Космические лучи физика. Что такое космические лучи. Космические лучи в магнитосфере и атмосфере Земли

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

К. л. напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы к-рого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвёздной и межпланетной сред и воздействие космич. магн. полей. В составе К. л. преобладают протоны, имеются также электроны, ядра гелия и более тяжёлых элементов (вплоть до ядер элементов с 30). Электронов в К. л. в сотни раз меньше, чем протонов (в одном и том же диапазоне энергий). Частицы К. л. обладают огромными кинетич. энергиями (вплоть до эВ). Хотя суммарный поток К. л. у Земли невелик [всего 1 частица/(см 2 с)], плотность их энергии (ок. 1 эВ/см 3) сравнима (в пределах нашей Галактики) с плотностью энергии суммарного эл.-магн. излучения звёзд, энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетич. энергии его турбулентных движений, а также с плотностью энергии магнитного поля Галактики. Отсюда следует, что К. л. должны играть большую роль в процессах, идущих в межзвёздном пространстве.

Др. важная особенность К. л. - нетепловое происхождение их энергии. Действительно, даже при темп-ре ~ 10 9 К, по-видимому, близкой к максимальной для звёздных недр, средняя энергия теплового движения частиц эВ. Осн. же количество частиц К. л., наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 10 8 эВ и выше. Это означает, что К. л. приобретают энергию в специфических астрофизич. процессах эл.-магн. и плазменной природы.

Изучение К. л. даёт ценные сведения об эл.-магн. полях в различных областях космического пространства. Информация, "записанная" и "переносимая" частицами К. л. на их пути к Земле, расшифровывается при исследовании - пространственно-временных изменений потока К. л. под влиянием динамических эл.-магн. и плазменных процессов в межзвёздном и околоземном пространстве.

С другой стороны, в качестве естественного источника частиц высокой энергии К. л. играют незаменимую роль при изучении строения вещества и взаимодействий между элементарными частицами. Энергии отдельных частиц К. л. столь велики, что они ещё долго будут оставаться вне конкуренции по сравнению с частицами, ускоренными (до энергий ~ 10 12 эВ) самыми мощными лабораторными ускорителями.

2. Методы изучения космических лучей

Вторгаясь в атмосферу Земли, первичные К. л. разрушают ядра наиболее распространённых в атмосфере элементов - азота и кислорода - и порождают каскадный процесс (рис. 1), в к-ром участвуют все известные в настоящее время элементарные частицы. Принято характеризовать путь, пройденный частицей К. л. в атмосфере до столкновения, количеством вещества в граммах, заключённого в столбе сечением 1 см 2 , т.е. выражать пробег частиц в г/см 2 вещества атмосферы. Это значит, что после прохождения толщи атмосферы х (в г/см 2) в пучке протонов с первоначальной интенсивностью I 0 количество протонов, не испытавших столкновения, будет равно , где - ср. пробег частицы. Для протонов, к-рые составляют большинство первичных К. л., в воздухе равен примерно 70 г/см 2 ; для ядер гелия 25 г/см 2 , для более тяжёлых ядер ещё меньше. Первое столкновение (70 г/см 2) с атмосферными частицами протоны испытывают в среднем на высоте 20 км. Толщина атмосферы на уровне моря эквивалентна 1030 г/см 2 , т.е. соответствует примерно 15 ядерным пробегам для протонов. Отсюда следует, что вероятность достичь поверхности Земли, не испытав столкновений, для первичной частицы ничтожно мала. Поэтому на поверхности Земли К. л. обнаруживаются лишь по слабым эффектам ионизации, создаваемой вторичными частицами.

В начале 20 в. в опытах с электроскопами и ионизац. камерами была обнаружена постоянная остаточная ионизация газов, вызываемая каким-то очень проникающим излучением. В отличие от излучения радиоактивных веществ окружающей среды, проникающее излучение не могли задержать даже толстые слои свинца. Внеземная природа обнаруженного проникающего излучения была установлена в 1912-14 гг. австр. физиком В. Гессом, нем. учёным В. Кольхёрстером и др. физиками, поднимавшимися с ионизац. камерами на воздушных шарах. Было найдено, что с увеличением расстояния от поверхности Земли ионизация, вызываемая К. л., растёт, напр. на высоте 4800 м - вчетверо, на высоте 8400 м - в 10 раз. Внеземное происхождение К. л. окончательно доказал Р. Милликен (США), осуществивший в 1923-26 гг. серию опытов по исследованию поглощения К. л. атмосферой (именно он ввёл термин "К. л.").

Природа К. л. вплоть до 40-х гг. оставалась неясной. В течение этого времени интенсивно развивалось ядерное направление - изучение взаимодействия К. л. с веществом, образования вторичных частиц и их поглощения в атмосфере. Эти исследования, проводившиеся при помощи счётчиковых телескопов, камер Вильсона и ядерных фотоэмульсий (поднимаемых на шарах-зондах в стратосферу), привели, в частности, к открытию новых элементарных частиц - позитрона (1932 г.), мюона (1937 г.), пи-мезонов (1947 г.).

Систематич. исследования влияния геомагн. поля на интенсивность и направление прихода первичных К. л. показали, что подавляющее большинство частиц К. л. имеет положит. заряд. С этим связана восточно-западная асимметрия К. л.: из-за отклонения заряженных частиц в магн. поле Земли с запада приходит больше частиц, чем с востока.

Применение фотоэмульсий позволило в 1948 г. установить ядерный состав первичных К. л.: были обнаружены следы ядер тяжёлых элементов вплоть до железа (первичные электроны в составе К. л. были впервые зарегистрированы в стратосферных измерениях лишь в 1961 г.). С конца 40-х гг. на передний план постепенно выдвинулись проблемы происхождения и временных вариаций К. л. (космофизич. аспект).

Ядерно-физич. исследования К. л. осуществляются в основном при помощи счётчиковых установок большой площади, предназначенных для регистрации т.н. широких атмосферных ливней из вторичных частиц, к-рые образуются при вторжении одной первичной частицы с энергией эВ. Осн. цель таких наблюдений - изучение характеристик элементарного акта ядерного взаимодействия при высоких энергиях. Наряду с этим они дают информацию об энергетич. спектре К. л. при эВ, что очень важно для поиска источников и механизмов ускорения К. л.

Наблюдения К. л. в космофизич. аспекте проводятся весьма разнообразными методами - в зависимости от энергии частиц. Вариации К. л. с эВ изучаются по данным мировой сети нейтронных мониторов (нейтронный компонент К. л.), счётчиковых телескопов (мюонный компонент К. л.) и др. детекторов. Однако наземные установки из-за атмосферного поглощения нечувствительны к частицам с МэВ. Поэтому приборы для регистрации таких частиц поднимают на шарах-зондах в стратосферу до высот 30-35 км.

Внеатмосферные измерения потока К. л. 1-500 МэВ осуществляются при помощи геофизич. ракет, ИСЗ и др. КА. Прямые наблюдения К. л. в межпланетном пространстве осуществлены пока лишь вблизи плоскости эклиптики до расстояния ~ 10 а. е. от Солнца.

Ряд ценных результатов дал метод космогенных изотопов. Они образуются при взаимодействии К. л. с метеоритами и космич. пылью, с поверхностью Луны и др. планет, с атмосферой или веществом Земли. Космогенные изотопы несут информацию о вариациях К. л. в прошлом и о . По содержанию радиоуглерода 14 С в годичных кольцах деревьев можно, напр., изучать вариации интенсивности К. л. на протяжении неск. последних тысяч лет. По др. долгоживущим изотопам (10 Ве, 26 Al, 53 Mn и др.), содержащимся в метеоритах, лунном грунте, в глубоководных морских отложениях, можно восстановить картину изменений интенсивности К. л. за миллионы лет.

С развитием космич. техники и радио-химич. методов анализа стало возможным изучение характеристик К. л. по трекам (следам), создаваемым ядрами К. л. в метеоритах, лунном веществе, в спец. образцах-мишенях, экспонируемых на ИСЗ и возвращаемых на Землю, в шлемах космонавтов, работавших в открытом космосе, и т.п. Используется также косвенный метод изучения К. л. по эффектам ионизации, вызываемым ими в нижней части ионосферы, особенно в полярных широтах. Эти эффекты существенны гл. обр. при вторжении в земную атмосферу солнечных К. л.

3. Космические лучи у Земли

Табл. 1. Относительное содержание ядер в космических лучах, на Солнце и звездах (в среднем)

Элемент	Солнечные К.л.	Солнце (фотосфера)	Звезды	Галактические К.л.
1 H	4600*	1445	925	685
2 He (-частица)	70*	91	150	48
3 Li	?			0,3
4 Be- 5 B	0,02			0,8
6 C	0,54*	0,6	0,26	1,8
7 N	0,20	0,1	0,20	0,8
8 O**	1,0*	1,0	1,0	1,0
9 F		10 -3		0,1
10 Ne	0,16*	0,054	0,36	0,30
11 Na	?	0,002	0,002	0,19
12 Mg	0,18*	0,05	0,040	0,32
13 Al	?	0,002	0,004	0,06
14 Si	0,13*	0,065	0,045	0,12
15 P- 21 Sc	0,06	0,032	0,024	0,13
16 S- 20 Ca	0,04*	0,028	0,02	0,11
22 Ti- 28 Ni	0,02	0,006	0,033	0,28
26 Fe	0,15*	0,05	0,06	0,14

* Данные наблюдений для интервала =1-20 МэВ/нуклон, остальные цифры в этой графе относятся в основном к >40 МэВ/нуклон. Точность большинства значений в таблице в целом - от 10 до 50%. ** Обилие ядер кислорода принято за единицу.

Важнейшими характеристиками К. л. явл. их состав (распределение по массам и зарядам), энергетич. спектр (распределение по энергиям) и степень анизотропии (распределение по направлениям прихода). Относительное содержание ядер в К. л. приведено в табл.1. Из табл. 1 видно, что в составе К. л. галактич. происхождения гораздо больше лёгких ядер (Z = 3-5), чем в солнечных К. л. и в среднем в звёздах Галактики. Кроме того, в них присутствует значительно больше тяжёлых яде (20) по сравнению с их естеств распространённостью. Оба эти различи очень важны для выяснения вопрос о происхождении К. л.

Относительные числа частиц с различной массой в К. л. приведены в табл. 2.

Табл. 2. Состав и некоторые характеристики космических лучей с энергиями 2,5 ГэВ/нуклон

p протоны 1 1 1300 10000 10000 -частица ядра гелия 2 4 94 720 1600 L легкие ядра 3-5 10 2,0 15 10 -4 M средние ядра 6-9 14 6,7 52 14 H тяжелые ядра 10 31 2,0 15 6 VH очень тяжелые ядра 20 51 0,5 4 0,06 SH самые тяжелые ядра > 30 100 ~10 -4 ~10 -3 e электроны 1 1/1836 13 100 10000

Видно, что в потоке первичных К. л преобладают протоны, их более 90% от числа всех частиц. По отношенив к протонам -частицы составляют 7%, электроны ~ 1% и тяжёлые ядра - менее 1%. Эти цифры относятся к частицам с энергией 2,5 ГэВ/нуклон по измерениям у Земли в минимуме солнечной активности, когда наблюдаемые энергетич. спектр можно считать близким к немодулированному спектру К. л. в межзвёздном пространстве.

Интегральный энергетич. спектр К. л. align="absmiddle" width="145" height="22"> [частиц/(см 2 с)] отражает зависимость числа частиц I с энергией выше (I 0 - нормировочная константа, +1 - показатель спектра, знак минус указывает на то, что спектр имеет падающий характер, т.е. с увеличением интенсивность К. л. уменьшается). Часто пользуются также дифференциальным представлением спектра [частиц/(см 2 с МэВ)], которое отражает зависимость от числа частиц в расчёте на единичный интервал энергии (1 МэВ).

Дифференциальный спектр по сравнению с интегральным позволяет выявить более тонкие детали энергетич. распределения К. л. Это видно из рис. 2, где показан дифференциальный спектр К. л., наблюдаемый у Земли в интервале примерно от 10 6 до эВ. Частицы К. л. с энергиями, попадающими в этот интервал, подвержены влиянию солнечной активности, поэтому изучение энергетич. спектра К. л. в интервале 10 6 -10 11 эВ крайне важно для понимания проникновения К. л. из межзвёздного в межпланетное пространство, взаимодействия К. л. с межпланетным магн. полем (ММП) и , для интерпретации солнечно-земных связей.

До начала внеатмосферных и внемагнитосферных наблюдений К. л. вопрос о форме дифференциального спектра в области эВ казался довольно ясным: спектр у Земли имеет максимум вблизи 400 МэВ/нуклон; немодулированный спектр в межзвёздном пространстве должен иметь степенную форму; в межпланетном пространстве не должно быть галактич. К. л. малых энергий. Прямые измерения К. л. в интервале от 10 6 до 10 8 эВ показали, вопреки ожиданиям, что, начиная примерно с = 30 МэВ (и ниже), интенсивность К. л. снова растёт, т.е. был обнаружен характерный провал в спектре. Вероятно, провал - это результат усиленной модуляции К. л. в области эВ, где рассеяние частиц на неоднородностях ММП наиболее эффективно.

Установлено, что при эВ спектр К. л. уже не подвержен модуляции, а его наклон соответствует величине 2,7 вплоть до эВ. В этой точке спектр претерпевает излом (показатель увеличивается до =3,2-3,3). Имеются указания на то, что одновременно в составе К. л. увеличивается доля тяжёлых ядер. Однако данные о составе К. л. в этой области энергий пока весьма скудны. При align="absmiddle" width="118" height="17"> эВ спектр должен резко обрываться из-за ухода частиц в межгалактич. пространство и взаимодействия с фотонами . Поток частиц в области сверхвысоких энергий очень мал: на площадь 10 км 2 за год попадает в среднем не более одной частицы с эВ.

Для К. л. с эВ характерна высокая изотропия: с точностью до 0,1% интенсивность частиц по всем направлениям одинакова. При более высоких энергиях анизотропия растёт и в интервале эВ достигает неск. десятков % (рис. 3). Анизотропия ~ 0,1% с максимумом вблизи 19 ч звёздного времени соответствует преимущественному направлению движения К. л. вдоль силовых линий магн. поля галактич. спирального рукава, в к-ром находится Солнце. С ростом энергии частиц время максимума сдвигается к 13 ч звёздного времени, что соответствует наличию дрейфового потока К. л. с эВ из Галактики поперёк магнитных силовых линий.

4. Происхождение космических лучей

Из-за высокой изотропии К. л. наблюдения у Земли не позволяют установить, где они образуются и как распределены во Вселенной. На эти вопросы ответила радиоастрономия в связи с открытием космич. в диапазоне радиочастот Гц. Это излучение создаётся электронами очень высокой энергии при их движении в магн. поле Галактики.

Частота , на к-рой интенсивность радиоизлучения максимальна, связана с напряжённостью магн. поля Н и энергией электрона соотношением (Гц), где - питч-угол электрона (угол между вектором скорости электрона и вектором Н ). Магн. поле Галактики, измеренное неск. методами, имеет величину Э. В среднем, при Э и =0,5, эВ, т.е. радиоизлучающие электроны должны иметь такие же энергии, как и осн. масса К. л., наблюдаемых у Земли. Эти электроны, являющиеся одним из компонентов К. л., занимают протяжённую область, охватывающую всю Галактику и называемую галактич. гало. В межзвёздных магн. полях электроны движутся подобно др. заряженным частицам высокой энергии - протонам и более тяжёлым ядрам. Разница состоит лишь в том, что благодаря малой массе электроны, в отличие от более тяжёлых частиц, интенсивно излучают радиоволны и тем самым обнаруживают себя в удалённых частях Галактики, являясь индикатором К. л. вообще.

Кроме общего галактич. синхротронного радиоизлучения были обнаружены дискретные его источники: оболочки , ядро Галактики, . Естественно ожидать, что все эти объекты-источники К. л.

До начала 70-х гг. 20 в. многие исследователи считали, что К. л. с align="absmiddle" width="89" height="17"> эВ имеют в основном метагалактич. происхождение. При этом указывалось на отсутствие известных галактич. источников частиц с вплоть до 10 21 эВ и на трудности, связанные с проблемой их удержания в Галактике. В связи с открытием пульсаров (1967 г.) был рассмотрен ряд возможных механизмов ускорения до сверхвысоких энергий даже очень тяжёлых ядер. С другой стороны, полученные данные свидетельствуют о том, что наблюдаемые у Земли электроны образуются и накапливаются в Галактике. Нет никаких оснований думать, что протоны и более тяжёлые ядра ведут себя в этом отношении по-другому. Т.о., оправдывается теория галактич. происхождения К. л.

Косвенное подтверждение этой теории получено из данных о распределении по небесной сфере источников космич. гамма-излучения. Это излучение возникает за счёт распада -мезонов, к-рые образуются при столкновениях К. л. с частицами межзвёздного газа, а также вследствие тормозного излучения релятивистских электронов при их столкновениях с частицами межзвездного газа. Гамма-лучи не подвержены воздействию магн. полей, поэтому направление их прихода непосредственно указывает на источник. В отличие от наблюдаемого внутри Солнечной системы почти изотропного распределения К. л., распределение гамма-излучения по небу оказалось весьма неравномерным и подобным распределению сверхновых звёзд по галактич. долготе (рис. 4). Хорошее совпадение экспериментальных данных с ожидаемым распределением гамма-излучения по небесной сфере служит весомым доказательством того, что осн. источник К. л.- сверхновые звёзды.

Теория происхождения К. л. опирается не только на гипотезу о галактич. природе источников К. л., но и на представление о том, что К. л. длительное время удерживаются в Галактике, медленно вытекая в межгалактич. пространство. Двигаясь по прямой, К. л. покинули бы Галактику спустя неск. тысяч лет после момента генерации. В масштабах Галактики это время столь мало, что восполнить потери при такой быстрой утечке было бы невозможно. Однако в межзвёздном магн. поле с сильно запутанными силовыми линиями движение К. л. имеет сложный характер, напоминающий диффузию молекул в газе. В результате время утечки К. л. из Галактики оказывается в тысячи раз большим, чем при прямолинейном движении. Сказанное касается осн. части частиц К. л. (с эВ). Частицы с более высокой энергией, число к-рых очень мало, слабо отклоняются галактич. магн. полем и покидают Галактику сравнительно быстро. С этим, по-видимому, связан излом в спектре К. л. при эВ.

Наиболее надёжная оценка времени утечки К. л. из Галактики получается по данным об их составе. В К. л. в очень большом количестве (по сравнению со ср. распространённостью элементов) присутствуют лёгкие ядра (Li, Be, В). Они образуются из более тяжёлых ядер К. л. при столкновении последних с ядрами атомов межзвёздного газа (в основном водорода). Для того чтобы лёгкие ядра присутствовали в наблюдаемом количестве, К. л. за время их движения в Галактике должны проходить толщу межзвёздного вещества ок. 3 г/см. Согласно данным о распределении межзвёздного газа и остатков вспышек сверхновых звёзд, возраст К. л. не превышает 30 млн. лет.

В пользу сверхновых как осн. источника К. л., кроме данных радио-, рентгеновской и гамма-астрономии, говорят также оценки их энерговыделения при вспышках. Вспышки сверхновых сопровождаются выбросом огромных масс газа, образующих вокруг взрывающейся звезды большую ярко светящуюся и расширяющуюся оболочку (туманность). Полная энергия взрыва, к-рая уходит на излучение и кинетич. энергию разлёта газа, может достигать 10 51 -10 52 эрг. В нашей Галактике, по последним данным, сверхновые вспыхивают в среднем не реже одного раза в 100 лет. Если отнести энергию вспышки 10 51 эрг к этому промежутку времени, то ср. мощность вспышек составит ок. эрг/с. С другой стороны, для поддержания совр. плотности энергии К. л. ок. 1 эВ/см мощность источников К. л. при ср. времени жизни К. л. в Галактике лет должна быть не меньше 10 40 эрг/с. Отсюда следует, что для поддержания плотности энергии К. л. на совр. уровне достаточно, чтобы им было передано всего неск. % мощности вспышки сверхновой. Однако радиоастрономия позволяет непосредственно обнаружить только радиоизлучающие электроны. Поэтому ещё нельзя окончательно утверждать (хотя это представляется вполне естественным, особенно в свете достижений гамма-астрономии) , что при вспышках сверхновых генерируется также достаточное количество протонов и более тяжёлых ядер. В связи с этим не потеряли значения поиски и др. возможных источников К. л. Большой интерес в этом отношении представляют пульсары (где, по-видимому, возможно ускорение частиц до сверхвысоких энергий) и область галактич. ядра (где возможны взрывные процессы гораздо большей мощности, чем взрывы сверхновых). Однако мощность генерации К. л. галактич. ядром не превосходит, по-видимому, суммарной мощности их генерации при вспышках сверхновых. Кроме того, большая часть К. л., образованных в ядре, покинет диск Галактики раньше, чем достигнет окрестностей Солнца. Т.о., можно считать, что вспышки сверхновых явл. главным, хотя и не единственным источником К. л.

5. Механизмы ускорения космических лучей

Вопрос о возможных механизмах ускорения частиц до энергий ~ 10 21 эВ в деталях ещё далёк от окончат. решения. Однако в общих чертах природа процесса ускорения уже ясна. В обычном (неионизованном) газе перераспределение энергии между частицами происходит за счёт их столкновений между собой. В разреженной космич. плазме столкновения между заряженными частицами играют очень малую роль, а изменение энергии (ускорение или замедление) отдельной частицы обусловлено её взаимодействием с эл.-магн. полями, возникающими при движении всех окружающих её частиц плазмы.

В обычных условиях число частиц с энергией, заметно превышающей ср. энергию теплового движения частиц плазмы, ничтожно мало. Поэтому ускорение частиц должно начинаться практически от тепловых энергий. В космич. плазме (электрически нейтральной) не могут существовать сколько-нибудь значительные электростатич. поля, к-рые могли бы ускорять заряженные частицы за счёт разности потенциалов между точками поля. Однако в плазме могут возникать электрич. поля импульсного или индукционного характера. Импульсные электрич. поля появляются, напр., при разрыве нейтрального токового слоя, возникающего в области coприкосновения магн. полей противоположной полярности (см. ). Индукционное электрич. поле появляется при увеличении напряжённости магн. поля со временем (бетатронный эффект). Кроме импульсных полей начальная стадия ускорения может быть обусловлена взаимодействием ускоряемых частиц с электрическими полями плазменных волн в областях с интенсивным турбулентным движением плазмы.

В космосе, по-видимому, существует иерархия ускорительных механизмов, к-рые работают в различных комбинациях или в различной последовательности в зависимости от конкретных условий в области ускорения. Ускорение импульсным электрич. полем или плазменной турбулентностью способствует последующему ускорению индукционным (бетатронным) механизмом или мeханизмом Ферми.

Нек-рые особенности процесса ускорения частиц в космосе связаны с поведением плазмы в магн. поле. Космич. магн. поля существуют в больших объёмах пространства. Частица с зарядом Ze и импульсом p движется в магн. поле H по искривлённой траектории с мгновенным радиусом кривизны
,
где R = cp/Ze - магн. жёсткость частиц (измеряется в вольтах), - питч-угол частицы. Если поле мало изменяется на расстояниях, сравнимых с величиной , то траектория частицы имеет вид винтовой линии, навивающейся на силовую линию магн. поля. При этом силовые линии поля как бы прикреплены к плазме (вморожены в плазму) - смещение любого участка плазмы вызывает соответствующее смещение и деформацию силовых линий магн. поля, и наоборот. Если в плазме возбуждены достаточно интенсивные движения (такая ситуация возникает, напр., в результате взрыва сверхновой), то имеется много таких беспорядочно движущихся участков плазмы. Для наглядности их удобно рассматривать как отдельные плазменные облака, движущиеся друг относительно друга с большими скоростями. Осн. масса частиц плазмы удерживается в облаках и движется вместе с ними. Однако небольшое число частиц высокой энергии, для к-рых радиус кривизны траектории в магн. поле плазмы сравним с размером облака или превышает его, попадая в облако, не остаётся в нём. Эти частицы лишь отклоняются магн. полем облака, происходит как бы столкновение частицы с облаком в целом и рассеяние частиц на нём (рис. 5). В таких условиях частица эффективно обменивается энергией сразу со всем облаком. Но кинетич. энергия облака очень велика и в принципе энергия ускоряемой т.о. частицы может расти неограниченно, пока частица не покинет область с интенсивными движениями плазмы. Такова суть статистич. механизма ускорения, предложенного Э. Ферми в 1949 г. Аналогично происходит ускорение частиц при их взаимодействии с мощными ударными волнами (напр., в межпланетном пространстве), в частности при сближении двух ударных волн, образующих отражающие магн. "зеркала" (или "стенки") для ускоряемых частиц.

Все механизмы ускорения приводят к спектру К. л., в к-ром с ростом энергии число частиц убывает. На этом сходство механизмов кончается. Несмотря на интенсивные теоретич. и экспериментальные исследования, пока не найдено универсального механизма ускорения или комбинации механизмов, к-рые могли бы объяснить все особенности спектра и зарядового состава К. л. В случае, напр., импульсного электрич. поля Е скорость приращения жёсткости R определяется соотношением dR/dt = сЕ , т.е. не зависит от первоначальной магн. жёсткости частиц. При этом ускоряются все частицы в области действия поля E , их состав будет отражать состав исходной плазмы, а спектр иметь вид D(R) ~ exp-(R/R 0), где R 0 - характеристическая жёсткость спектра.

При ускорении плазменными волнами могут ускоряться частицы с энергией лишь в неск. раз больше тепловой. Число таких частиц не слишком мало, но условия ускорения будут существенно зависеть от сорта частиц, что должно вести к сильному изменению их состава по сравнению с составом исходной плазмы. Спектр ускоренных протонов, однако, и в этом случае может быть ~ exp-(R/R 0).

Бетатронный механизм, в основе к-рого лежит сохранение адиабатич. инварианта движения частицы = const, даёт степенной спектр и не избирателен по отношению к сорту частиц, но его эффективность пропорциональна магн. жёсткости частицы (dR/dt ~ R ), т.е. для его действия необходимо предварительное ускорение (инжекция).

Механизм ускорения Ферми даёт степенной энергетич. спектр , однако он избирателен по отношению к сорту частиц. Ускорение ударными волнами в космич. плазме также приводит к степенному энергетич. спектру, причём теоретич. расчёты дают показатель =2,5, что довольно хорошо соответствует наблюдаемой форме спектра К. л. Т.о., теория ускорения, к сожалению, допускает неоднозначный подход к интерпретации наблюдаемых спектров ускоренных частиц (в частности, солнечных К. л.).

Процессы ускорения импульсными электрич. полями вблизи нулевых линий магн. поля наблюдаются во время вспышек на Солнце, когда в течение неск. мин появляются частицы, ускоренные до энергии в неск. ГэВ. Вблизи пульсаров, в оболочках сверхновых звёзд в Галактике, а также во внегалактич. объектах - радиогалактиках и квазарах - этот процесс также может играть роль осн. механизма ускорения или, по крайней мере, роль инжектора. В последнем случае инжектируемые частицы ускоряются до макс. наблюдаемых в К. л. энергий в результате взаимодействий с волнами и с неоднородностями магн. поля в турбулентной плазме.

Наблюдения в различных масштабах (Галактика, Солнце, магнитосфера Земли и т.д.) показывают, что ускорение частиц происходит в космич. плазме всюду, где имеются достаточно интенсивные неоднородные движения и магн. поля. Однако в большом количестве и до очень больших энергий частицы могут ускоряться только там, где плазме сообщается очень большая кинетич. энергия. Это как раз и происходит в таких грандиозных космич. процессах, как вспышки сверхновых звёзд, активность радиогалактик и квазаров.

Наряду с огромной ролью К. л. в астрофизич. процессах, необходимо отметить их значение для изучения далёкого прошлого Земли (изменений климата, эволюции биосферы и т.д.) и для решения некоторых практич. задач современности (обеспечение радиац. безопасности космонавтов, оценка возможного вклада К. л. в метеоэффекты и т.п.).

Лит.:
Гинзбург В.Л., Сыроватский С.И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Мирошниченко Л.И., Космические лучи в межпланетном пространстве, М., 1973; Дорман Л.И., Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей, М., 1975; Топтыгин И, Н., Космические лучи в межпланетных магнитных полях, М., 1983.

(Л.И. Мирошниченко )

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.

рис. Космические лучи

Космические лучи - это поток заряженных частиц, движущихся в Галактике с чудовищными скоростями. Это главным образом ядра обычных химических элементов, по-видимому, возникающие в результате взрывов сверхновых звезд, движение которых по галактическим маршрутам регулируется слабыми магнитными полями, пронизывающими нашу Галактику. Космические лучи - это неотъемлемая часть межзвездной среды, и в них заключена значительная доля общей ее энергии. Когда мы прослеживаем пути космических лучей, регистрируя их с помощью специальных толстослойных фотографических эмульсий, мы действительно регистрируем захват частицы, дошедшей до нас из межзвездного пространства. В наши дни космические лучи - это единственные известные частицы, пришедшие из-за пределов Солнечной системы, с которыми мы можем иметь прямой контакт. По одной лишь этой причине они заслуживают тщательного исследования.

Открытие космических лучей

Космические лучи, которым удалось достичь Земли, пройдя сквозь толщу атмосферы, подверглись воздействию магнитного поля Земли и возможных межпланетных полей. Они также испытали действие солнечного ветра - потока частиц, выбрасываемых в пространство солнечной атмосферой. Космические лучи были впервые зарегистрированы около 60 лет назад благодаря ионизационным эффектам, которые они вызывают в ионизационных камерах. Информацию о направлениях, по которым приходят космические лучи, можно получить, проследив воздействие одной единственной заряженной частицы на цепочку соответствующим образом установленных ионизационных камер. Учеными установлено, что земная атмосфера сильно влияет на все частицы, кроме тех, которые обладают наибольшей энергией, и что на Земле регистрируются потоки вторичных космических лучей - «атмосферные ливни»,- возникающие в результате взаимодействия космических частиц высоких энергий с атомами верхних слоев атмосферы.

фото: наземная гамма обсерватория VERITAS для регистрации космического излучения

Всесторонние научные исследования позволили изучать свойства заряженных частиц, входящих в состав космических лучей. Легко были отождествлены самые распространенные их компоненты: ядра атомов водорода, протоны, и ядра атомов гелия, альфа частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Но вскоре стало ясно, что присутствуют также ядра более тяжелых элементов, в частности ядра атомов железа с атомным номером Z = 26. Не так давно при помощи современных методов «проявления следов» удалось проследить пути частиц в метеоритах, что позволило обнаружить в космических лучах элементы тяжелее железа. Самым тяжелым ядром из ныне обнаруженных является ядро с атомным номером Z = 106, т. е. трансурановое ядро.

Влияние магнитного поля Земли на заряженные частицы из космоса

Магнитное поле Земли воздействует на частицы космических лучей в такой степени, что становится очень трудно проследить первоначальное направление до входа в магнитосферу Земли всех частиц, кроме тех, которые обладают наибольшими энергиями. Кроме того, взаимодействие частиц космических лучей и газов верхних слоев атмосферы создает вторичные эффекты в виде ливней ионизованных частиц. Магнитное поле Земли и ее атмосфера - это надежный щит, защищающий нас от космических лучей! Огромную помощь в изучении космических лучей до их вторжения в атмосферу Земли и до воздействия на них земного магнитного поля оказывают искусственные спутники. Чрезвычайно важная задача будущего - проводить исследование на космических аппаратах за пределами внутренней области Солнечной системы.

Природа космического излучения

Ученые выяснили, что наибольшая часть космических лучей, причем с наименьшими энергиями, имеет солнечное происхождение, но главный вклад вносят космические лучи, приходящие из и обладающие высокими энергиями. Возможно, что некоторая доля космических лучей - это посланцы других галактик. Сейчас считают, что наиболее вероятным источником космических лучей в Галактике являются взрывы сверхновых.

фото: Вспышка сверхновой - источник галактического излучения

Как мы отмечали, главными компонентами космических лучей являются протоны и альфа-частицы. За ними идут элементы с атомными номерами Z = 30 и больше, особенно группа железа. Интересно также, что среди частиц космических лучей встречаются и электроны. Нелегко отделить истинные космические электроны от электронов, образовавшихся в солнечном ветре и в результате вторичных эффектов в земной атмосфере. Наблюдения с искусственных спутников в периоды минимума солнечной активности позволяют получить наилучшие данные о свободных электронах в межзвездном и межпланетном пространстве. Результаты исследования космических лучей позволили нам узнать много нового и интересного об относительном распределении химических элементов и их распространенности в межзвездном пространстве.

Гипотеза сверхновых

В последние годы специалисты по космическим лучам много спорили о том, возникают ли космические лучи в нашей Галактике или за ее пределами. В целом представляется, что одерживают верх сторонники галактического происхождения космических лучей. Наибольшее внимание привлекла гипотеза, выдвинутая советскими учеными В. Л. Гинзбургом, В. Н. Сыроватским и поддержанная И. С. Шкловским, согласно которой космические лучи возникают при взрывах сверхновых звезд в нашей Галактике. В , происходит 2- 3 взрыва сверхновых в столетие. Энергия, освобождающаяся при каждом таком взрыве, колоссальна, и тот факт, что известные остатки вспышек сверхновых, например Крабовидная туманность, являются источниками синхротронного радиоизлучения, указывает на присутствие вокруг них крупномасштабных магнитных полей. Ядра атомов, выбрасываемые в космическое пространство в качестве побочных продуктов взрыва сверхновых звезд, ускоряются этими магнитными полями, что позволяет понять высокие энергии частиц космических лучей.

Можно не сомневаться в том, что космические лучи в больших количествах не могут приходить к нам от далеких галактик, находящихся на расстояниях нескольких миллиардов парсек. Гипотеза сверхновых обеспечивает постоянный приток частиц с примерно требуемой энергией. Именно поэтому представляется вполне разумным искать источник космических лучей в самых грандиозных явлениях, происходящих в нашей Галактике - взрывах сверхновых.

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

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

Основные сведения

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

Физика космических лучей изучает:

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

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

Классификация по происхождению космических лучей:

• в Галактике
• в межпланетном пространстве

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

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

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

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

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

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

История физики космических лучей

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

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

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

Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве

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

Галактические космические лучи (ГКЛ)

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

Вторичные частицы в магнитосфере Земли: радиационный пояс, частицы альбедо

Космические лучи ультравысоких энергий

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

Регистрация космических лучей

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

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