Сегодня космические лучи близко к земле: Космические лучи сверхвысоких энергий — все самое интересное на ПостНауке

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.

Физики рассчитали поток нейтрино от космических лучей, падающих на поверхность Луны

Специалисты МФТИ и Института ядерных исследований РАН изучили спектры лунных нейтрино — сверхлегких элементарных частиц, которые возникают из-за бомбардировки поверхности Луны космическими лучами.  

Нейтрино — очень легкие нейтральные фундаментальные частицы. Они образуются во время различных радиоактивных распадов: при бета-распаде в атомных ядрах, в ходе ядерных реакций в звездах, в реакторах, на ускорителях и в ряде других процессов. Нейтрино пронизывают весь космос, но крайне слабо взаимодействуют с веществом — через каждого из нас за секунду проходят миллиарды нейтрино, и мы этого никак не ощущаем.   

Сверхлегкие частицы интересует ученых по всему миру, ведь нейтринный сигнал распространяется без помех, а значит их регистрация и изучение могут дать новую информацию об источниках нейтрино. К сожалению, большинство таких источников находятся на огромных расстояниях от Земли, поэтому регистрация их нейтрино требует углового разрешения, значительно превышающего возможности современных нейтринных телескопов. 

Луна же находится достаточно близко к Земле, а сталкивающиеся с ее поверхностью космические лучи образуют мезоны, которые тормозятся в лунном грунте и распадаются, в результате чего образуется низкоэнергетические нейтрино. 

Исследователи из Института ядерных исследований РАН и МФТИ рассчитали поток лунных нейтрино. Численное моделирование взаимодействия космических лучей с лунным грунтом и подсчет нейтрино, образующихся в распадах адронов, показали, что отношение лунного и атмосферного потоков нейтрино в направлении на Луну в низкоэнергетическом диапазоне (от 10 МэВ до примерно 1 ГэВ) близко к единице, однако их спектры сильно отличаются.  

Ученые отмечают, что регистрация нейтрино соответствующим детектором —  сложная задача, причем не только из-за высокой проникающей способности нейтрино, но и из-за наличия шума от других части. Они могут весьма убедительно имитировать нейтринные взаимодействия.

«Несмотря на схожее происхождение лунных и атмосферных нейтрино, своеобразный спектр первых, вызванный по большей части отсутствием атмосферы на Луне, делает потенциально возможным различать между собой нейтрино разного происхождения. Кроме того, при моделировании была обнаружена зависимость спектра лунных нейтрино от плотности реголита, что в дальнейшем может помочь в изучении свойств лунного грунта», — рассказал научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и МФТИ Сергей Демидов.

Обнаруженные учеными особенности быть использованы для поиска лунных нейтрино в будущих нейтринных экспериментах на Земле. 

Пока же угловое разрешение детекторов нейтрино остается  низким по сравнению с угловым размером Луны на небе, к тому же для детального изучения спектра лунных нейтрино необходимо хорошее энергетическое разрешение. Исследователи считают, что для обнаружения лунных нейтрино потребуются огромные нейтринные детекторы с исключительно высоким энергетическим и угловым разрешениями. Но однажды это может стать реальностью.

В этом случае Луна станет ближайшим астрофизическим источником, для которого работает концепция многоканальной астрономии, целью которой является получение сведений о происходящих в космосе процессах путем изучения волн, частиц и космических лучей высокой энергии, испускаемых одними и теми же внеземными источниками.

Работа опубликована в журнале Physical Review D.

• #Физика

Источник: https://zanauku.mipt.ru/2021/10/14/uchenye-rasschitali-potok-nejtrino-ot-kosmicheskih-luchej-padayushhih-na-poverhnost-luny/

Вам может быть интересно

10 августа

В Новосибирске состоится IX Международный форум технологического развития «Технопром-2022»

8 августа

Победитель «Лидеров России» предлагает создать команду ученых для интенсивного импортозамещения в химической промышленности

5 августа

Экскурсии «Наука рядом»: в июле школьники узнали, как создают вакцины, увидели строительство судов и сыграли роботами в лазертаг

Пройдут ли опасные космические лучи близко к Земле «сегодня вечером»?

Требовать:

Сегодня ночью рядом с Землей пройдут опасные космические лучи, причинив телесные повреждения, если вы будете держать рядом с собой личную электронику.

Рейтинг:

Ложь

Об этом рейтинге

Слухи об опасных космических лучах, прошедших мимо Земли «сегодня ночью», во многом идентичные по формулировкам, неуклонно накапливаются в нашей почте уже более года. Предупреждение, которое существует по крайней мере с 2014 года и чья вечность обеспечивается отсутствием конкретных дат или обсуждением часовых поясов, обычно формулируется следующим образом:

.

ОЧЕНЬ СРОЧНО! Сегодня вечером с 00:30 до 03:30 не забудьте выключить телефон, сотовую связь, планшет и т. д. и убрать подальше от тела! Сингапурское телевидение объявило в новостях! Пожалуйста, расскажите своей семье и друзьям! Сегодня с 12:30 до 3:30 на нашей Планете будет очень высокая радиация! Космические лучи пройдут близко к Земле, поэтому, пожалуйста, выключите свой мобильный телефон! Не оставляйте устройство близко к телу, это может привести к ужасным повреждениям! Проверьте Google и NASA BBC News! Отправьте это сообщение всем людям, которые важны для вас! Спасибо

Столь же неточна и наука, связанная с предупреждением. Когда астрономы обсуждают космические лучи, они почти всегда имеют в виду протоны высокой энергии из-за пределов нашей Солнечной системы, которые движутся почти со скоростью света и, как считается, выбрасываются при взрыве сверхновой звезды. Иногда, однако, этот термин также включает частицы высокой энергии от Солнца, как описано астрономом Калифорнийского технологического института Ричардом Мьюальдтом:

Космические лучи — это заряженные частицы высокой энергии, происходящие из космоса, которые движутся почти со скоростью света и падают на Землю со всех сторон. Большинство космических лучей представляют собой ядра атомов, начиная от самых легких и заканчивая самыми тяжелыми элементами периодической таблицы. […] Термин «космические лучи» обычно относится к галактическим космическим лучам, которые исходят из источников за пределами Солнечной системы, распределенных по всей нашей галактике Млечный Путь.

Однако этот термин также стал включать другие классы энергичных частиц в космосе, в том числе ядра и электроны, ускоренные в связи с энергетическими событиями на Солнце (называемые солнечными энергетическими частицами), и частицы, ускоренные в межпланетном пространстве.

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы (НОАА) (среди прочих агентств) постоянно следят за Солнцем на предмет событий, которые могут привести к выбросу солнечных частиц в направлении Земли. Они делают это не из-за риска для здоровья людей (если вы не астронавт в космосе), а из-за риска, который они могут представлять для электрических сетей и устройств, как описано НАСА:

При поражении […] корональным выбросом массы магнитные поля нашей планеты колеблются взад и вперед. Это генерирует электрические токи, радиоволны и ускоряет частицы. По мере изменения атмосферы частоты спутников GPS, которые должны проходить через ионосферу, могут нарушаться, что приводит к ошибкам […] в пару ярдов. Для авиакомпаний, военных операций, транспортных средств фермеров и финансовых транзакций, основанных на GPS, это вмешательство может оказаться разрушительным.

Другой тип солнечного извержения, называемый солнечной вспышкой, может создавать помехи для коротковолновых радиостанций. Эти низкочастотные радиоволны используют ионосферу как зеркало для отражения передач по всему миру; но во время солнечной бури они просто исчезают в небе, не в силах отскочить от атмосферы, столь измененной этими бурями.

Эти события не представляют прямого риска для здоровья людей на поверхности Земли, и поэтому несуществующий риск не будет усугубляться присутствием мобильного телефона рядом с вами. Идея о том, что НАСА отправит предупреждение по этому поводу, опровергается тем фактом, что ни одно предупреждение о солнечной активности с 2010 по 2015 год не содержало никаких указаний о размещении вашего мобильного телефона во время такого события. Кроме того, трехчасовое окно для того, чтобы избегать использования мобильного телефона, бессмысленно, учитывая тот факт, что такие события обычно нарушают наше магнитное поле на более длительный период времени.

Если, однако, предупреждение относилось к более классическому определению космических лучей — высокоэнергетическим (в основном) протонам, образующимся при взрывах сверхновых, — то предупреждение имеет еще более шаткую научную основу. Это потому, что космическое излучение, которое распространяется повсюду и отклоняется любым магнитным полем, с которым оно сталкивается, нелегко связать с одним источником. На самом деле ученые окончательно доказали, что космические лучи исходят от сверхновых только в 2013 году, несмотря на подозрения, существовавшие столетие назад. Космическое излучение — это медленно меняющийся фоновый процесс, не требующий никаких действий с вашей стороны.

Единственным мыслимым источником острого всплеска космического излучения может быть поток частиц, выброшенных непосредственно на Землю в результате близкого взрыва сверхновой. В дополнение к тому факту, что такое событие, по-видимому, будет предостерегать за десятилетия и, следовательно, сделает маловероятным эксклюзивный сенсационный сюжет Сингапурского телевидения, также нет звезд, достаточно близких к нам и достаточно близких к концу своего жизненного цикла, чтобы произвести такое впечатление. событие, по данным НАСА:

По оценкам астрономов, каждое столетие в нашей галактике взрывается в среднем одна или две сверхновые звезды. Но чтобы озоновый слой Земли пострадал от взрыва сверхновой, взрыв должен произойти на расстоянии менее 50 световых лет. Все близлежащие звезды, способные стать сверхновыми, находятся намного дальше.

С точки зрения воздействия на здоровье людей на земле, это фоновое космическое излучение, аналогичное солнечному излучению, не представляет непосредственного вреда и не может считаться риском для здоровья только в том случае, если вы не подвергаетесь хроническому воздействию более высоких уровней радиации в полярных регионах. НОАА:

Когда эти частицы попадают в атмосферу, образуются большие потоки вторичных частиц, некоторые из которых даже достигают земли. Эти частицы представляют небольшую угрозу для людей и систем на земле […]. Собственное магнитное поле Земли также защищает Землю от этих частиц, в значительной степени отклоняя их от экваториальных областей, но практически не обеспечивая защиты вблизи полярных областей [. ..]. Этот постоянный поток частиц GCR в высоких широтах может привести к повышенному радиационному облучению экипажей и пассажиров в высоких широтах и ​​на высоких высотах.

Поскольку это идентичное предупреждение было опубликовано в Интернете в течение многих лет, и поскольку ни одна из интерпретаций текста предупреждения не имеет научного смысла, мы оцениваем это утверждение как ложное.

Что такое космические лучи? | Живая наука

Новые изображения, полученные космическим гамма-телескопом НАСА «Ферми», показывают, где остатки сверхновых излучают излучение в миллиард раз более мощное, чем видимый свет. Изображения приближают астрономов на шаг ближе к пониманию источника некоторых из самых энергичных частиц во Вселенной — космических лучей. На этой композиции показан остаток сверхновой Кассиопеи А в спектре: гамма-лучи (пурпурный) от космического гамма-телескопа Ферми НАСА; Рентгеновские лучи (синий, зеленый) из рентгеновской обсерватории Чандра НАСА; видимый свет (желтый) от космического телескопа Хаббла; инфракрасный (красный) от космического телескопа Спитцер НАСА; и радио (оранжевый) от Very Large Array возле Сокорро, Нью-Мексико.
(Изображение предоставлено: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, CXC/SAO/JPL-Caltech/Steward/O. Krause et al. и NRAO/AUI)

Они невидимы. Их много. Они смертельно опасны. Это космические лучи.

Каждый кубический сантиметр пространства пропитан этими космическими лучами: через него постоянно струятся мельчайшие субатомные частицы. Космические лучи в основном состоят из протонов , но иногда включают более тяжелые атомные ядра. Они движутся почти со скоростью света — один обнаруженный космический луч, известный нахально как «частица OMG» из-за его экстремальной энергии, врезался в нашу атмосферу в 1991 году, путешествуя со скоростью 99,999999999999999999999951% скорости света, согласно справочной странице Гиперфизики Института Макдональда.

Это быстро.

Несмотря на название, космические лучи вовсе не лучи. Но в 1911 году, когда ученый Виктор Гесс отправил первые детекторы космических лучей на высоту 5300 метров (17 388 футов) в атмосферу, он не мог отличить частицы от электромагнитного излучения , согласно NobelPrize. org . (За свою работу Гесс получил Нобелевскую премию.) Из чего бы они ни были сделаны, это были лучи сверхвысокой энергии из космоса. Несмотря на то, что более поздние эксперименты раскрыли природу их частиц, название прижилось.

Откуда берутся космические лучи?

Космические лучи исходят из разных источников — все они интенсивны. Когда гигантские звезды умирают, они выворачиваются наизнанку за считанные секунды в фантастическом взрыве, известном как сверхновая. Одна вспышка сверхновой может затмить целую галактику из звезд, и поэтому они обеспечивают достаточно энергии, чтобы разогнать частицы почти до скорости света.

Звездные слияния также могут генерировать необходимую энергию, наряду с рождением новых звезд, событиями приливного разрушения (когда звезду съедает черная дыра ), и неистовые аккреционные диски вокруг массивных черных дыр. Все они испускают космические лучи различной энергии, которые затем заполняют космос.

Но определение источника космических лучей является сложной задачей, по данным Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) . Поскольку они являются заряженными частицами, они реагируют на магнитные поля. Наша галактика Млечный Путь имеет слабое (но сильное) магнитное поле, которое отклоняет пути любых космических лучей, поступающих из остальной Вселенной. К тому времени, когда эти космические лучи из-за пределов галактики достигнут наших детекторов Земля , они приходят со случайных направлений, без различимого происхождения.

Современные астрономы располагают множеством инструментов для поиска этих высокоэнергетических частиц. Самый простой метод — это прямое обнаружение: постройте коробку и подождите, пока в нее попадет космический луч, и запишите результат. Такие детекторы были установлены, например, на Международной космической станции. Но они ограничены в размерах и ориентируются только на небольшую часть наблюдаемой Вселенной, поэтому крупнейшие обсерватории космических лучей используют косвенные методы.

Как часто космические лучи попадают на Землю?

Космические лучи постоянно поражают атмосферу Земли, согласно НАСА . Когда они это делают, они высвобождают свою сдерживаемую энергию в виде потока вторичных частиц, которые затем направляются к земле. Затем этот поток можно обнаружить, например, с помощью обсерватории Пьера Оже в Аргентине. Вы даже можете построить детектор космических лучей дома: смочите войлочную прокладку в изопропиловом спирте и поместите ее над сухим льдом. Спирт образует пересыщенный пар. Когда космический луч проходит, он оставляет видимый след в паре. Вы можете найти инструкции на 915 эВ, каждый год поражают один квадратный метр.

Космические лучи бывают разных уровней энергии. Космические лучи с самой высокой энергией, известные как космические лучи сверхвысокой энергии, или UHERC, являются самыми редкими, поражающими один квадратный километр каждый год. Вот почему обсерватории, подобные Перре Оже, такие массивные — они создают большую собирающую поверхность. «Нам нужны гигантские эксперименты, потому что космические лучи с самой высокой энергией чрезвычайно редки», — сказала Live Science Ноэми Глобус, научный сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Крус и Института Флэтайрон в Нью-Йорке, а также эксперт по космическим лучам.

Эти UHERCS не только самые редкие космические лучи, но и одни из самых загадочных.

«Мы не понимаем происхождение космических лучей высочайшей энергии, — сказал Глобус. «Это просто неизвестно. Меня всегда поражала энергия этих частиц».

Космические лучи невидимы, но постоянно проходят через все на Земле. (Изображение предоставлено Getty)

(открывается в новой вкладке)

Вредны ли космические лучи?

Космические лучи всех энергий, по сути, ужасны для людей и их объектов. Они могут нарушить работу электроники и испортить цифровые камеры. По данным НАСА, как форма ионизирующего излучения они могут иметь различные последствия для здоровья. Они могут генерировать реактивные оксигенированные виды внутри клеток, которые при высоких уровнях могут подвергать клетки стрессу и приводить их к клеточному самоубийству, вызывать мутации ДНК и вызывать ошибки репликации, которые приводят к раку.

Связанный: Что такое свободные радикалы?

Плотная атмосфера на поверхности Земли защищает большинство людей от губительного воздействия космических лучей. Но космические лучи представляют серьезную опасность для астронавтов, особенно когда космические агентства планируют долгосрочные полеты на Луну и Марс. Шестимесячное пребывание на МКС даст астронавтам дозу радиации от космических лучей, эквивалентную примерно 25 жизням на поверхности. Полет туда и обратно на Марс, в том числе некоторое время на его незащищенной поверхности, утроит это воздействие.

Космические агентства в настоящее время усердно работают над определением долгосрочных неблагоприятных последствий для здоровья накопленного ущерба от космических лучей и пытаются разработать системы для снижения риска, такие как проектирование капсул, в которых груз действует как щит от космических лучей с людьми-астронавтами. защищен в центре.

Несмотря на то, что космические лучи, как правило, доставляют неудобства, без них эволюция жизни была бы невозможна. Это и есть цель исследований Глобус, поскольку она изучает роль, которую космические лучи играют в жизни. «Космические лучи вызывают мутации, поэтому космические лучи связаны со способностью эволюционировать», — сказала она.

На связь между космическими лучами и эволюцией долгое время не обращали внимания, но она быстро вызывает интерес в самых разных областях. Например, «мы не понимаем переход от неживого к жизни», особенно тот факт, что 19 из 20 природных аминокислот, вырабатываемых живыми организмами, обладают гомохиральностью, то есть они структурно устроены так, что их нельзя наложить друг на друга. изображение, — сказал Глобус. — Космические лучи могут сыграть свою роль на этом этапе». научный сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Круз.

Дополнительные ресурсы

• Прочтите «Как умереть в космосе: путешествие сквозь опасные астрофизические явления» (Pegasus Books, 2020) Пола М. Саттера (автора этой статьи!).
• Посмотрите это короткое видео о космических лучах, снятое Школой физики и астрономии Университета Монаша.
• Послушайте этот выпуск Radiolab, в котором рассказывается о воздействии космических лучей на жителей Земли.

Пол М.