Космические лучи наса: Космические лучи. Их состав и происхождение

Космические лучи. Их состав и происхождение

История Вселенной Объединение взаимодействий Космические лучи. Их состав и происхождение     Космические лучи были открыты в 1912 г. В. Гессом. Различают первичные космические лучи — космические лучи до входа в атмосферу и вторичные космические лучи, образовавшиеся в результате процессов взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли. Рис. 1. Основные компоненты первичных космических лучей Рис. 2. Вертикальные потоки космических лучей в атмосфере. За исключением протонов и электронов на больших высотах, все остальные частицы образуются в результате взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой. Точками показаны результаты измерений отрицательных мюонов с энергией > 1 ГэВ   Характеристики космических лучей до входа в атмосферу (первичные космические лучи)   Галактические космические лучи Солнечные космические лучи Поток ~ 1 см-2·с-1 Во время солнечных вспышек может достигать ~106 см-2·с-1 Состав Ядерная компонента — ~90% протонов, ~10% ядер гелия, ~1% более тяжелых ядер Электроны (~1% от числа ядер) Позитроны (~10% от числа электронов) Антиадроны <1% 98-99% протоны, ~1. 5% ядра гелия Диапазон энергий 106 — 1021 эВ 105 — 1011 эВ    В результате взаимодействия с ядрами атмосферы первичные космические лучи (в основном протоны) создают большое число вторичных частиц − пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. Таким образом вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных частиц, которые делятся на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты. Такой каскад покрывает большую территорию и называется широким атмосферным ливнем.     В одном акте взаимодействия протон обычно теряет ~50% своей энергии, а в результате взаимодействия возникают в основном пионы. Каждое последующее взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые адроны, которые летят примущественно по направлению первичной частицы, образуя адронный кор ливня.     Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами атмосферы, а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную компоненты ливня. Адронная компонента до поверхности Земли практически не доходит, превращаясь в мюоны, нейтрино и γ-кванты. Рис. 3. Широкий атмосферный ливень π0 → 2γ , π+ → μ+ + νμ, π− → μ− + μ,     Мюоны в свою очередь могут распадаться μ+ → e+ + νe + μ, μ− → e− + e + νμ.     Образующиеся при распаде нейтральных пионов γ-кванты вызывают каскад электронов и γ-квантов, которые в свою очередь образуют электрон-позитронные пары. Заряженные лептоны теряют энергию на ионизацию и радиационное торможение. Поверхности Земли в основном достигают релятивистские мюоны. Электронно-фотонная компонента поглощается сильнее.     Один протон с энергией > 1014 эВ может создать 106-109 вторичных частиц. На поверхности Земли адроны ливня концентрируются в области порядка нескольких метров, электронно-фотонная компонента − в области ~100 м, мюонная − нескольких сотен метров.     Поток космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей (~0.01 см-2·с-1). Рис. 4. Пространственное распределение компонент широкого атмосферного ливня       Основными источниками первичных космических лучей являются взрывы сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце. Большие энергии (до 1016 эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением частиц на ударных волнах, образующихся взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации. На рис. 5 показан спектр всех частиц первичных галактических лучей. В широком диапазоне энергий спектр апроксимируется соотношением dN/dE ~ E-2.7. Особый интерес представляют области энергий 1015-1016 эВ так называемое «колено» (knee) и 1018-1019 — «лодыжка» (ankle), в которых наблюдаются аномалии.     Интенсивность космических лучей на больших интервалах времени была постоянна в течение ~109 лет. Однако, появились данные, что 30-40 тыс. лет тому назад интенсивность космических лучей заметно отличалась от современной (см. рис.6). Пик интенсивности связывают со взрывом близкой к Солнечной системе (~50 пк) Сверхновой. Рис.  5. Спектр всех частиц первичных космических лучей. Рис. 6. Зависимость интенсивности космических лучей лучей от времени, полученная при исследовании относительной концентрации космогенных радиоактивных изотопов Смотрите также Ю.И. Стожков «Космические лучи в атмосфере Земли» А. Петрукович, Л. Зеленый У природы есть и космическая погода C. Caso et al, The European Physical Journal C3 (1998) 1 (Cosmic Rays by T.K. Gaisser and T. Stanev) What are cosmic rays? (Laboratory of Hight Energy Astrophysics at NASA)  Г.Е. Кочаров «Экспериментальная палеоастрофизика: достижения и перспективы»

Ученые NASA создали симулятор космических лучей для оценки безопасности полетов на Марс

Тайна высокоэнергетических космических лучей

Протяните руку на 10 секунд. Дюжина электронов и мюонов только что незаметно пронеслась сквозь вашу ладонь. Призрачные частицы — это то, что ученые называют «вторичными космическими лучами» — субатомные обломки от столкновений между молекулами высоко в земной атмосфере и высокоэнергетическими космическими лучами из космоса.

Этот ежедневный ливень, который никогда не прекращается, является признаком бурных событий в глубоком космосе.

Считается, что большая часть космических лучей исходит от взрывов сверхновых. Когда массивные звезды взрываются, они выбрасывают большую часть своего вещества в космос. Расширяющиеся ударные волны могут разрушать межзвездные атомы и разгонять обломки до невообразимо высоких энергий. Могут иметь место и другие, неизвестные катаклизмы, особенно для самых энергичных космических лучей.

Ын-Сук Сео, профессор физики Университета Мэриленда, говорит: «На Земле были измерены частицы космических лучей с энергией до 10 ²⁰ электрон-вольт. Это больше энергии, чем мы получили в самых мощных искусственных ускорителях частиц».

«Но как естественные ускорители космических лучей накачивают в эти частицы столько энергии? Это одна из самых больших загадок астрофизики».

В то время как показания энергии частиц космических лучей можно измерить с земли, Сео и его коллеги перенесли свои исследования на более высокие высоты, непосредственно измеряя частицы из космоса до того, как они распадаются в атмосфере Земли.

Детектор космических лучей, известный как CREAM (Исследование космических лучей, энергии и массы), был запущен в стратосферу над Антарктидой на борту долгоживущих гелиевых аэростатов. Подняв детектор над 99% атмосферы Земли, исследователи получают лучшее представление о том, на что похожи космические лучи, прежде чем они столкнутся с ядрами в воздухе над детектором. CREAM способен измерять энергию и направление каждой входящей частицы космических лучей и определять тип частицы, измеряя ее заряд, тем самым предоставляя ключи к происхождению частиц и механизмам ускорения.

С 2004 года команда CREAM семь раз летала над Антарктидой, собирая данные за более чем 191 день с высоты до 120 000 футов.

Они собираются подняться еще выше. CREAM летит в космос. Реконфигурированный детектор CREAM должен отправиться на Международную космическую станцию ​​в 2017 году на борту космического корабля SpaceX Dragon на ракете Falcon 9. Названный «ISS-CREAM», он останется установленным на японском экспериментальном модуле, также известном как «Кибо», в течение как минимум трех лет.

Сео говорит: «МКС представляет собой прекрасную платформу для мониторинга высокоэнергетических космических лучей. Станция позволяет проводить долгосрочный мониторинг вместо нескольких ограниченных по продолжительности полетов на воздушном шаре, обеспечивая прямой беспрепятственный доступ к поступающим космическим лучам без атмосферных помех. Более длительное время экспозиции на космической станции позволяет измерять более высокие энергии. Целью ISS-CREAM является измерение максимально возможной энергии для прямого измерения высокоэнергетических космических лучей».

Она добавляет: «Таинственная природа космических лучей служит напоминанием о том, как мало мы знаем о нашей Вселенной».

Чтобы узнать больше о науке о высоких энергиях из-за пределов атмосферы Земли, следите за обновлениями на science.nasa.gov.

Космические лучи достигли высокого уровня космической эры

Космические лучи достигли высокого уровня космической эры

09.28.09

Энергетические ядра железа, подсчитанные спектрометром изотопов космических лучей на космическом корабле НАСА Advanced Composition Explorer (ACE), показывают, что уровни космических лучей подскочили на 19% выше предыдущего максимума космической эры.
Авторы и права: Richard Mewaldt/Caltech
› Увеличенное изображение

Представление художника о гелиосфере, магнитном пузыре, который частично защищает Солнечную систему от космических лучей.
Авторы и права: Уолт Феймер/NASA GSFC’s Conceptual Image Lab
› Увеличенное изображение
Планируете поездку на Марс? Возьмите много защиты. По данным датчиков космического корабля НАСА ACE (Advanced Composition Explorer), галактические космические лучи только что достигли пика космической эры.

«В 2009 году интенсивность космических лучей увеличилась на 19% по сравнению с тем, что мы видели за последние 50 лет», — говорит Ричард Мьюальд из Калифорнийского технологического института. «Увеличение является значительным, и это может означать, что нам нужно переосмыслить, сколько радиационной защиты астронавты берут с собой в миссии в дальний космос».

Причиной всплеска является солнечный минимум, глубокое затишье солнечной активности, начавшееся примерно в 2007 году и продолжающееся сегодня. Исследователям давно известно, что космические лучи увеличиваются, когда солнечная активность снижается. Прямо сейчас солнечная активность так же слаба, как и в наше время, что готовит почву для того, что Мьюальд называет «идеальным штормом космических лучей».

«Мы переживаем самый глубокий солнечный минимум почти за столетие, — говорит Дин Песнелл из Центра космических полетов имени Годдарда, — поэтому неудивительно, что космические лучи находятся на рекордном уровне для космической эры».

Галактические космические лучи исходят из-за пределов Солнечной системы. Это субатомные частицы, в основном протоны, но также и некоторые тяжелые ядра, разогнанные почти до скорости света в результате далеких взрывов сверхновых. Космические лучи вызывают «воздушные ливни» из вторичных частиц, когда они попадают в атмосферу Земли; они представляют опасность для здоровья космонавтов; и один космический луч может вывести из строя спутник, если он попадет в неудачную интегральную схему.

Магнитное поле Солнца — наша первая линия защиты от этих сильно заряженных энергичных частиц. Вся солнечная система от Меркурия до Плутона и далее окружена пузырем солнечного магнетизма, называемым «гелиосферой». Он возникает из внутреннего магнитного генератора Солнца и раздувается до гигантских размеров солнечным ветром. Когда космический луч пытается проникнуть в солнечную систему, он должен пробиться сквозь внешние слои гелиосферы; и если он проникнет внутрь, там будет множество магнитных полей, готовых рассеять и отклонить незваного гостя.

«В периоды низкой солнечной активности эта естественная защита ослабевает, и большее количество космических лучей может достичь внутренней части Солнечной системы», — объясняет Песнелл.

Мьюальд перечисляет три аспекта текущего солнечного минимума, которые в совокупности создают идеальный шторм:

1. Магнитное поле Солнца слабое. «Произошло резкое снижение межпланетного магнитного поля Солнца (IMF) всего до 4 наноТесла (нТл) с типичных значений от 6 до 8 нТл», — говорит он. «Этот рекордно низкий IMF, несомненно, способствует рекордно высоким потокам космических лучей».

Гелиосферный токовый слой имеет форму юбки балерины.
Авторы и права: Дж. Р. Джокипи, Аризонский университет
› Увеличенное изображение

2. Солнечный ветер ослабевает. «Измерения космического корабля «Улисс» показывают, что давление солнечного ветра находится на 50-летнем минимуме, — продолжает он, — поэтому магнитный пузырь, защищающий Солнечную систему, не раздувается так сильно, как обычно». Меньший пузырь дает космическим лучам более короткий путь в Солнечную систему. Как только космический луч входит в солнечную систему, он должен «плыть вверх по течению» против солнечного ветра. Скорость солнечного ветра упала до очень низкого уровня в 2008 и 2009 годах., что облегчает продвижение космического луча, чем обычно.
3. Текущий лист сглаживается. Представьте себе солнце в юбке балерины шириной с всю солнечную систему, по волнистым складкам которой течет электрический ток. Это «гелиосферный токовый слой», обширная переходная зона, где полярность магнитного поля Солнца меняется с плюса (север) на минус (юг). Токовый слой важен, потому что космические лучи направляются по его складкам. В последнее время токовый слой сглаживается, что позволяет космическим лучам более прямой доступ к внутренней части Солнечной системы.

«Если сглаживание продолжится, как это было в предыдущих минимумах солнечной активности, мы можем увидеть, как потоки космических лучей подскочат на 30% по сравнению с предыдущими максимумами космической эры», — предсказывает Мьюальдт.

Земля не находится в большой опасности от дополнительных космических лучей. Атмосфера планеты и магнитное поле вместе образуют мощный щит от космической радиации, защищающий людей на поверхности. Действительно, мы выдержали бури намного хуже, чем это. Сотни лет назад потоки космических лучей были как минимум на 200% выше, чем сейчас. Исследователи знают это, потому что когда космические лучи попадают в атмосферу, они производят изотоп бериллия 10Be, который сохраняется в полярных льдах. Исследуя ледяные керны, можно оценить потоки космических лучей более чем на тысячу лет назад.