и выше наряду с ионизационными потерями энергии мюонов становятся всё более существенными потери энергии на образование электронно-позитронных пар и тормозное излучение, а также на прямые взаимодействия с атомными ядрами вещества. Вследствие этого на глубинах ≥ 8 км водного эквивалента под углами ≥ 50° к вертикали поток космических мюонов оказывается ничтожно малым. Эксперименты, проводившиеся с 1964 в шахтах Индии и Южной Африки с установками огромной площади, позволили обнаружить на этих глубинах под углами > 50° дополнительный поток мюонов, единственным источником которых могли быть только взаимодействия нейтрино с атомными ядрами вещества. Эти опыты представили собой уникальную возможность изучения свойств самой проникающей - нейтринной - компоненты К. л. Наиболее важной проблемой при этом является изучение взаимодействия нейтрино сверхвысоких энергий с веществом; в частности, для выяснения структуры элементарных частиц особый интерес представляет исследование увеличения поперечного сечения взаимодействия (уменьшения «прозрачности» вещества) с ростом энергии нейтрино. Такое возрастание сечения взаимодействия нейтрино установлено на ускорителях до энергий 10 10 эв. Очень важно исследовать, будет ли продолжаться этот рост сечения вплоть до энергий 10 15 эв (соответствующих характерному расстоянию слабых взаимодействий 6․10 -17 см ).

Проблемы и перспективы. Дальнейшее изучение К. л. в лабораториях и на космических станциях продолжается в двух направлениях. На космофизическом направлении выясняется природа тех основных процессов, в которых может происходить ускорение частиц до высоких и сверхвысоких энергий (в сверхновых звёздах, пульсарах, отчасти на Солнце), а также свойства межпланетной и межзвёздной среды по вариациям интенсивности К. л., особенностям их состава, углового и энергетического распределения. Особенно большие надежды возлагаются на исследования в области рентгеновской и гамма-астрономии в тесной связи с радиоастрономическими и астрономическими наблюдениями возможных источников К. л.

Интересен также вопрос о роли нейтрино как одной из компонент первичных К. л. при энергиях ≥ 10 20 эв. Возникновение широких атмосферных ливней столь высоких энергий уже трудно объяснить заряженными частицами, ускоряемыми в пределах нашей Галактики, а частицы межгалактического происхождения не могут набрать таких энергий из-за столкновений с фотонами реликтового излучения, заполняющего Метагалактику. Поэтому приходится учитывать возможность непрерывного роста непрозрачности вещества (в частности, атмосферного воздуха) для потоков космического нейтрино, которые в этом случае смогли бы стать «предками» самых мощных широких ливней.

Делаются попытки окончательно решить неясную пока проблему существования файрболов - гипотетических частиц (с массами Космические лучи 3-5 Гэв, а иногда и значительно выше), почти мгновенно распадающихся после своего рождения на отдельные частицы (в основном пионы) по законам статистической физики. Далеко не закончены дискуссии о степени применимости описания множественного рождения частиц моделями гидродинамических и термодинамических типов, в которых образуемая при ядерных столкновениях высоковозбуждённая «адронная материя» с неопределённым числом частиц расширяется вплоть до её распада на отдельные свободные частицы.

Лит.: Гинзбург В. Л., Сыроватский С. И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Дорман Л. И., Вариации космических лучей и исследование космоса, М.. 1963; Дорман Л. И., Мирошниченко Л. И., Солнечные космические лучи, М., 1968; Дорман Л. И., Смирнов В. С., Тясто М. И., Космические лучи в магнитном поле Земли, М., 1971; Мурзин В. С., Сарычева Л. И., Космические лучи и их взаимодействие, М., 1968; Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, М., 1970; Бондаренко В. М., Использование космических лучей в геологии, М., 1965. Популярная лит.: Росси Б., Космические лучи, пер. с англ., М., 1966; Добротин Н. А., Космические лучи, М., 1963; Жданов Г. Б., Частицы высоких энергии, М., 1965; Гинзбург В. Л., Происхождение космических лучей, М., 1968.

Космические лучи
12.12.2005 21:11 |"Соросовская Энциклопедия"

1. Введение

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

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

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

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

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

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

По своему происхождению КЛ можно разделить на несколько групп.

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

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

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

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

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

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

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

2. Галактические космические лучи

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

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

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

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

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

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

В области высоких энергий КЛ наблюдается несколько особенностей.

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

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

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

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

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

3. Гамма-астрономия высоких и сверхвысоких энергий

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

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

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

4. Модуляционные эффекты в космических лучах

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

5. Солнечные космические лучи

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

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

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

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

6. Космические лучи в магнитосфере и атмосфере Земли

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

m (d v /dt )=(q /c )[v ×B ],

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

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

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

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

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

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

7. Заключение

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

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.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Космические лучи: что это такое?

✪ NASA: изучаем КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

✪ Космические лучи сверхвысоких энергий - Сергей Троицкий

✪ ТАЙНА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

✪ Великое в малом. Эксперимент космических лучей

Субтитры

Основные сведения

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

Физика космических лучей изучает:

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

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

История физики космических лучей

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.

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.