Космические лучи близко к земле сегодня: Космические лучи и нейтрино экстремально высоких энергий, вероятно, родом из одного места

Космические лучи и исследование космоса

Анна Урысон
«Квант» №7, 2020

Что такое космические лучи

Космические лучи — это элементарные частицы (протоны, электроны) и ядра атомов, которые летят к нам из космоса. В космических лучах были зарегистрированы частицы очень больших энергий — до 48 Дж. На ускорителях такие энергии недостижимы. Нужно сказать, что физики обычно используют для указания энергии не джоуль, а другую единицу — электронвольт (эВ). В этих единицах максимальная энергия, зарегистрированная у частиц космических лучей, равна 3·10²⁰ эВ. А весь диапазон энергий космических частиц чрезвычайно широк: от 10⁶ эВ до 3·10²⁰ эВ. Космические лучи даже самых низких энергий летят с гигантскими скоростями, почти со скоростью света.

Откуда берутся космические лучи?

Частицы с энергией ниже 2·10¹⁰ эВ поставляются Солнцем, и они называются солнечными космическими лучами. Частицы более высоких энергий, вплоть до 10¹⁷–10¹⁸ эВ, рождаются в Галактике во взрывах сверхновых, и они называются галактическими космическими лучами. Частицы еще больших энергий, выше 10¹⁹ эВ, называются космическими лучами ультравысоких энергий. В этом названии нет информации о происхождении частиц, а только указывается их энергетический диапазон. Причина в том, что происхождение космических лучей ультравысоких энергий до сих пор не выяснено.

Как исследуют космические лучи ультравысоких энергий? Их регистрируют детекторы на наземных установках, а затем при помощи пакетов специальных программ определяются энергии частиц, направления их прихода и другие характеристики. Теперь, дополнительно к этому способу, данные о космических лучах получают, используя приборы, размещенные на борту спутников.

Где же находятся те природные ускорители, в которых частицы космических лучей получают такую огромную энергию? После многолетних исследований выяснилось следующее. Во-первых, природные ускорители расположены вне нашей галактики Млечный Путь, а во-вторых, их можно исследовать астрономическими методами.

За пределами Млечного Пути.

Активные ядра галактик

Млечный Путь — лишь одна из многочисленных галактик нашей Вселенной. Галактики различаются по внешнему виду, по размеру, по интенсивности звездообразования, по соотношению старых и молодых звезд. По этим признакам их и классифицируют астрономы. Но галактики различаются еще и характеристиками своей центральной части (это тоже важный признак для классификации галактик). Центральная часть отличается от других областей галактики повышенной концентрацией звезд и межзвездного вещества — газа и пыли. Эта часть галактики компактна. Ее называют ядром галактики. Причиной сгущения вещества в ядре галактики является гравитация. Однако не у всех галактик есть ядра. Их нет у небольших по массе галактик, так как там недостаточно гравитации для сгущения вещества в центре.

В большинстве галактик основная часть энергии излучается звездами, и излучение галактического ядра — это тоже излучение составляющих его звезд. Такие галактические ядра называются стационарными или неактивными.

Но существует небольшое количество галактик, в которых из ядра вырывается огромный поток энергии, как если бы в центре галактики светило сто миллионов или даже сто миллиардов Солнц. Излучение из ядра переменное — оно резко уменьшается и потом резко возрастает, причем за короткий промежуток времени (часы, месяцы, годы). При этом энергия ядра излучается в различных диапазонах — радио-, рентгеновском, ультрафиолетовом, инфракрасном и гамма-диапазоне. Из ядра выбрасываются порции плазмы, вблизи него быстро движутся облака газа. Эти процессы невозможно объяснить высокой плотностью звезд и межзвездного вещества. Такие ядра называются активными или нестационарными.

Галактик с активными ядрами немного, примерно 1% от общего количества галактик. Их подразделяют на несколько типов в зависимости от того, как проявляется активность ядра. Например, самым мощным излучением обладают квазары, галактики с мощным радиоизлучением из ядра называются радиогалактиками.

Мы не будем касаться классификации активных ядер, так как она не важна для нашего исследования. А суть его состоит в следующем. Поскольку в активных галактических ядрах выделяется огромное количество энергии, то там, возможно, и протекают процессы, в которых космические лучи приобретают ультравысокие энергии. Вылетев из области, где частицы ускорялись, космические лучи покидают пределы своей галактики и, преодолев огромные расстояния в космосе, достигают Земли. Можно ли исследовать активные ядра, регистрируя на Земле эти космические лучи, пусть частицы и проделали гигантский путь в космосе?

В этом исследовании важно ответить на такие вопросы: откуда в активных галактических ядрах берется колоссальная энергия; как там ускоряются частицы; что происходит с частицами, когда они летят в межгалактическом пространстве.

Что является источником энергии активного галактического ядра

В настоящее время доминирует гипотеза, что активность ядра обусловлена сверхмассивной черной дырой в центре галактики.

Черная дыра — это объект с такой сильной гравитацией, что из него не может вырваться даже свет. Как это может быть? Для того чтобы преодолеть силу притяжения небесного тела, тела должны иметь вторую космическую скорость. Для черных дыр вторая космическая скорость больше скорости света. Но в природе ничто не движется быстрее света, поэтому из черных дыр ничего не выходит наружу. Так как из них не выходит даже свет, черные дыры — темные, они невидимы для наблюдателя.

На больших расстояниях от черной дыры ее притяжение очень мало и не отличается от притяжения звезд. Лишь начиная с какого-то расстояния, все, попавшее в гравитационное поле черной дыры, «сваливается» в нее и уже не может выйти наружу. Граница, отделяющая ту область вокруг черной дыры, из которой ничего не возвращается, называется горизонтом черной дыры, или горизонтом событий. Никакие сигналы или тела, находящиеся внутри горизонта событий, не могут выйти из черной дыры.

Если масса \(M\) черной дыры составляет не менее 10⁵ масс Солнца \(M_{\odot}\), то такая дыра называется сверхмассивной. В ядрах галактик наблюдаются признаки черных дыр с \(M\approx\left(10^5\unicode{x2013} 10^{11}\right)\cdot M_{\odot}\).

Аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры

Под действием тяготения на черную дыру падает вещество из окружающего пространства. Это вещество составляют звезды, оказавшиеся слишком близко от черной дыры и затянутые ее гравитационным полем, газ и пыль из межзвездной среды, а также вещество, захваченное с поверхности соседних звезд.

В гравитационном поле черной дыры потенциальная энергия падающего вещества преобразуется в кинетическую, и вещество разгоняется до огромных скоростей, сравнимых со скоростью света. Из-за того, что звезды обращаются по орбитам, вещество падает на черную дыру не вертикально, а закручиваясь, образуя вокруг черной дыры плотный и горячий диск — так называемый аккреционный диск.

Слои газа в диске движутся вокруг центра в одном направлении, но с разными скоростями — чем ближе к центру, тем выше скорости. Поэтому между слоями газа возникает трение, и оно превращает кинетическую энергию газа в тепло. В результате диск разогревается до такой высокой температуры, что светится в радио-, инфракрасном и оптическом диапазонах, в рентгеновском свете и гамма-лучах.

Газ в аккреционном диске не только вращается, но и медленно перемещается по радиусу к центру. Скорость этого движения зависит от характеристик диска — массы и температуры. В некоторых аккреционных дисках радиальное перемещение газа к центру приводит к тому, что по оси диска перпендикулярно его плоскости выбрасываются массы вещества. Они формируются в узкие прерывистые струи, или джеты (от английского jet — «струя»). Сверхмассивная черная дыра с аккреционным диском и джетами изображена на рисунке в начале статьи.

У аккреционного диска есть магнитное поле. Оно образует магнитосферу вокруг черной дыры. О том, почему в аккреционном диске существует магнитное поле, рассказывается в приложении «Магнитное поле аккреционного диска».

Ускорение частиц вблизи сверхмассивных черных дыр

Вблизи сверхмассивных черных дыр имеется три зоны, где может происходить ускорение частиц. Это магнитосфера черной дыры, аккреционный диск и джет. В каждой зоне частицы ускоряются своими способами. {-\alpha}\), показатель степени \(\alpha\approx(2{,}2\unicode{x2013}2{,}5)\). Спектр такого вида называется степенным (или экспоненциальным). Чем выше энергия, тем быстрее уменьшается число частиц с ростом энергии.

Когда частицы ускоряются в аккреционном диске, их энергетический спектр тоже степенной, но показатель степени другой: \(\alpha\approx(0\unicode{x2013}2{,}1)\). Показатель степени 0 — это вариант ускорения, когда при любых энергиях число частиц в одинаковых интервалах энергии одинаковое.

Степенные энергетические спектры с разными показателями \(\alpha_1\) и \(\alpha_2\) (\(\alpha_1<\alpha_2\)) схематически показаны на рисунке 1.

Когда частицы ускоряются в магнитосфере черной дыры, почти все они набирают примерно одну и ту же энергию. Такой энергетический спектр называется моноэнергетическим, он показан на рисунке 2.

Итак, космические лучи, ускоренные в разных зонах, имеют разные энергетические спектры.

Самый простой ход мысли дальше мог бы быть таким. Измерим энергетический спектр космических лучей на Земле и сравним его с теоретическими спектрами (изображенными на рисунках 1, 2). Выясним, с каким из них совпадает измеренный спектр, и найдем, где ускорялись космические лучи. Так мы «заглянем» в окрестности черной дыры и увидим, как там ускоряются частицы.

Но этот простой ход мысли неверный, и вот почему.

Что происходит с космическими лучами, когда они летят во Вселенной

Покинув свой «ускоритель» — активное ядро галактики, космические лучи затем вылетают из своей галактики. Те из частиц, которые достигают Земли, преодолевают расстояния в десятки и сотни миллионов световых лет. Это огромные расстояния. Их проходят за десятки и сотни миллионов лет фотоны, а они летят с самой большой скоростью в природе.

Что происходит с космическими лучами, когда они летят во Вселенной? Галактики распределены во Вселенной редко, на больших расстояниях друг от друга, и их размеры очень малы по вселенским масштабам. Поэтому весь или практически весь путь космических лучей пролегает по межгалактическому пространству.

Глаз, не вооруженный приборами, воспринимает межгалактическое пространство как абсолютно пустое и темное. Но это не так. В межгалактическом пространстве летят фотоны разных энергий. Одни из них излучены звездами в галактиках. Другие остались от времен рождения Вселенной, и эти фотоны так и называются — реликтовые. (Есть в межгалактическом пространстве молекулы газа и пыли и магнитные поля, но о них мы рассказывать не будем.) Космические частицы взаимодействуют с фотонами, и это приводит к двум эффектам.

Первый эффект — это изменение исходной формы спектра космических лучей, а именно: в спектре у Земли по сравнению с исходным спектром не достает частиц самых высоких энергий, около 10²⁰ эВ и выше. Происходит это по следующей причине.

Когда космические лучи самых высоких энергий летят на Землю с достаточно больших расстояний, они на длинном пути успевают взаимодействовать с реликтовыми фотонами. В этих взаимодействиях космические лучи теряют энергию на рождение других элементарных частиц. А космические лучи меньших энергий практически не взаимодействуют с реликтовыми фотонами, так как их энергии недостаточно для производства других частиц. Потратив часть энергии во Вселенной, частицы ультравысоких энергий переходят в ряды космических лучей с меньшими энергиями. В результате их энергетический спектр изменяется по сравнению с исходным спектром.

Значит, чтобы ответить на вопрос, где вблизи сверхмассивной черной дыры ускоряются частицы, недостаточно сопоставлять измеренный спектр космических лучей с теоретическими исходными спектрами.

Но пролет космических лучей по межгалактическому пространству приводит к еще одному эффекту. Он состоит в следующем. Элементарные частицы, которые рождаются во взаимодействиях частиц с реликтовыми фотонами, живут недолго и дают начало электронам, позитронам и квантам. Они в свою очередь взаимодействуют с фотонами, порождая новые и новые электроны, позитроны и кванты. Число частиц растет лавинообразно, и в космосе возникает гигантский каскад из частиц, которые продолжают взаимодействовать с межгалактическими фотонами. Частицы в каскаде расходятся настолько далеко друг от друга, что расстояние между ними превышает размеры Солнечной системы. (Рожденные элементарные частицы дают начало и нейтрино, но они летят по Вселенной, не взаимодействуя.)

Рождение межгалактических каскадов — это второй эффект, появляющийся в результате взаимодействий космических лучей с фотонами в космосе.

Для нашего исследования наибольший интерес представляют каскадные кванты. Кроме них в межгалактическом пространстве существуют фотоны различных энергий, и все эти фотоны и кванты составляют внегалактический фон. Его измеряют приборами, размещенными на борту спутников. Основная часть внегалактического фона — это излучение отдельных источников, которые находятся так далеко от нас или же так слабы, что не видны приборами. Возможно, что во внегалактический фон вносят вклад и другие процессы. Например, частицы темной материи, распадаясь, тоже дают начало квантам. Исследуя внегалактический фон, можно определить его компоненты и долю в нем каскадного излучения.

Оказывается, что доля каскадного излучения зависит от того, в какой зоне сверхмассивной черной дыры ускорялись космические лучи. А зная и каскадное излучение, и спектр космических лучей на Земле, можно выяснить, где и как были ускорены частицы. (Напомним, что в каждой зоне они ускоряются своим способом.)

Теперь физики исследуют частицы ультравысоких энергий на Земле и в космосе. Спектр космических лучей измеряют на Земле, а внегалактический фон — в космосе. Анализируя данные этих измерений, физики исследуют процессы в окрестности сверхмассивных черных дыр.

Заключение

Космические лучи были открыты более ста лет назад, в 1910-х годах. Много лет ушло на понимание взаимодействий космических лучей с земной атмосферой, понимание того, что частицы разных энергий имеют разное происхождение: космические лучи низких энергий выбрасываются Солнцем, более энергичные рождаются в нашей Галактике.

Ученые предполагают, что источники космических лучей ультравысоких энергий — это активные ядра галактик. В их центрах находятся сверхмассивные черные дыры, в окрестности которых частицы приобретают огромную энергию.

Исследование этих источников космических лучей требует создания новых приборов для измерений в космосе. Оно требует понимания, какие процессы возможны в активных ядрах галактик и в межгалактическом пространстве. Для моделирования этих процессов требуются усовершенствованные компьютеры.

Мы не сможем попасть в окрестность сверхмассивной черной дыры и непосредственно исследовать протекающие там процессы. Уточнить понимание того, что там происходит, помогает изучение космических лучей и внегалактического излучения, компьютерное моделирование того, как ускоряются частицы и как они летят в межгалактическом пространстве, и сопоставление полученных результатов.

Приложения

Магнитное поле аккреционного диска

Межзвездный газ пронизан магнитным полем, оно присутствует во всех звездах. Почти все вещество в звездах и в межзвездной среде ионизовано и состоит преимущественно из заряженных частиц. Вследствие этого в космосе магнитное поле вморожено в среду: силовая линия магнитного поля как бы прикреплена к тем заряженным частицам, которые находились на ней в начальный момент, и когда частицы перемещаются, они увлекают линию за собой.

Газ, падающий на черную дыру и формирующий аккреционный диск, увлекает за собой магнитное поле, поэтому диск намагничивается. А если плотность газа возрастает, т. е. газ сжимается, то силовые линии сгущаются и магнитное поле усиливается. Поэтому поле аккреционного диска может быть намного больше, чем поле, пронизывающее межзвездный газ и вещество звезд.

Способы ускорения частиц вблизи сверхмассивных черных дыр

Из школьного курса физики известно, что заряженные частицы приобретают энергию в электрическом поле. (Простейший случай: частица с зарядом \(q\), пройдя расстояние \(L\) в однородном электростатическом поле с напряженностью \(E\), приобретает энергию \(\mathscr{E}=qEL\).) Этот механизм ускорения работает и в космосе. Магнитное поле в аккреционном диске неоднородно из-за неоднородной плотности газа. Диск вращается, и его магнитное поле индуцирует электрические поля как в самом диске, так и в магнитосфере черной дыры. Они и ускоряют заряженные частицы. При некоторых условиях индуцированное электрическое поле может ускорять частицы до ультравысоких энергий.

Еще один механизм ускорения частиц в космосе связан с неоднородностями магнитного поля, и в нем не участвует электрическое поле. Впервые возможность такого ускорения частиц понял и рассмотрел итальянский физик Ферми, поэтому этот механизм называется механизмом Ферми. Вблизи сверхмассивных черных дыр механизм Ферми работает в джете, который вырывается из аккреционного диска. Частицы в джете ускоряются так.

Джет сформирован из вещества аккреционного диска. В джете сгустки плазмы выбрасываются из диска по двум воронкообразным каналам вдоль его оси вращения. Толщина аккреционных дисков вокруг сверхмассивных черных дыр неодинакова, она зависит от характеристик черной дыры. В зависимости от толщины диска сгустки летят сквозь него месяцы и годы. Все это время сгустки взаимодействуют с боками канала (с веществом диска) и с излучением диска (ведь аккреционный диск ярко светится в разных диапазонах, он наполнен тепловыми, оптическими, радио- и другими фотонами). В результате взаимодействия с веществом и излучением на поверхности сгустка возбуждаются волны разных типов, в том числе ударные волны. Поясним, что это такое.

Участок поверхности сгустка испытывает удар и получает толчок. Под действием толчка участок плазмы начинает двигаться по сгустку, приводя в движение лежащие впереди плазменные слои. Граница между плазмой, движущейся вдоль сгустка, и неподвижной относительно сгустка — резкая. Она называется фронтом ударной волны. На этой границе скачком возрастают плотность, давление, температура и скорость плазмы. Ударная волна заставляет плазму в сгустке упорядоченно двигаться, а на фронте происходит интенсивное превращение энергии упорядоченного движения плазмы в энергию хаотического движения частиц. И если частица оказалась на фронте ударной волны, она приобретает энергию, т. е. ускоряется.

Что происходит дальше? Частица уносится потоком плазмы от фронта ударной волны «вниз по течению». Если частица вернется на фронт ударной волны, ее энергия увеличится еще больше. А может ли частица возвратиться? Да, и даже не один раз. Происходит это так.

В сгусток плазмы вморожено магнитное поле, оно неоднородно из-за неоднородной плотности сгустка. В некоторых областях неоднородное магнитное поле направлено так, что отклоняет летящую частицу по направлению к фронту ударной волны, и частица возвращается на фронт. Отклонение частицы пропорционально величине поля и обратно пропорционально энергии частицы — чем она больше, тем слабее отклонение. Поэтому частица возвращается на фронт ударной волны до тех пор, пока не наберет такую энергию, когда магнитные поля в сгустке уже не отклонят ее назад. Движение частицы в неоднородном магнитном поле вблизи фронта ударной волны схематически показано на рисунке 3.

При любом из этих способов ускорения частица одновременно и набирает, и теряет энергию. Энергетические потери возникают, когда частица находится в области, пронизанной магнитным полем с искривленными силовыми линиями. Дело в том, что если силовая линия изгибается, то у частицы появляется составляющая скорости, перпендикулярная магнитному полю. И тогда траектория частицы искривляется под действием силы Лоренца. Частица, которая движется по искривленной траектории, излучает энергию, и энергия самой частицы уменьшается.

Силовые линии могут быть прямолинейными, но лишь на ограниченных отрезках. И даже если частица двигалась вдоль прямой силовой линии, потери энергии все равно будут, и вот почему. Участок, где линия прямолинейна, кончается, и дальше силовая линия изгибается. А в поле с такими силовыми линиями траектория частицы искривляется, частица, двигаясь, излучает энергию и ее энергия падает.

Вблизи сверхмассивных черных дыр частицы все-таки ускоряются до ультравысоких энергий. Это показал теоретический анализ процессов, в которых частица одновременно набирает и теряет энергию.

Оба способа ускорения частиц вблизи черной дыры — посредством индуцированного электрического поля и посредством механизма Ферми — были выявлены теоретически, «на бумаге». Какой из них важнее в природе — покажут наблюдения.

У природы есть и космическая погода

В XX веке земная цивилизация незаметно переступила в своем развитии очень важный рубеж. Техносфера — область человеческой активности — расширилась далеко за пределы границ естественной среды обитания — биосферы. Эта экспансия носит как пространственный — за счет освоения космического пространства, так и качественный характер — за счет активного использования новых видов энергии и электромагнитных волн. Но все равно для инопланетян, смотрящих на нас с далекой звезды, Земля остается всего лишь песчинкой в океане плазмы, заполняющем Солнечную систему и всю Вселенную, и нашу стадию развития можно сравнить скорее с первыми шагами ребенка, чем с достижением зрелости. Новый мир, открывшийся человечеству, не менее сложен и, как, впрочем, и на Земле, далеко не всегда дружественен. При его освоении не обошлось без потерь и ошибок, но мы постепенно учимся распознавать новые опасности и преодолевать их. А опасностей этих немало. Это и радиационный фон в верхних слоях атмосферы, и потеря связи со спутниками, самолетами и наземными станциями, и даже катастрофические аварии на линиях связи и электропередач, происходящие во время мощных магнитных бурь.

Солнце — это наше всё

Рентгеновские снимки солнечной короны, постоянно наблюдаемой спутником SOHO, после солнечной вспышки покрываются многочисленными белыми точками.

В реальном магнитном поле внутренней магнитосферы Земли электроны высокой энергии наиболее надежно удерживаются во внешнем радиационном поясе (1), а протоны — во внутреннем (2).

В геомагнитном поле заряженные частицы с определенными скоростями могут захватываться в так называемые ‘магнитные бутылки’.

Эффекты, связанные с солнечной и геомагнитной активностью, наиболее сильно проявляются в приполярных районах Земли.

Число аварий в энергосетях США в районах повышенного риска (близких к авроральной зоне) возрастает вслед за уровнем геомагнитной активности.

Изменение солнечной активности влияет на живую природу. На срезе ствола сосны хорошо видно, что ширина годичных колец и, следовательно, скорость роста дерева меняются с периодом около одиннадцати лет.

Солнечная активность, выраженная среднемесячными числами Вольфа, имеет характерную цикличность, но величины максимумов и периодичность не были постоянны в течение последних 400 лет.

‹

›

Открыть в полном размере

Солнце поистине является центром нашего мира. Миллиарды лет оно удерживает планеты около себя и обогревает их. Земля остро чувствует изменения солнечной активности, проявляющиеся в настоящее время главным образом в виде 11-летних циклов. Во время всплесков активности, учащающихся в максимумах цикла, в короне Солнца рождаются интенсивные потоки рентгеновского излучения и энергичных заряженных частиц — солнечных космических лучей, а также происходят выбросы огромных масс плазмы и магнитного поля (магнитных облаков) в межпланетное пространство. Хотя магнитосфера и атмосфера Земли довольно надежно защищают все живое от прямого воздействия солнечных частиц и излучений, многие создания рук человеческих, например радиоэлектроника, авиационная и космическая техника, линии связи и электропередач, трубопроводы, оказываются очень чувствительны к электромагнитному и корпускулярному воздействию, приходящему из околоземного космического пространства. Мы уже рассказывали о том, как устроена магнитосфера Земли и как околоземное пространство реагирует на солнечную активность (см. «Наука и жизнь» № 7, 2001 г.). Познакомимся теперь с наиболее практически важными проявлениями солнечной и геомагнитной активности, часто называемыми «космическая погода».

Опасно! Радиация!

Пожалуй, одним из наиболее ярких проявлений враждебности космического пространства к человеку и его творениям, кроме, конечно, почти полного по земным меркам вакуума, является радиация — электроны, протоны и более тяжелые ядра, разогнанные до огромных скоростей и способные разрушать органические и неорганические молекулы. О вреде, который радиация наносит живым существам, хорошо известно, но достаточно большая доза облучения (то есть количество энергии, поглощенной веществом и пошедшей на его физическое и химическое разрушение) может выводить из строя и радиоэлектронные системы. Электроника страдает также и от «единичных сбоев», когда частицы особо высокой энергии, проникая глубоко внутрь электронной микросхемы, изменяют электрическое состояние ее элементов, сбивая ячейки памяти и вызывая фальшивые срабатывания. Чем сложнее и современнее микросхема, тем меньше размеры каждого элемента и тем больше вероятность сбоев, которые могут привести к ее неправильной работе и даже к остановке процессора. Эта ситуация по своим последствиям схожа с внезапным зависанием компьютера в разгар набора текста, с той лишь разницей, что аппаратура спутников, вообще говоря, предназначена для автоматической работы. Для исправления ошибки приходится ждать следующего сеанса связи с Землей при условии, что спутник будет способен выйти на связь.

Первые следы радиации космического происхождения на Земле были обнаружены австрийцем Виктором Гессом еще в 1912 году. Позднее, в 1936 году, за это открытие он получил Нобелевскую премию. Атмосфера эффективно защищает нас от космического излучения: поверхности Земли достигает совсем не много так называемых галактических космических лучей с энергиями выше нескольких гигаэлектронвольт, рожденных за пределами Солнечной системы. Поэтому изучение энергичных частиц за пределами атмосферы Земли сразу стало одной из основных научных задач космической эры. Первый эксперимент по измерению их энергии был поставлен группой советского исследователя Сергея Вернова в 1957 году. Действительность превзошла все ожидания — приборы зашкалило. Спустя год руководитель аналогичного американского эксперимента Джеймс Ван Аллен понял, что это не сбой в работе прибора, а реально существующие мощнейшие потоки заряженных частиц, не относящихся к галактическим лучам. Энергия этих частиц недостаточно велика, чтобы они могли достигать поверхности Земли, но в космосе этот «недостаток» с лихвой компенсируется их количеством. Основным источником радиации в окрестностях Земли оказались высокоэнергичные заряженные частицы, «живущие» во внутренней магнитосфере Земли, в так называемых радиационных поясах.

Известно, что почти дипольное магнитное поле внутренней магнитосферы Земли создает особые зоны «магнитных бутылок», в которых заряженные частицы могут «захватываться» на длительное время, вращаясь вокруг силовых линий. При этом частицы периодически отражаются от околоземных концов силовой линии (где магнитное поле увеличивается) и медленно дрейфуют вокруг Земли по окружности. В наиболее мощном внутреннем радиационном поясе хорошо удерживаются протоны с энергиями вплоть до сотен мегаэлектронвольт. Дозы облучения, которые можно получить при его пролете, настолько велики, что долго в нем рискуют держать только научно-исследовательские спутники. Пилотируемые корабли прячутся на более низких орбитах, а большинство спутников связи и навигационных космических аппаратов находится на орбитах выше этого пояса. Наиболее близко к Земле внутренний пояс подходит в точках отражения. Из-за наличия магнитных аномалий (отклонений геомагнитного поля от идеального диполя) в тех местах, где поле ослаблено (над так называемой бразильской аномалией), частицы достигают высот 200-300 километров, а в тех, где оно усилено (над восточно-сибирской аномалией), — 600 километров. Над экватором пояс отстоит от Земли на 1500 километров. Сам по себе внутренний пояс довольно стабилен, но во время магнитных бурь, когда геомагнитное поле ослабевает, его условная граница спускается еще ближе к Земле. Поэтому положение пояса и степень солнечной и геомагнитной активности
обязательно учитываются при планировании полетов космонавтов и астронавтов, работающих на орбитах высотой 300-400 километров.

Во внешнем радиационном поясе наиболее эффективно удерживаются энергичные электроны. «Население» этого пояса очень нестабильно и многократно возрастает во время магнитных бурь за счет вброса плазмы из внешней магнитосферы. К сожалению, именно по внешней периферии этого пояса проходит геостационарная орбита, незаменимая для размещения спутников связи: спутник на ней неподвижно «висит» над одной точкой земного шара (ее высота около 42 тысяч километров). Поскольку радиационная доза, создаваемая электронами, не столь велика, то на первый план выходит проблема электризации спутников. Дело в том, что любой объект, погруженный в плазму, должен находиться с ней в электрическом равновесии. Поэтому он поглощает некоторое количество электронов, приобретая отрицательный заряд и соответствующий «плавающий» потенциал, примерно равный температуре электронов, выраженной в электронвольтах. Появляющиеся во время магнитных бурь облака горячих (до сотен килоэлектрон вольт) электронов придают спутникам дополнительный и неравномерно распределенный, из-за различия электрических характеристик элементов поверхности, отрицательный заряд. Разности потенциалов между соседними деталями спутников могут достигать десятков киловольт, провоцируя спонтанные электрические разряды, выводящие из строя электрооборудование. Наиболее известным следствием такого явления стала поломка во время одной из магнитных бурь 1997 года американского спутника TELSTAR, оставившая значительную часть территории США без пейджерной связи. Поскольку геостационарные спутники обычно рассчитаны на 10-15 лет работы и стоят сотни миллионов долларов, то исследования электризации поверхностей в космическом пространстве и методы борьбы с ней обычно составляют коммерческую тайну.

Еще один важный и самый нестабильный источник космической радиации — это солнечные космические лучи. Протоны и альфа-частицы, ускоренные до десятков и сотен мегаэлектронвольт, заполняют Солнечную систему только на короткое время после солнечной вспышки, но интенсивность частиц делает их главным источником радиационной опасности во внешней магнитосфере, где геомагнитное поле еще слишком слабо, чтобы защитить спутники. Солнечные частицы на фоне других, более стабильны х источников радиации «отвечают» и за кратковременные ухудшения радиационной обстановки во внутренней магнитосфере, в том числе и на высотах, используемых для пилотируемых полетов.

Наиболее глубоко в магнитосферу энергичные частицы проникают в приполярных районах, так как частицы здесь могут большую часть пути свободно двигаться вдоль силовых линий, почти перпендикулярных к поверхности Земли. Приэкваториальные районы более защищены: там геомагнитное поле, почти параллельное земной поверхности, изменяет траекторию движения частиц на спиральную и уводит их в сторону. Поэтому трассы полетов, проходящие в высоких широтах, значительно более опасны с точки зрения радиационного поражения, чем низкоширотные. Эта угроза относится не только к космическим аппаратам, но и к авиации. На высотах 9-11 километров, где проходит большинство авиационных маршрутов, общий фон космической радиации уже настолько велик, что годовая доза, получаемая экипажами, оборудованием и часто летающими пассажирами, должна контролироваться по правилам, установленным для радиационно опасных видов деятельности. Сверхзвуковые пассажирские самолеты «Конкорд», поднимающиеся на еще большие высоты, имеют на борту счетчики радиации и обязаны лететь, отклоняясь к югу от кратчайшей северной трассы перелета между Европой и Америкой, если текущий уровень радиации превышает безопасную величину. Однако после наиболее мощных солнечных вспышек доза, полученная даже в течение одного полета на обычном самолете может быть больше, чем доза ста флюорографических обследований, что заставляет всерьез рассматривать вопрос о полном прекращении полетов в такое время. К счастью, всплески солнечной активности подобного уровня регистрируются реже, чем один раз за солнечный цикл — 11 лет.

Взбудораженная ионосфера

На нижнем этаже электрической солнечно-земной цепи расположена ионосфера — самая плотная плазменная оболочка Земли, буквально как губка впитывающая в себя и солнечное излучение, и высыпания энергичных частиц из магнитосферы. После солнечных вспышек ионосфера, поглощая солнечное рентгеновское излучение, нагревается и раздувается, так что плотность плазмы и нейтрального газа на высоте нескольких сотен километров увеличивается, создавая значительное дополнительное аэродинамическое сопротивление движению спутников и пилотируемых кораблей. Пренебрежение этим эффектом может привести к «неожиданному» торможению спутника и потере им высоты полета. Пожалуй, самым печально известным случаем такой ошибки стало падение американской станции «Скайлэб», которую «упустили» после крупнейшей солнечной вспышки, произошедшей в 1972 году. К счастью, во время спуска с орбиты станции «Мир» Солнце было спокойным, что облегчило работу российским баллистикам.

Однако, возможно, наиболее важным для большинства обитателей Земли эффектом оказывается влияние ионосферы на состояние радиоэфира. Плазма наиболее эффективно поглощает радиоволны только вблизи определенной резонансной частоты, зависящей от плотности заряженных частиц и равной для ионосферы примерно 5-10 мегагерцам. Радиоволны более низкой частоты отражаются от границ ионосферы, а волны более высокой — проходят сквозь нее, причем степень искажения радиосигнала зависит от близости частоты волны к резонансной. Спокойная ионосфера имеет стабильную слоистую структуру, позволяя за счет многократных отражений принимать радиосигнал диапазона коротких волн (с частотой ниже резонансной) по всему земному шару. Радиоволны с частотами выше 10 мегагерц свободно уходят через ионосферу в открытый космос. Поэтому радиостанции УКВ- и FM-диапазонов можно слышать только в окрестностях передатчика, а на частотах в сотни и тысячи мегагерц связываются с космическими аппаратами.

Во время солнечных вспышек и магнитных бурь количество заряженных частиц в ионосфере увеличивается, причем так неравномерно, что создаются плазменные сгустки и «лишние» слои. Это приводит к непредсказуемому отражению, поглощению, искажению и преломлению радиоволн. Кроме того, нестабильные магнитосфера и ионосфера и сами генерируют радиоволны, заполняя шумом широкий диапазон частот. Практически величина естественного радиофона становится сравнимой с уровнем искусственного сигнала, создавая значительные затруднения в работе систем наземной и космической связи и навигации. Радиосвязь даже между соседними пунктами может стать невозможной, но взамен можно случайно услышать какую-нибудь африканскую радиостанцию, а на экране локатора увидеть ложные цели (которые нередко принимают за «летающие тарелки»). В приполярных районах и зонах аврорального овала ионосфера связана с наиболее динамичными областями магнитосферы и поэтому наиболее чувствительна к приходящим от Солнца возмущениям. Магнитные бури в высоких широтах могут практически полностью блокировать радиоэфир на несколько суток. При этом, естественно, замирают и многие другие сферы деятельности, например авиасообщение. Именно поэтому все службы, активно использующие радиосвязь, еще в середине XX века стали одними из первых реальных потребителей информации о космической погоде.

Токовые струи в космосе и на Земле

Любители книг о полярных путешественниках наслышаны не только про перебои радиосвязи, но и про эффект «сумасшедшей стрелки»: во время магнитных бурь чувствительная стрелка компаса начинает вертеться как угорелая, безуспешно пытаясь уследить за всеми изменениями направления геомагнитного поля. Вариации поля создаются струями ионосферных токов силой в миллионы ампер — электроджетов, которые возникают в полярных и авроральных широтах при изменениях в магнитосферной токовой цепи. В свою очередь магнитные вариации, согласно всем известному закону электромагнитной индукции, генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли, в соленой воде и в оказавшихся поблизости искусственных проводниках. Наводимая разность потенциалов невелика и составляет примерно несколько вольт на километр (максимальное значение было зарегистрировано в 1940 году в Норвегии и составило около 50 В/км), но в протяженных проводниках с низким сопротивлением — линиях связи и электропередач, трубопроводах, рельсах железных дорог — полная сила индуцированных токов может достигать десятков и сотен ампер.

Наименее защищены от подобного влияния воздушные низковольтные линии связи. И действительно, значительные помехи, возникавшие во время магнитных бурь, были отмечены уже на самых первых телеграфных линиях, построенных в Европе в первой половине XIX века. Сообщения об этих помехах можно, вероятно, считать первыми историческими свидетельствами нашей зависимости от космической погоды. Получившие распространение в настоящее время волоконно-оптические линии связи к такому влиянию нечувствительны, но в российской глубинке они появятся еще нескоро. Значительные неприятности геомагнитная активность должна доставлять и железнодорожной автоматике, особенно в приполярных районах. А в трубах нефтепроводов, зачастую тянущихся на многие тысячи километров, индуцированные токи могут значительно ускорять процесс коррозии металла.

В линиях электропередач, работающих на переменном токе частотой 50-60 Гц, индуцированные токи, меняющиеся с частотой менее 1 Гц, практически вносят только небольшую постоянную добавку к основному сигналу и должны были бы слабо влиять на суммарную мощность. Однако после аварии, произошедшей во время сильнейшей магнитной бури 1989 года в канадской энергетической сети и оставившей на несколько часов половину Канады без электричества, такую точку зрения пришлось пересмотреть. Причиной аварии оказались трансформаторы. Тщательные исследования показали, что даже небольшая добавка постоянного тока может вывести из строя трансформатор, предназначенный для преобразования переменного тока. Дело в том, что постоянная составляющая тока вводит трансформатор в неоптимальный режим работы с избыточным магнитным насыщением сердечника. Это приводит к избыточному поглощению энергии, перегреву обмоток и в конце концов к аварии всей системы. Последовавший анализ работоспособности всех энергетических установок Северной Америки выявил и статистическую зависимость между количеством сбоев в зонах повышенного риска и уровнем геомагнитной активности.

Космос и человек

Все описанные выше проявления космической погоды можно условно характеризовать как технические, а физические основы их влияния в общем известны — это прямое воздействие потоков заряженных частиц и электромагнитных вариаций. Однако невозможно не упомянуть и о других аспектах солнечно-земных связей, физическая сущность которых не вполне ясна, а именно о влиянии солнечной переменности на климат и биосферу.

Перепады полного потока излучения Солнца даже во время сильных вспышек составляют менее одной тысячной солнечной постоянной, то есть, казалось бы, они слишком малы, чтобы непосредственно изменять тепловой баланс атмосферы Земли. Тем не менее существует ряд косвенных доказательств, приведенных в книгах А. Л. Чижевского и других исследователей, свидетельствующих о реальности солнечного влияния на климат и погоду. Отмечалась, например, выраженная цикличность различных погодных вариаций с периодами, близкими к 11- и 22-летним периодам солнечной активности. Эта периодичность отражается и на объектах живой природы — она заметна по изменению толщины древесных колец.

В настоящее время широкое (может быть, даже излишне широкое) распространение получили прогнозы влияния геомагнитной активности на состояние здоровья людей. Мнение о зависимости самочувствия людей от магнитных бурь уже твердо устоялось в общественном сознании и даже подтверждается некоторыми статистическими исследованиями: например, количество людей, госпитализированных «скорой помощью», и число обострений сердечно-сосудистых заболеваний явно возрастает после магнитной бури. Однако с точки зрения академической науки доказательств собрано еще недостаточно. Кроме того, в человеческом организме отсутствует какой-либо орган или тип клеток, претендующих на роль достаточно чувствительного приемника геомагнитных вариаций. В качестве альтернативного механизма воздействия магнитных бурь на живой организм часто рассматривают инфразвуковые колебания — звуковые волны с частотами менее одного герца, близкими к собственной частоте многих внутренних органов. Инфразвук, возможно, излучаемый активной ионосферой, может резонансным образом воздействовать на сердечно-сосудистую систему человека. Остается только заметить, что вопросы зависимости космической погоды и биосферы еще ждут своего внимательного исследователя и к настоящему времени остаются, наверное, самой интригующей частью науки о солнечно-земных связях.

В целом же влияние космической погоды на нашу жизнь можно, вероятно, признать существенным, но не катастрофичным. Магнитосфера и ионосфера Земли неплохо защищают нас от космических угроз. В этом смысле интересно было бы проанализировать историю солнечной активности, пытаясь уяснить, что может ждать нас в будущем. Во-первых, в настоящее время отмечается тенденция к увеличению влияния солнечной активности, связанная с ослаблением нашего щита — магнитного поля Земли — более чем на 10 процентов за последние полвека и одновременным удвоением магнитного потока Солнца, служащего основным посредником при передаче солнечной активности.

Во-вторых, анализ солнечной активности за все время наблюдений солнечных пятен (с начала XVII века) показывает, что солнечный цикл, в среднем равный 11 годам, существовал не всегда. Во второй половине XVII века, во время так называемого минимума Маундера, солнечных пятен практически не наблюдалось в течение нескольких десятилетий, что косвенно свидетельствует и о минимуме геомагнитной активности. Однако идеальным для жизни этот период назвать трудно: он совпал с так называемым малым ледниковым периодом — годами аномально холодной погоды в Европе. Случайно это совпадение или нет, современной науке доподлинно неизвестно.

В более ранней истории отмечались и периоды аномально высокой солнечной активности. Так, в некоторые годы первого тысячелетия нашей эры полярные сияния постоянно наблюдались в Южной Европе, свидетельствуя о частых магнитных бурях, а Солнце выглядело помутневшим, возможно, из-за наличия на его поверхности огромного солнечного пятна или корональной дыры — еще одного объекта, вызывающего повышенную геомагнитную активность. Начнись такой период непрерывной солнечной активности сегодня, связь и транспорт, а с ними вся мировая экономика оказались бы в тяжелейшем положении.

***

Космическая погода постепенно занимает подобающее ей место в нашем сознании. Как и в случае с обыкновенной погодой, мы хотим знать, что нас ждет и в отдаленном будущем, и в ближайшие дни. Для исследований Солнца, магнитосферы и ионосферы Земли развернута сеть солнечных обсерваторий и геофизических станций, а в околоземном космосе парит целая флотилия научно-исследовательских спутников. Основываясь на приводимых ими наблюдениях, ученые предупреждают нас о солнечных вспышках и магнитных бурях.

Литература

Киппенхан Р. 100 миллиардов Солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд. — М., 1990.

Куликов К. А., Сидоренко Н. С. Планета Земля. — М., 1972.

Мирошниченко Л. И. Солнце и космические лучи. — М., 1970.

Паркер Е. Н. Солнечный ветер // Астрономия невидимого. — М., 1967.

Физики из России провели сверхточную «перепись» космических лучей

https://ria.ru/20190424/1553001439.html

Физики из России провели сверхточную «перепись» космических лучей

Физики из России провели сверхточную «перепись» космических лучей — РИА Новости, 03.03.2020

Физики из России провели сверхточную «перепись» космических лучей

Международный коллектив ученых с участием российских исследователей провел пока самые точные и длительные наблюдения за космическими лучами сверхвысоких энергий РИА Новости, 03.03.2020

2019-04-24T12:45

2019-04-24T12:45

2020-03-03T14:04

наука

сша

москва

российская академия наук

космос — риа наука

российский научный фонд

физика

россия

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/155300/12/1553001277_0:403:2730:1939_1920x0_80_0_0_889b113979111341c36a07c7bb9e76eb.jpg

МОСКВА, 24 апр – РИА Новости. Международный коллектив ученых с участием российских исследователей провел пока самые точные и длительные наблюдения за космическими лучами сверхвысоких энергий и не нашел расхождений с современными астрофизическими теориями. Результаты их замеров были представлены в журнале Astroparticle Physics.Каждую секунду в верхних слоях атмосферы Земли образуются миллионы мюонов, электронов и прочих заряженных частиц, возникающих в результате столкновения космических лучей с молекулами газов в воздухе. Эти столкновения разгоняют новые частицы до околосветовых скоростей.Ученые наблюдают за этими ними, используя эффект, открытый еще в 1934 году Павлом Черенковым и Сергеем Вавиловым. Они заметили, экспериментируя с гамма-излучением, что его попадание в жидкость вызывает в ней слабое, но хорошо заметное свечение благодаря тому, что фотоны высоких энергий выбивают электроны и разгоняют их до скоростей, превышающих скорость света в воде. Этот эффект нашел широкое применение сегодня, его используют для обнаружения космических лучей и для «поимки» нейтрино сверхвысоких энергий. Подобные наблюдения, как надеются исследователи, помогут им проверить существование так называемого предела Грайзена-Зацепина-Кузьмина, который составляет примерно восемь джоулей.Под этим словом ученые понимают количество энергии, которую может иметь нейтрино или космический луч, движущийся к Земле от далеких галактик и прочих объектов космоса. Частицы, «нарушающие» этот предел, начнут взаимодействовать с микроволновым «эхом» Большого Взрыва, формировать новые частицы и терять энергию.Сегодня физики ожесточенно спорят о том, могут ли нейтрино и другие частицы не соблюдать этот предел. Наблюдения за тем, как часто появляются фотоны высоких энергий, подходящие близко к этой отметке, помогут ученым разрешить этот диспут, раскрыть механизм разгона космических лучей и понять, все ли они ведут себя одинаковым образом.Рубцов и его коллеги по институту, а также ученые из МГУ, ведут подобные наблюдения уже более десяти лет в рамках проекта Telescope Array вместе с коллегами из США, Бельгии и Южной Кореи. Он представляет собой набор из пяти сотен очень чувствительных детекторов излучения Черенкова-Вавилова, разбросанных по территории в одной из пустынь в штате Юта. Его постройка была начата в 2003 году, а первые научные данные Telescope Array получил в 2008 году.Как передает пресс-служба Российского научного фонда, российские и зарубежные ученые проанализировали накопленные данные, используя методы машинного обучения, что позволило им убрать ложные срабатывания, «рассортировать» прародителей этих вспышек света и сравнить их между собой.Пока им не удалось зафиксировать серьезных намеков на то, что предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина серьезно нарушается, но при этом ученые обнаружили две частицы, которые или близко приближаются к нему, или превосходят его на порядок.Это открытие, как надеются ученые, поможет сузить возможный список теорий, объясняющих процесс формирования космических лучей, и подобраться ближе к раскрытию их природы.

https://ria.ru/20180712/1524476477.html

https://ria. ru/20171112/1508591896.html

сша

москва

россия

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/155300/12/1553001277_0:0:2730:2048_1920x0_80_0_0_8fc519dce25bea5fed0ad419dcc3c5c3. jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

сша, москва, российская академия наук, космос — риа наука, российский научный фонд, физика, россия

Наука, США, Москва, Российская академия наук, Космос — РИА Наука, Российский научный фонд, Физика, Россия

МОСКВА, 24 апр – РИА Новости. Международный коллектив ученых с участием российских исследователей провел пока самые точные и длительные наблюдения за космическими лучами сверхвысоких энергий и не нашел расхождений с современными астрофизическими теориями. Результаты их замеров были представлены в журнале Astroparticle Physics.

«Мы значительно превзошли предыдущие результаты и установили новые, наиболее сильные ограничения на поток фотонов в северном полушарии. Эти замеры дополняют пределы, установленные обсерваторией Пьера Оже в южном полушарии», – заявил Григорий Рубцов из Института ядерных исследований РАН в Москве.

Каждую секунду в верхних слоях атмосферы Земли образуются миллионы мюонов, электронов и прочих заряженных частиц, возникающих в результате столкновения космических лучей с молекулами газов в воздухе. Эти столкновения разгоняют новые частицы до околосветовых скоростей.

Ученые наблюдают за этими ними, используя эффект, открытый еще в 1934 году Павлом Черенковым и Сергеем Вавиловым. Они заметили, экспериментируя с гамма-излучением, что его попадание в жидкость вызывает в ней слабое, но хорошо заметное свечение благодаря тому, что фотоны высоких энергий выбивают электроны и разгоняют их до скоростей, превышающих скорость света в воде.

12 июля 2018, 18:00Наука

Астрономы выяснили, где рождаются самые мощные космические лучи

Этот эффект нашел широкое применение сегодня, его используют для обнаружения космических лучей и для «поимки» нейтрино сверхвысоких энергий. Подобные наблюдения, как надеются исследователи, помогут им проверить существование так называемого предела Грайзена-Зацепина-Кузьмина, который составляет примерно восемь джоулей.

Под этим словом ученые понимают количество энергии, которую может иметь нейтрино или космический луч, движущийся к Земле от далеких галактик и прочих объектов космоса. Частицы, «нарушающие» этот предел, начнут взаимодействовать с микроволновым «эхом» Большого Взрыва, формировать новые частицы и терять энергию.

Сегодня физики ожесточенно спорят о том, могут ли нейтрино и другие частицы не соблюдать этот предел. Наблюдения за тем, как часто появляются фотоны высоких энергий, подходящие близко к этой отметке, помогут ученым разрешить этот диспут, раскрыть механизм разгона космических лучей и понять, все ли они ведут себя одинаковым образом.

Рубцов и его коллеги по институту, а также ученые из МГУ, ведут подобные наблюдения уже более десяти лет в рамках проекта Telescope Array вместе с коллегами из США, Бельгии и Южной Кореи. Он представляет собой набор из пяти сотен очень чувствительных детекторов излучения Черенкова-Вавилова, разбросанных по территории в одной из пустынь в штате Юта. Его постройка была начата в 2003 году, а первые научные данные Telescope Array получил в 2008 году.

Как передает пресс-служба Российского научного фонда, российские и зарубежные ученые проанализировали накопленные данные, используя методы машинного обучения, что позволило им убрать ложные срабатывания, «рассортировать» прародителей этих вспышек света и сравнить их между собой.

12 ноября 2017, 08:00Наука

«Ухо Антарктики»: как физики превратили целый континент в детектор частиц

Пока им не удалось зафиксировать серьезных намеков на то, что предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина серьезно нарушается, но при этом ученые обнаружили две частицы, которые или близко приближаются к нему, или превосходят его на порядок.

Это открытие, как надеются ученые, поможет сузить возможный список теорий, объясняющих процесс формирования космических лучей, и подобраться ближе к раскрытию их природы.

Discovery приближает ученых к разгадке столетней тайны космических лучей

14 июля 2022 г. 20 июля 2022 г.

Астрофизики доказали, что нейтрино происходят из блазаров

Космические лучи, заряженные частицы, движущиеся из глубокого космоса почти со скоростью света, постоянно бомбардируют Землю.

Более века астрофизики пытались определить происхождение этих чрезвычайно энергичных частиц, которые в миллион раз более энергичны, чем все, что было достигнуто самым мощным в мире ускорителем частиц, Большим адронным коллайдером, недалеко от Женевы, Швейцария. Они также хотят знать, что движет ими с такой огромной силой.

Разгадка вековой тайны может стать еще на один шаг ближе благодаря новому исследованию с несколькими мессенджерами, проведенному группой ученых, в которую входит доцент кафедры физики и астрономии Университета Клемсона Марко Аджелло.

Айелло и его сотрудники Сара Бусон из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) Вюрцбурга в Баварии, Германия, и Андреа Трамасере из Женевского университета с беспрецедентной точностью доказали, что астрофизические нейтрино происходят от блазаров.

Мелкие частицы

Астрофизические нейтрино — это крошечные нейтральные частицы, образующиеся в результате взаимодействия космических лучей в этих экстремальных ускорителях, что делает их уникальными посланниками или сигналами, которые могут помочь определить источники космических лучей.

Поскольку космические лучи представляют собой заряженные частицы, магнитные поля галактики могут отклонять их во время их путешествия в космосе. Это делает невозможным для ученых отследить, откуда они произошли. Нейтрино, с другой стороны, имеют очень маленькую массу, нейтральны и почти не взаимодействуют с материей. Они мчатся по вселенной и могут почти бесследно путешествовать по галактикам, планетам и человеческому телу. Поскольку электромагнитные силы не влияют на них, их можно проследить до их астрофизических источников.

Астрофизик Клемсона Марко Айелло и его сотрудники с беспрецедентной точностью доказали, что астрофизические нейтрино происходят от блазаров.

В 2017 году нейтринная обсерватория IceCube, расположенная глубоко во льду на Южном полюсе, обнаружила нейтрино. Ученые отследили его до блазара TXS 0506+056. Блазары — это активные галактические ядра, питаемые сверхмассивными черными дырами, которые излучают гораздо больше радиации, чем вся их галактика. Публикация в журнале Science вызвала научную дискуссию о том, являются ли блазары ускорителями космических лучей.

Используя данные о нейтрино, полученные с помощью IceCube — самого чувствительного в настоящее время детектора нейтрино — и каталога астрофизических объектов, уверенно идентифицированных как блазары, Аджелло и его коллеги нашли убедительные доказательства того, что подмножество блазаров породило наблюдаемые нейтрино высоких энергий. Их результаты, опубликованные в The Astrophysical Journal Letters, сообщают, что вероятность этого совпадения – меньше одного случая на миллион.

«У нас был намек тогда (в 2017 году), а теперь у нас есть доказательства», — сказал Аджелло. 915 электрон-вольт.

Основные вехи

По словам Трамасере, открытие этих фабрик нейтрино высокой энергии представляет собой важную веху в астрофизике. «Это делает нас шагом вперед в разгадке вековой тайны происхождения космических лучей», — сказал он.

Айелло сказал, что теперь исследователи изучат эти блазары, чтобы понять, что делает их хорошими ускорителями.

Marco Ajello

Бузон сказал, что статистический анализ был сосредоточен только на самых многообещающих наборах нейтринных данных IceCube. Она ожидает, что дальнейшие сложные аналитические методы могут принести больше открытий.

Исследование также иллюстрирует важность астрономии с несколькими мессенджерами, сказал Айелло. Астрофизика с несколькими мессенджерами является одной из целей отчета Национальной академии «Пути к открытиям в астрономии и астрофизике на 2020-е годы», в котором устанавливаются исследовательские приоритеты для астрономического и астрофизического сообществ на следующее десятилетие.

На протяжении тысячелетий астрономы и астрофизики полагались на свет для изучения Вселенной. Но теперь они могут обнаруживать других «посланников», таких как космические лучи, нейтрино и гравитационные волны.

«Это как чувствовать, слышать и видеть одновременно. Вы получите гораздо лучшее понимание», — сказал Аджелло. «То же самое верно и в отношении астрофизики, потому что понимание, которое вы получаете в результате многократного обнаружения различных посланников, гораздо более подробное, чем вы можете получить только из света».

Европейский исследовательский совет профинансировал описанную работу в рамках стартового гранта, PI Сара Бусон. ID: 949555, «Картирование высокоэнергетических посланников по всей Вселенной» (MessMapp). Часть работы Аджелло над проектом финансировалась НАСА по контракту 80NSSC21K19.15.

Эта статья содержит информацию из пресс-релиза Юлиуса-Максимилиана-Университета Вюрцбурга.

Научный колледж стремится к совершенству в области научных открытий, обучения и участия, которые актуальны как на местном, так и на глобальном уровне. Науки о жизни, физические и математические науки объединяются для решения некоторых научных задач завтрашнего дня, и наш факультет готовит следующее поколение ведущих ученых. Научный колледж предлагает высокоэффективный трансформационный опыт, такой как исследования, стажировки и обучение за границей, чтобы помочь нашим выпускникам подготовиться к ведущим отраслям, программам для выпускников и медицинским профессиям. clemson.edu/science

^{Хотите обсудить?}

Свяжитесь с нами, и мы свяжем вас с автором или другим экспертом.

Или напишите нам по адресу [email protected]

Ваше имя

Ваш адрес электронной почты

Ваше сообщение

Эта форма защищена reCAPTCHA, и к ней применяются Политика конфиденциальности и Условия обслуживания Google.

Факультет физики и астрономии

На нас обрушиваются чрезвычайно мощные космические лучи. Никто не знает, откуда они берутся.

Но с помощью крупномасштабных экспериментов ученые всего мира полны решимости это выяснить.

Вы можете думать, что величайшие и самые загадочные загадки Вселенной существуют где-то там, на краю черной дыры или внутри взрывающейся звезды.

Нет, нас постоянно окружают великие тайны вселенной. Они даже пронизывают нас, плывя прямо сквозь наши тела. Одной из таких загадок являются космические лучи, состоящие из крошечных частиц атомов. Эти лучи, проходящие через нас в данный момент, не вредны ни для нас, ни для какой-либо другой жизни на поверхности Земли.

Но некоторые из них несут столько энергии, что физики недоумевают, какой объект во Вселенной мог их создать. Многие из них слишком сильны, чтобы происходить от нашего солнца. Многие из них слишком сильны, чтобы возникнуть из-за взрыва звезды. Поскольку космические лучи не часто распространяются по прямой линии, мы даже не знаем, откуда в ночном небе они исходят.

Ответ на тайну космических лучей может включать в себя объекты и физические явления во Вселенной, которые никто никогда раньше не видел и не записывал. И физики проводят несколько масштабных экспериментов по всему миру, посвященных раскрытию этого случая.

Хотя мы не знаем, откуда они берутся и как сюда попадают, мы можем видеть, что происходит, когда эти космические лучи достигают атмосферы нашей планеты почти со скоростью света.

Космические лучи являются посланниками из более широкой вселенной; напоминание о том, что мы являемся частью этого, и напоминание о том, что вокруг еще много тайн. Давайте внимательно посмотрим на эти удивительные частицы, падающие на Землю дождем издалека.

Врезаясь в нашу атмосферу

Когда частицы космических лучей сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы, они взрываются, разрывая атомы на части при сильном столкновении. Частицы от этого взрыва затем продолжают разрывать другие частицы материи в цепной реакции, нарастающей как снежный ком. Часть этой атомной шрапнели даже попадает в землю.

Хавьер Заррачина/Vox

Хавьер Заррачина/Vox; NASA

Можно увидеть это в действии, соорудив так называемую камеру Вильсона из стеклянной банки, войлока, сухого льда и изопропилового спирта (то есть медицинского спирта). Вы замачиваете войлок в спирте, а сухой лед (это суперхолодный твердый углекислый газ) охлаждает пары спирта, которые стекают с войлока. Это создает облако паров алкоголя.

В этой камере вы можете увидеть космические лучи, особенно те, что исходят от частицы, называемой мюоном. Мюоны похожи на электроны, но немного тяжелее. В каждый квадратный сантиметр Земли на уровне моря, включая пространство над вашей головой, каждую минуту попадает один мюон.

Как и электроны, мюоны несут отрицательный заряд. Когда мюоны проносятся через облако спирта, они ионизируют (заряжают) воздух, через который проходят. Заряд в воздухе притягивает пары спирта, и он конденсируется в капли. И эти капли затем прослеживают путь, пройденный космическими лучами через камеру.

Когда вы видите пути, которые прокладывают эти мюоны, подумайте вот о чем: эти субатомные частицы летят к Земле со скоростью 98 процентов скорости света.

Они движутся так быстро, что испытывают замедление времени, предсказанное специальной теорией относительности Эйнштейна. Предполагается, что они распадаются — т. е. распадаются на более мелкие компоненты, электроны и нейтрино — всего за 2,2 микросекунды, а это означает, что они едва опустятся на 2000 футов от верхней границы атмосферы, прежде чем погибнут. Но поскольку они движутся так быстро по сравнению с нами, они стареют в 22 раза медленнее. (Похожая история произошла с персонажем Мэтью МакКонахи в фильме Interstellar , поскольку он увеличил свою относительную скорость, приближаясь к черной дыре.)

Если бы теория Эйнштейна была неверна, мы бы не увидели никаких мюонов в камере Вильсона. К счастью, они безобидны и двигаются так быстро, что не успевают нанести мощный удар по вашему телу. Ученые могут делать кое-что интересное с мюонами, например использовать их для фотографирования внутренней части Великой пирамиды в Египте.

Напомним, что эти лучи потенциально приводились в движение силами за пределами нашей Солнечной системы, силами, непонятными ни одному физику. Это просто потрясающе.

«Наши коллеги-физики-теоретики озадачены» тем, как эти частицы получают энергию, — говорит Чарльз Джуи, физик из Университета Юты, занимающийся поиском космических лучей. «Мы также не можем понять, откуда они берутся».

Космические лучи, объяснение

Тайна космических лучей началась с их открытия в 1912 году. Именно тогда физик Виктор Гесс совершил полет на воздушном шаре и обнаружил, что количество радиации в атмосфере увеличивается по мере того, как вы поднимаетесь.

Он был на воздушном шаре, чтобы изолировать свой эксперимент от радиации. Но шумнее было только наверху. Это привело его к выводу, что излучение исходило из космоса, а не радиоактивность от горных пород в земле.

Он также совершил полет на воздушном шаре во время полного солнечного затмения. Поскольку Луна загораживает Солнце, космическое излучение, исходящее от Солнца, должно было отфильтровываться. Но кое-что все же записал. Это привело его к пониманию того, что излучение исходит не от солнца, а из глубины космоса. Его открытие космических лучей принесло ему 1936 Нобелевская премия по физике.

Самая высокоэнергетическая частица космических лучей из когда-либо зарегистрированных, называемая частицей «О, мой Бог», была примерно в 2 миллиона раз более энергичной, чем самый форсированный протон, запущенный Большим адронным коллайдером, самым мощным в мире ускорителем частиц. .

Эта энергия, как объясняет Антонелла Кастеллина, итальянский астрофизик из Обсерватории Пьера Оже, похожа на то, как лучший теннисист изо всех сил ударяет по мячу. Теперь это звучит не так уж и много. Но представьте, что вся эта энергия втиснута в область меньше атома — это экстремально. Этой мощности достаточно, чтобы включить лампочку на секунду или больше. «Никто не знает, что во Вселенной способно дать субатомной частице такую ​​энергию», — говорит она.

Более того, ученые не понимают, как такая частица вообще может достичь Земли. Считается, что частицы с такими безумно высокими энергиями взаимодействуют с излучением, оставшимся от Большого взрыва и создания Вселенной, что должно положить конец им, прежде чем они достигнут нас.

Что создало частицу «Боже мой» и столь же мощные космические лучи, остается полной и загадочной загадкой. (Вы можете подумать, почему мы называем эти частицы «лучами»? Это немного неправильное название, сохранившееся с тех пор, как они были открыты столетие назад. Их также называют «астрочастицами». Но космические лучи звучат круче, поэтому мы будем придерживаться этого.)

Космические лучи были открыты 100 лет назад. Итак, вы можете подумать: почему мы не можем понять, что стреляет в нас этими космическими лучами?

Ну, мы знаем, что некоторые космические лучи исходят от Солнца. Но самые сильные, самые загадочные приходят из великого выхода из галактики и вселенной.

Проблема с поиском источников этих космических лучей очень высокой энергии заключается в том, что лучи не всегда движутся по прямой линии. Различные магнитные поля галактики и вселенной отклоняют их и направляют на извилистые пути.

Многие космические лучи, попадающие на Землю, особенно те, что исходят от нашего Солнца, отклоняются к полюсам из-за магнитного поля Земли. Вот почему у нас есть северное и южное сияние около полюсов.

В настоящее время ведется несколько масштабных проектов, направленных на то, чтобы лучше понять, откуда берутся эти космические лучи. Один из них связан с действительно огромной глыбой льда на Южном полюсе.

Огромная глыба льда на Южном полюсе — гигантский детектор космических лучей

На дне мира мало живого, кроме физиков. Там, на южном полюсе, они построили нейтринную обсерваторию IceCube, выкованную прямо во льду под поверхностью Южного полюса.

Это блок кристально чистого льда объемом 1 кубический километр (около 1,3 миллиарда кубических ярдов), окруженный датчиками. Эти датчики настроены на обнаружение, когда субатомные частицы, называемые нейтрино, которые путешествуют вместе с другими субатомными частицами в космических лучах, врезаются в Землю.

Хавьер Заррачина/Vox

Принцип его работы не так уж отличается от эксперимента с камерой Вильсона, который мы показали выше. Он пытается проследить путь очень особого типа космического луча, называемого нейтрино, который проходит через обсерваторию.

Нейтрино отличаются от других компонентов космических лучей одним очень важным моментом: они практически не взаимодействуют с другими формами материи. У них нет электрического заряда. Это означает, что они путешествуют по Вселенной по относительно прямой линии, и мы можем проследить их до источника.

«Если я посветю фонариком сквозь стену, свет не пройдет», — сказала мне Наоко Курахаши Нейлсон, физик элементарных частиц из Университета Дрекселя. «Это потому, что частицы света, фотоны, взаимодействуют с частицами в стене и не могут проникнуть внутрь. Если бы у меня был нейтринный фонарик, этот поток нейтрино прошел бы сквозь стену».

Но время от времени нейтрино — возможно, каждое из 100 000 — сталкивается с атомом льда в обсерватории и разрывает атом на части.

Затем происходит нечто впечатляющее: в результате столкновения образуются другие субатомные частицы, которые затем разгоняются до скорости, превышающей скорость света, когда они проходят сквозь лед.

Возможно, вы слышали, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Это верно, но только в вакууме. Фотоны, из которых состоит свет (сама по себе субатомная частица), на самом деле немного замедляются, когда входят в плотное вещество, такое как лед. Но другие субатомные частицы, такие как мюоны и электроны, не замедляются.

Когда частицы движутся со скоростью, превышающей скорость света, через такую ​​среду, как лед, они светятся. Это так называемое черенковское излучение. И это явление похоже на звуковой удар. (Когда вы движетесь со скоростью, превышающей скорость звука, вы производите взрыв шума.) Когда частицы движутся со скоростью, превышающей скорость света, они оставляют следы жуткого голубого света, как следы от катера на воде. Вот как художник изобразил, как все это выглядит. Нейтрино имеет форму капли серого цвета.

Центр космических полетов имени Годдарда НАСА/CI Lab/Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

Другие обсерватории, занимающиеся поиском космических лучей, также огромны

3000 галлонов воды. Резервуары разбросаны по площади более 1000 квадратных миль в Мендосе, Аргентина.

Хавьер Заррачина/Vox

Танки работают как глыба льда на Южном полюсе. Но вместо льда для регистрации космических лучей они используют воду. Танки внутри абсолютно черные. Но когда космические лучи — больше, чем просто нейтрино — попадают в резервуары, они вызывают небольшие вспышки света через черенковское излучение, поскольку они превышают скорость света в воде.

Хавьер Заррачина/Vox

Если несколько резервуаров зафиксируют всплеск космических лучей одновременно, ученые смогут работать в обратном направлении и вычислить энергию частицы, которая попала в верхнюю часть атмосферы. Они также могут приблизительно предположить, откуда в небе была выпущена частица.

В Северном полушарии в штате Юта проводится аналогичный эксперимент, который называется массивом телескопов. Подобно резервуарам в Южной Америке, массив в Юте имеет серию детекторов, разбросанных по огромной площади. В настоящее время он занимает около 300 квадратных миль, но в настоящее время ведется работа по модернизации, которая расширит его до 1200 квадратных миль. (Чем больше площадь, тем больше шанс обнаружить самые неуловимые и мощные космические лучи.)

Детекторы в штате Юта изготовлены из сверхпрозрачного акрилового пластика и размещены в блоках, напоминающих больничные койки.

Хавьер Заррачина/Vox

Если многие из детекторов зафиксируют попадание последовательно (представьте, что все частицы падают на землю примерно в одно и то же время, как пули на мишени), «вы можете реконструировать направление». откуда они пришли, говорит Джуи, физик из Университета Юты, работающий над массивом.

Хавьер Заррачина/Vox

Обсерватория тоже может делать кое-что интересное. В очень ясные и темные ночи в пустыне Юты он действительно может видеть слабые следы космических лучей, освещающие нашу атмосферу.

«Идея состоит в том, что вы можете наблюдать за развитием воздушного ливня в атмосфере с помощью ультрафиолетовых камер», — говорит Джуи. «Это камеры, которые снимают видео в течение нескольких микросекунд, десяти кадров в микросекунду [это очень медленное движение], а затем вы действительно можете увидеть протяженную линию в небе и измерить по ней энергию [космических лучей]».

Вы можете помочь в поисках космических лучей

Имея достаточно данных об этих высокоэнергетических космических лучах, ученые надеются когда-нибудь лучше определить, откуда они исходят на небе.

Проблема в том, что сейчас у них просто недостаточно наблюдений за самыми мощными космическими лучами.

Это займет некоторое время, потому что самые мощные космические лучи не слишком часто проходят через детекторы: каждый квадратный километр Земли видит только одну такую ​​частицу в столетие. И чтобы учесть тот факт, что эти лучи не часто проходят по прямой линии, потребуется масса данных.

Но у нас уже есть некоторые подсказки. У обсерватории Пьера Оже есть некоторые (пока не окончательные) данные о том, что некоторые из этих высокоэнергетических частиц исходят из галактик со вспышками звездообразования, которые представляют собой галактики, формирующие звезды с очень высокой скоростью. Группа Джуи пришла к выводу, что около четверти самых мощных наблюдаемых космических лучей исходят из круга размером около 6 процентов от размера ночного неба, расположенного недалеко от созвездия Большой Медведицы. Но это огромная область космоса, и в этом регионе нет явного дымящегося пистолета.

Продолжают поступать новые подсказки. Прошлым летом ученые из обсерватории IceCube опубликовали захватывающие доказательства того, что галактики, называемые блазарами, генерируют некоторые из этих высокоэнергетических частиц. Блазары имеют в центре сверхмассивные черные дыры, которые разрывают материю на составные части, а затем     выбрасывают субатомные частицы в космос, как лазерную пушку.

Вот очень-очень не в масштабе рисунок художника, на котором изображен блазар, стреляющий в Землю пучком космических лучей.

IceCube/NASA

Текущие результаты пока не могут объяснить самые мощные зарегистрированные космические лучи. Их тоже нужно повторять.

Существует также вероятность того, что некоторые лучи производятся силами и объектами, о которых мы в настоящее время не знаем, или взаимодействуют с таинственными вещами, такими как темная материя, способами, которые мы пока не понимаем. Это могут быть инопланетяне, но я в этом сомневаюсь.

Ученым нужно больше данных, больше наблюдений, чтобы определить источники в небе, из которых исходят эти частицы.

И скоро вы сможете заняться поиском. Ваш телефон можно превратить в детектор космических лучей. Дэниел Уайтсон — физик из Калифорнийского университета в Ирвине, который работает над проектом по исследованию космических лучей на основе краудсорсинга. Он называется Crayfis (Космические лучи в смартфонах).

«Количество частиц, которые ударяются об атмосферу с сумасшедшей энергией, действительно велико. Это миллионы [в год]», — говорит Уайтсон. Но такие обсерватории, как Пьер Оже, хотя и огромны, но недостаточно велики, чтобы обнаружить большинство из них. «Если бы мы могли построить достаточно большой телескоп, охватывающий огромные участки земли, мы могли бы очень быстро собрать много данных».

Вот где на помощь приходят смартфоны. Камера в вашем телефоне работает, потому что фотоны — субатомные частицы, из которых состоит свет — активируют датчик на задней части объектива. Космические лучи тоже могут активировать датчик. (Иногда космические лучи могут мешать работе микропроцессора и вызывать сбой компьютера.)

«Если вы положите камеру телефона экраном вниз, большая часть [света] будет заблокирована, и вы получить черную картинку», — объясняет он. «Но частицы из космоса пройдут прямо через ваш телефон, потолок или стену, попадут в [сенсор камеры] и оставят след».

Есть надежда, что миллионы пользователей смогут включить приложение ночью, пока они спят, и оно будет искать эти космические лучи. Уайтсон надеется, что с достаточным количеством телефонов он и его коллеги смогут лучше понять, откуда берутся космические лучи. Проект еще не совсем запущен. Но вы можете зарегистрироваться сейчас, чтобы стать бета-тестером, когда приложение будет готово.

Физики не собираются сдаваться в ближайшее время. Существование высокоэнергетических космических лучей говорит нам о том, что наше понимание Вселенной крайне неполно.

«Это одно из самых жестоких явлений» во вселенной, — говорит Джуи. Вы не хотите узнать, чем это вызвано?

космические лучи | Определение, типы, эффекты и факты

Ключевые люди:

Огюст Пикар
Кадзита Такааки
Виталий Гинзбург
Артур Б. Макдональд
Фредрик Стормер

Похожие темы:

эффект форбуша
обширный воздушный душ

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

космический луч , высокоскоростная частица — будь то атомное ядро ​​или электрон — которая путешествует в пространстве. Большинство этих частиц исходят из источников внутри Галактики Млечный Путь и известны как галактические космические лучи (ГКЛ). Остальные космические лучи исходят либо от Солнца, либо, почти наверняка в случае частиц с самыми высокими энергиями, за пределами Галактики Млечный Путь.

Прибытие на Землю

Частицы космических лучей не наблюдаются непосредственно на поверхности Земли. Это связано с тем, что «первичные» космические лучи, то есть частицы, достигающие внешнего края земной атмосферы, сталкиваются с ядрами атмосферы и порождают «вторичные». Некоторые вторичные частицы представляют собой фрагменты сталкивающихся ядер, в том числе нейтроны, а другие — короткоживущие частицы, созданные за счет энергии столкновений. Вторичные ядра вскоре имеют свои собственные столкновения. Именно вторичные частицы (нейтроны и короткоживущие частицы, такие как мюоны) наблюдаются на уровне моря. Первичные объекты необходимо изучать с помощью высотных аэростатов или космических кораблей.

Среди ГКЛ относительное содержание различных ядер и электронов зависит от энергии. Выше примерно 1 ГэВ на нуклон (гигаэлектрон-вольт или один миллиард электрон-вольт на нуклон) пропорции составляют около 85 процентов протонов (ядра атомов водорода), причем примерно 13 процентов составляют альфа-частицы (ядра гелия). (Энергия в 1 ГэВ соответствует скорости, превышающей примерно 87 процентов скорости света.) Остальные 2 процента составляют электроны и ядра более тяжелых атомов. При энергиях в несколько сотен МэВ на нуклон (мегаэлектронвольт или один миллион электронвольт на нуклон) соответствующие цифры составляют около 90, 9 и 1 процент.

Большинство ГКЛ, обнаруженных вблизи Земли, имеют кинетическую энергию, превышающую примерно 1 ГэВ на нуклон. Постоянный поток этих первичных частиц в верхнем слое атмосферы составляет около 1500 частиц на квадратный метр в секунду. Число частиц быстро падает с ростом энергии, но были обнаружены отдельные частицы с энергиями, достигающими в несколько раз 10 ²⁰ эВ. (Эта энергия сравнима с энергией бейсбольного мяча, брошенного со скоростью 160 км [100 миль] в час.)

Траектории основных космических лучей с самой низкой энергией находятся под сильным влиянием магнитного поля Земли. Следовательно, при энергиях ниже примерно 1 ГэВ на нуклон на каждой геомагнитной широте существует пороговая энергия, ниже которой первичные ГКЛ не регистрируются. На поток этих низкоэнергетических частиц влияет солнечная активность, а количество космического излучения, достигающего Земли, обратно пропорционально количеству солнечных пятен в течение 11-летнего солнечного цикла. Эта обратная корреляция называется эффектом Форбуша и возникает потому, что при максимуме солнечной активности более сильные магнитные поля выносятся солнечным ветром в межпланетное пространство и эти поля блокируют космические лучи.

Происхождение космических лучей

Из-за их отклонения магнитными полями в Галактике Млечный Путь первичные ГКЛ следуют извилистым путям и почти равномерно достигают верхних слоев атмосферы Земли со всех сторон. Следовательно, источники космических лучей не могут быть идентифицированы по направлению прихода, а скорее должны быть выведены из содержания элементов и изотопов тех космических лучей, которые являются атомными ядрами. Это можно сделать, сравнив содержание космических лучей с данными, полученными спектроскопически для звезд и межзвездных областей. Относительное содержание различных элементов среди ядер космических лучей хорошо изучено для частиц с энергией примерно от 100 МэВ до нескольких десятков ГэВ на нуклон. Содержание было измерено для элементов вплоть до урана. По таким данным удалось реконструировать большую часть истории путешествий частиц космических лучей через Галактику Млечный Путь. Легкие элементы литий, бериллий и бор редко встречаются во Вселенной, но их на удивление много среди первичных GCR. Принято считать, что эти легкие ядра образуются, когда более тяжелые первичные ядра (например, углерод и кислород) фрагментируются во время столкновений с разреженным межзвездным газом, состоящим в основном из водорода.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

После соответствующих поправок на столкновения GCR с межзвездным газом обнаружено, что предполагаемый состав источников подобен составу вещества в целом Солнечной системы; однако водорода и гелия слишком мало, а для изотопов неона и железа существуют значительные различия. Обнаружено, что те элементы, которые преимущественно образуют пылинки, имеют повышенное содержание. Считается, что космические лучи представляют собой смесь материалов, около 80 процентов из которых имеют состав Солнечной системы, а около 20 процентов ядер исходят от массивных эволюционировавших звезд, таких как тип II или коллапс ядра, сверхновые звезды и звезды Вольфа-Райе. звезды, которые находятся в группах молодых горячих звезд, называемых OB-ассоциациями.

При среднем сроке жизни 15 миллионов лет ГКЛ должны восполняться при среднем уровне мощности около 10 ⁴¹ эрг в секунду. Взрывы сверхновых могут дать столько энергии, поскольку они происходят в галактике примерно каждые 50 лет. Сверхновые с коллапсом ядра, исходящие от OB-звезд, составляют около 85 процентов всех галактических сверхновых, и, вероятно, там происходит ускорение около 90 процентов тяжелых GCR. Хотя кажется, что ускорение частиц может быть достигнуто расширяющимися ударными волнами от сверхновых, детали процессов, связанных с образованием и ускорением космических лучей, остаются неясными.