Космические лучи

Втр, 09/16/2014 - 19:04

Крабовидная туманность, изученная в лучах с различной длиной волны. Голубой цвет — рентгеновские лучи (НАСА, рентгеновская обсерватория Чандра), зеленый — оптический диапазон (НАСА, обсерватория Хаббл), красный — инфракрасное излучение (ЕКА, обсерватория Спитцер)

Система телескопов H.E.S.S. в Намибии

Распределение направления прихода гамма-излучения с энергией 1-10 ГэВ в галактических координатах, по данным спутника EGRET

Черенковский детектор обсерватории «Пьер Оже». На холме расположен телескоп типа «глаз мухи»

-

Прошло без малого сто лет с того момента, как были открыты космические лучи-потоки заряженных частиц, приходящих из глубин Вселенной. С тех пор сделано много открытий, связанных с космическими излучениями, но и загадок остается еще немало. Одна из них, возможно, наиболее интригующая: откуда берутся частицы с энергией более
1020 эВ, то есть почти миллиард триллионов электрон-вольт, в миллион раз большей, чем будет получена в мощнейшем ускорителе — Большом адронном коллайдере (LHC)? Какие силы и поля разгоняют частицы до таких чудовищных энергий?

Космические лучи открыл в 1912 году австрийский физик Виктор Гесс. Он был сотрудником Радиевого института Вены и проводил исследования ионизированных газов. К тому времени уже знали, что все газы (и атмосфера в том числе) всегда слегка ионизованы, что свидетельствовало о присутствии радиоактивного вещества (подобного радию) либо в составе газа, либо вблизи прибора, измеряющего ионизацию, вероятнее всего в земной коре. Опыты с подъемом детектора ионизации на воздушном шаре были задуманы для проверки этого предположения, так как с удалением от поверхности земли ионизация газа должна уменьшаться. Ответ получился противоположный: Гесс обнаружил некое излучение, интенсивность которого росла с высотой. Это наводило на мысль, что оно приходит из космоса, но окончательно доказать внеземное происхождение лучей удалось только после многочисленных опытов (Нобелевскую премию В. Гессу присудили лишь в 1936 году). Напомним, что термин «излучение» не означает, что эти лучи имеют чисто электромагнитную природу (как солнечный свет, радиоволны или рентгеновское излучение); его использовали при открытии явления, природа которого еще не была известна. И хотя вскоре выяснилось, что основная компонента космических лучей — ускоренные заряженные частицы, протоны, термин сохранился. Изучение нового явления быстро стало давать результаты, которые принято относить к «передовому краю науки».

Открытие космических частиц очень высокой энергии сразу же (еще задолго до того, как был создан ускоритель протонов) вызвало вопрос: каков механизм ускорения заряженных частиц в астрофизических объектах? Сегодня мы знаем, что ответ оказался нетривиальным: природный, «космический» ускоритель кардинально отличается от ускорителей рукотворных.

Вскоре выяснилось, что космические протоны, пролетая сквозь вещество, взаимодействуют с ядрами его атомов, рождая неизвестные до этого нестабильные элементарные частицы (их наблюдали в первую очередь в атмосфере Земли). Исследование механизма их рождения открыло плодотворный путь для построения систематики элементарных частиц. В лаборатории протоны и электроны научились ускорять и получать огромные их потоки, несравнимо более плотные, чем в космических лучах. В конечном счете именно опыты по взаимодействию частиц, получивших энергию в ускорителях, привели к созданию современной картины микромира.

В 1938 году французский физик Пьер Оже открыл замечательное явление: ливни вторичных космических частиц, которые возникают в результате взаимодействия первичных протонов и ядер экстремально высоких энергий с ядрами атомов атмосферы.

Оказалось, что в спектре космических лучей есть частицы с энергией порядка 1015-1018 эВ — в миллионы раз большей энергии частиц, ускоряемых в лаборатории. Академик Дмитрий Владимирович Скобельцын придал особое значение изучению таких частиц и сразу после войны, в 1947 году, вместе с ближайшими коллегами Г.Т. Зацепиным и Н.А. Добротиным организовал комплексные исследования каскадов вторичных частиц в атмосфере, названных широкими атмосферными ливнями (ШАЛ). Историю первых исследований космических лучей можно найти в книгах Н. Добротина и В. Росси. Со временем школа Д.В. Скобельцына выросла в одну из самых сильных в мире и долгие годы определяла основные направления в изучении космических лучей сверхвысоких энергий. Ее методы позволили расширить диапазон исследуемых энергий от 109-1013 эВ, регистрируемых на воздушных шарах и спутниках, до 1013-1020 эВ. Особенно привлекательными эти исследования делали два аспекта.

Во-первых, появилась возможность использовать созданные самой природой протоны высокой энергии для изучения их взаимодействия с ядрами атомов атмосферы и расшифровки самой тонкой структуры элементарных частиц.

Во-вторых, возникла вероятность отыскать в космосе объекты, способные ускорить частицы до экстремально высоких энергий.

Первый аспект оказался не столь плодотворным, как хотелось: изучение тонкой структуры элементарных частиц потребовало гораздо больше данных о взаимодействии протонов, чем позволяют получить космические лучи. Вместе с тем важный вклад в представления о микромире дало изучение зависимости самых общих характеристик взаимодействия протонов от их энергии. Именно при изучении ШАЛ обнаружили особенность в зависимости количества вторичных частиц и их распределения по энергиям от энергии первичной частицы, связанную с кварк-глюонной структурой элементарных частиц. Эти данные позже подтвердились в опытах на ускорителях.

Сегодня построены достоверные модели взаимодействия космических лучей с ядрами атомов атмосферы, позволившие изучить энергетический спектр и состав их первичных частиц самых высоких энергий. Стало ясно, что космические лучи в динамике развития Галактики играют не меньшую роль, чем ее поля и потоки межзвездного газа: удельная энергия космических лучей, газа и магнитного поля примерно равны 1 эВ в см3. При таком балансе энергии в межзвездной среде естественно предположить, что ускорение частиц космических лучей происходит, скорее всего, в тех же объектах, которые отвечают за нагревание и выброс газа, например в Новых и Сверхновых звездах при их взрыве.
Первый механизм ускорения космических лучей предложил Энрико Ферми для протонов, хаотически сталкивающихся с намагниченными облаками межзвездной плазмы, но не смог объяснить всех экспериментальных данных.

В 1977 году академик Гермоген Филиппович Крымский показал, что этот механизм должен гораздо сильней ускорять частицы в остатках Сверхновых на фронтах ударных волн, скорости которых на порядки выше скоростей облаков. Сегодня достоверно показано, что механизм ускорения космических протонов и ядер ударной волной в оболочках Сверхновых наиболее эффективен. Но воспроизвести его в лабораторных условиях вряд ли удастся: ускорение происходит сравнительно медленно и требует огромных затрат энергии для удержания ускоренных частиц. В оболочках Сверхновых эти условия существуют благодаря самой природе взрыва. Замечательно, что ускорение космических лучей происходит в уникальном астрофизическом объекте, который отвечает за синтез тяжелых ядер (тяжелее гелия), действительно присутствующих в космических лучах.

Другие материалы рубрики


  • Космические фонтаны из водяного льда, пара и смеси других веществ, поднимающиеся над равнинами луны Сатурна, давно интригуют специалистов. Не хотят сходиться уравнения, описывающие энергетику этого мира, столь удаленного от Солнца. Однако все встает на свои места, если учесть новое открытие: волнующая активность Энцелада по геологическим меркам — мимолетный эпизод.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Юпитер называют планетой загадок. В статье высказывается гипотеза о причинах феномена «горячих теней» — наиболее таинственного и малоисследованного процесса, наблюдаемого в атмосфере гигантской планеты.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Был ли Большой взрыв началом времени или Вселенная существовала и до него? Лет десять назад такой вопрос казался нелепым. В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север. Но развитие теоретической физики и, в частности, появление теории струн заставило ученых снова задуматься о предначальной эпохе.
    Вопрос о начале начал занимать философов и богословов с давних времен. Он переплетается с множеством фундаментальных проблем, нашедших свое отражение в знаменитой картине Поля Гогена «D’ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous?» («Откуда мы пришли? Кто мы такие? Куда мы идем?»). Полотно изображает извечный цикл: рождение, жизнь и смерть — происхождение, идентификация и предназначение каждого индивидуума. Пытаясь разобраться в своем происхождении, мы возводим свою родословную к минувшим поколениям, ранним формам жизни и прото-жизни, химическим элементам, возникшим в молодой Вселенной, и, наконец, к аморфной энергии, некогда заполнявшей пространство. Уходит ли наше фамильное древо корнями в бесконечность или космос так же не вечен, как и мы?

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Давайте вспомним испытание противоспутникового оружия, проведенное 11 января 2007 года Китаем. Почему оно вызвало беспокойство у специалистов космической отрасли? Ведь с 1968-го по 1986-й США и СССР провели свыше 20 таких же испытаний! И с того времени уже было проведено несколько подобных испытаний?! Дело вовсе не в международной безопасности. Или не только в ней.



  • ...Новая теория позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку. В результате этих работ была предсказана новая разновидность света, состоящая не из обычных фотонов, а из загадочных Z–частиц. В окрестностях Женевы в 1983 году в серии экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, были обнаружены Z–частицы, то есть единая теория поля получила подтверждение. Теоретики к этому времени сформулировали амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабыми взаимодействиями еще один тип ядерных сил — сильное взаимодействие. Кроме того, были получены первые результаты исследований в области гравитации, показывавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Наблюдения на рентгеновской обсерватории «Чандра» показали наличие большого числа маломассивных рентгеновских двойных звезд в эллиптических и линзовидных галактиках, а также в балджах — центральных сферических компонентах — дисковых галактик. Распределение источников по светимостям хорошо описывается двумя компонентами, граница между которыми соответствует светимости порядка (2-3) 1038 эрг/с. Т.к. эта величина примерно соответствует максимальной (т.н. Эддингтоновской) светимости объекта с массой 1.4 Мо, то возможно, что более мощные источники являются аккрецирующими черными дырами, а менее мощные — нейтронными звездами. Т.о. с некоторой долей уверенности можно говорить, что мы видим в галактиках ранних типов — эллиптических и линзовидных — тесные двойные системы как с черными дырами (самые яркие источники), так и с нейтронными звездами (менее яркие).



  • Этот взрыв потряс не только часть Вселенной, но и земную астрономию! Громадная звезда вдруг стала сверхновой, и ее разорвало на куски с таким шиком, что даже бывалые астрономы заявили, что никогда такого не видали. А ведь должна была вести себя тихо-тихо. Ученые подозревают, что такое разрушительное событие может в любой момент повториться у нас прямо под боком. Возможно, даже завтра. Или прямо сейчас.



  • Галактика, в которой мы живем, — Млечный Путь — настоящий исполин по галактическим меркам. Среди галактик местной группы лишь Туманность Андромеды может тягаться с нашим домом по количеству звезд, размерам и массе. Однако сферы влияния гигантов давно поделены, и нашу галактику окружают десятки, а может, и сотни галактик-спутников.
    Сейчас известны по крайней мере 23 спутника нашей галактики. Некоторые из них светятся, как миллиарды солнц, и жителям Южного полушария нашей планеты отлично знакомы Магеллановы облака — крупнейшие спутники нашей Галактики, не заметить которые на ночном небе невозможно даже невооруженным глазом.



  • ...Среди прочих лептонов в 1936 году, среди продуктов взаимодействий космических лучей, был открыт мюон. Он оказался одной из первых известных нестабильных субатомных частиц, которая во всех отношениях, кроме стабильности, напоминает электрон, то есть имеет тот же заряд и спин и участвует в тех же взаимодействиях, но имеет бóльшую массу. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. На долю мюона приходится значительная часть фонового космического излучения, которое регистрируется на поверхности Земли счетчиком Г. Гейгера...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Немного найдется произведений, передающих красоту космических объектов, называемых планетарными туманностями. Освещенные изнутри родительской звездой, расцвеченные флуоресцирующими атомами и ионами на фоне космической черноты, газовые структуры кажутся живыми. Ученые дали им прозвища — Муравей, Морская Звезда, Кошачий Глаз...
    Термин «планетарные туманности» — представляющие собой размытые, похожие на облака объекты, видимые только в телескоп — придумал два столетия назад английский астроном Вильям Гершель (William Herschel), исследователь туманностей. Многие из них имеют округлую форму, которая напомнила ученому зеленоватый диск планеты Уран, им же и открытой. К тому же он полагал, что округлые туманности могут быть планетными системами, формирующимися вокруг молодых звезд. Термин прижился, несмотря на то, что действительность оказалась иной: туманности такого типа состоят из газа, сброшенного умирающими звездами. Примерно через 5 млрд. лет Солнце закончит свой космический век изящным выбросом планетарной туманности, что не вполне соответствует теории эволюции звезд — основе, на которой базируется наше понимание космоса. Если звезды рождаются, живут и умирают круглыми, то как же они создают вокруг себя структуры, которые мы видим на фотографиях «Хаббла», подобные Муравью, Морской Звезде или Кошачьему Глазу?

    • Страницы
    • 1
    • 2