КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ (КЛ) - поток заряж. частиц высокой энергии, преим. протонов, приходящих к Земле приблизительно изотропно со всех направлений космич. пространства. Внутрь Солнечной системы КЛ попадают в основном из межзвёздного пространства от источников, расположенных в пределах нашей Галактики,- галактические КЛ (ГКЛ): самые энергичные частицы имеют, по-видимому, внегалактич. происхождение - метагалактичсские КЛ; нек-рая доля КЛ приходит от Солнца после мощных солнечных вспышек - солнечные КЛ (СКЛ). Названные КЛ являются первичными. При вхождении в атмосферу Земли, сталкиваясь с ядрами атомов воздуха, они образуют большое количество вторичных частиц (протонов, электронов, мезонов, фотонов и др.) - вторичные КЛ, к-рые затем регистрируются приборами на Земле.

Общая характеристика КЛ . Существование КЛ было установлено в 1912 В. Гессом (V. Hoss) по производимой ими воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение; отклонение КЛ в магн. поле [Р. Милликен (R. A. Millikan), 1923; Д. В. Скобельцын, 1927: С. Н. Вернов, 1935] показало, что первичные КЛ представляют собой поток заряж. частиц.

КЛ напоминают сильно разреженный газ, частицы к-рого практически не сталкиваются друг с другом, по взаимодействуют с веществом и эл--магн. полями межзвёздного и межпланетного простраиства. Ядра атомов разл. элементов, входящие в состав КЛ, полностью лишены электронов и обладают огромными кинетич. энергиями (вплоть до 10 20 эВ). Хотя суммарный поток первичных КЛ на границе с атмосферой Земли невелик (1 частица/см 2* с), ср. плотность их энергии (1 эВ/см 3) сравнима со ср. плотностью лучистой энергии звёзд в межзвёздной среде, энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетич. энергии его турбулентных движений, а также со ср. плотностью энергии магн. поля Галактики.

Важная особенность КЛ - нетепловое происхождение их энергии. Действительно, при темп-ре 10 9 К, характерной, по-видимому, для звёздных недр, энергия теплового движения частиц не превышает 10 5 эВ. Осн. же масса частиц КЛ, наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 10 8 эВ и выше. Это означает, что КЛ приобретают энергию в специфич. астрофизич. процессах эл--магн. и плазменной природы.

Изучение КЛ даёт ценные сведения об эл--магн. условиях в разл. областях космич. пространства. Круг вопросов, связанных с изучением происхождения КЛ, их состава, спектра, временных вариаций, их роли в астрофиз. явлениях, составляет космофизический аспект КЛ.

С др. стороны, КЛ незаменимы в качестве естеств. источника частиц высокой энергии при изучении элементарной структуры вещества и взаимодействий между . Исследования такого рода относятся к ядерно-физическому аспекту КЛ. Именно детальное изучение зарядов и масс вторичных КЛ привело к открытию позитронов (1932), мюонов (1937), - и К-мезонов (1947), а также А 0 -, -гиперонов. Исследования КЛ в ядерно-физ. аспекте продолжаются в основном с целью определения характеристик элементарного акта ядерного взаимодействия при энергиях >10 15 эВ; кроме того, они дают информацию об интенсивности, спектре и анизотропии частиц при 10 15 -10 20 эВ, что очень важно для поиска источников КЛ и механизмов их ускорения. КЛ ещё долго будут оставаться уникальным источником частиц сверхвысоких энергий, т. к. на самых мощных совр. ускорителях макс. достигнутая энергия пока не превышает 10 14 эВ.

Методы наблюдения КЛ . Из-за огромного энергетич. диапазона КЛ (10 6 -10 20 эВ) методы их регистрации и наблюдения очень разнообразны. Это и наземные счётчиковые установки большой площади для регистрации т. н. широких атм. ливней (см. ниже), и мировая сеть нейтронных мониторов, и счётчиковые телескопы, ионизац. камеры, фотоядерные эмульсии, поднимаемые на аэростатах, геофизич. ракетах, на ИСЗ и межпланетных автоматич. станциях. С развитием космич. техники и радиохимич. методов стало возможным изучать характеристики КЛ по радиоизотопам и трекам, образуемым ими в метеоритах, лунном грунте и т. п.

Используются также косвенные методы изучения КЛ - по наблюдениям радиоизлучения космич. электронов, по данным о гамма-излучении от распада нейтральных пионов, образуемых КЛ в межзвёздном пространстве, по эл--магн. солнечных вспышек, по эффектам ионизации, вызываемым КЛ в ниж. части Земли (особенно в полярных широтах при вторжении СКЛ) и др.

Состав космических лучей . Более 90% частиц КЛ всех энергий составляют протоны, 7% - ядра гелия (-частпцы) и лишь небольшая доля (1%) приходится на ядра более тяжёлых элементов (эти цифры относятся к частицам с энергией 2,5 ГэВ/нуклон). Относит. содержание ядер элементов в КЛ приведено в таблице.

Относительное среднее содержание ядер элементов в КЛ, на Солнце и в звёздах

* Данные наблюдений для интервала энергий =1 - 20 Мэв/нуклон, остальные цифры в этой колонке относятся к >40 МэВ/нуклон. Точность значений 10-50%. ** Количество ядер кислорода принято за единицу.

Такой состав КЛ приблизительно соответствует ср. распространённости элементов во Вселенной с двумя существенными отклонениями: в КЛ значительно больше лёгких ядер (Li, Be, В) и тяжёлых ядер с Z 20. Большое количество ядер Li, Be, В по сравнению со ср. распространённостью связано, вероятно, с расщеплением тяжёлых ядер при столкновениях с ядрами атомов межзвёздной среды. Из наблюдаемого количества ядер лёгкой группы и изотопного состава ядер Be получены оценки расстояния, проходимого КЛ в межзвёздной среде (3 г/см 2 , или 3*10 25 см), и времени жизни КЛ в Галактике (10 8 лет). КЛ содержат также 1% релятивистских электронов с энергиями 1 ГэВ, а также позитроны, причём наблюдаемое отношение их интенсивностей составляет 0,1. В 1979- 1981 получены эксперим. свидетельства того, что в КЛ значит. количество антипротонов (10 -4 по отношению к протонам).

Энергетический спектр имеет вид немонотонной кривой с максимумом при 300-500 МэВ/нуклон и минимумом при =20-30 МэВ/нуклон (рис. 1). Уменьшение интенсивности КЛ при 400 МэВ/нуклон объясняют модуляцией, оказываемой межпланетными магн. полями, переносимыми солнечным ветром, хотя вид первичного спектра за пределами Солнечной системы неизвестен. Характерный провал в спектре в интервале 10-40 МэВ - вероятно, результат наиболее эфф. рассеяния частиц на неоднородностях межпланетного магн. поля.

Рис. 1. Дифференциальный спектр космических лучей (протонов) с e k 10 ГэВ в межпланетном пространстве вблизи орбиты Земли в 1965.

В области энергий левее минимума (10 МэВ) спектр испытывает сильные и частые нерегулярные вариации, вызванные потоками СКЛ. Энергетич. спектр СКЛ у Земли сильно меняется от вспышки к вспышке, имеет приблизительно степенной характер с показателем степени 3-7 (см. Солнечные космические лучи ).В спокойные периоды, когда потоки СКЛ обладают минимальной интенсивностью и относительно стабильны, в межпланетном пространстве существует квазистационарный фон малоэнергичных КЛ со спектром, показанным на рис. 1 (левее минимума).

Ниж. граница энергии СКЛ неопределённа и составляет 10 6 эВ. Верх. предел энергии СКЛ 2 10 9 эВ; имеются отд. указания о регистрации солнечных протонов с энергией до 10 10 эВ.

В области энергий выше 10 10 эВ дифференц. спектр уже не подвержен модуляции и хорошо описывается степенной ф-цией с показателем степени 2,7 вплоть до 10 15 эВ. При 10 15 эВ в спектре имеется излом, спектр становится более крутым (g3,2). В области e к 10 18 эВ форма спектра известна плохо, но есть указания на то, что спектр вновь становится более пологим. При e k 10 19 -10 20 эВ спектр должен резко обрываться из-за ухода частиц в межгалактич. пространство и взаимодействия с фотонным реликтовым излучением . Поток частиц сверхвысоких энергий очень мал: на площадь 10 км 2 за год попадает в среднем не более одной частицы e к 10 20 эВ.

Форма энергетич. спектра a-частиц и более тяжёлых ядер близка к форме спектра протонов; это означает, что хим. состав КЛ слабо зависит от энергии, однако данные о составе КЛ в области высоких энергий весьма скудны. Спектр электронов при достаточно высоких энергиях также близок к степенному с =2,7.

Вариации КЛ . Проникая в Солнечную систему, первичные ГКЛ вступают во взаимодействие с межпланетным магн. полем гелиосферы, к-рое формируется плазмой, движущейся радиально от Солнца (солнечный ветер ).В Солнечной системе устанавливается равновесие между конвективным потоком КЛ, выносимым солнечным ветром наружу, и потоком, направленным внутрь системы. Влияние межпланетного поля "чувствуют" частицы сравнительно небольших энергий (e к 10 10 эВ), ларморовский радиус к-рых сравним с размерами неоднородностей межпланетного магн. поля. Параметры гелиосферы изменяются с изменением солнечной активности в течении 11-летнего цикла, и в ГКЛ наблюдается модуляция интенсивности, наз. 11-летней вариацией. Интенсивность КЛ изменяется в противофазе с солнечной активностью. Амплитуда вариаций различна для разных энергий, а интегральный поток ГКЛ меняется приблизительно в два раза.

Кроме 11-летней наблюдаются ещё 27-дневная, солнечно-суточная вариации, Форбуша эффект и др. 27-дневная вариация КЛ с амплитудой 10% в межпланетном пространстве на орбите Земли соответствует периоду вращения Солнца и обусловлена асимметрией потока магн. неоднородностей в солнечном ветре. Солнечно-суточная вариация с амплитудой 2% связана с суточным вращением Земли и обусловлена различием свойств солнечного ветра в направлении на Солнце и в антисолнечном направлении. Эффект Форбуша представляет собой кратковрем. понижение интенсивности КЛ (на 50% в межпланетном пространстве и до 25-30% на поверхности Земли), обычно связанное с геомагн. бурей. Этот эффект вызывается рассеянием ГКЛ магн. полями, переносимыми солнечными корпускулярными потоками после вспышек на Солнце, когда поля оказываются у Земли и как бы ""закрывают"" её от КЛ.

Исследования вариаций ГКЛ и СКЛ позволили оценить напряжённость квазирегулярного межпланетного магн. поля (ср. значение на орбите Земли 10 -6 Гс). Неоднородности межпланетного магн. поля имеют характерные размеры 10 10 -10 11 см (для сравнения -диаметр Земли равен 1,28*10 9 см). Вариации КЛ дают уникальную возможность исследовать свойства солнечного ветра перпендикулярно плоскости эклиптики на больших расстояниях от Солнца. Исследования вариаций КЛ помогают в изучении свойств земной магнитосферы (определение параметров кольцевого тока, возникающего при развитии геомагн. бури), ионосферы (образование ионизованного слоя за счёт ГКЛ и усиленная ионизация в полярной ионосфере во время вспышек СКЛ).

Попадая в магн. поле Земли, ГКЛ отклоняются от первонач. направления вследствие действия на них Лоренца силы . На заданную широту вблизи Земли с данного направления приходят частицы только с энергией, превышающей нек-рое пороговое значение. Этот эффект наз. геомагн. обрезанием. Отклоняющее действие магн. поля проявляется тем сильнее, чем меньше геомагн. широта места наблюдения. Так, напр., с вертикального направления на экватор попадают протоны только с энергией e k 1,5*10 10 эВ, на геомагн. широту 51° - с энергией e к 2,5*10 9 эВ. Поскольку ГКЛ имеют падающий спектр, их интенсивность на экваторе меньше, чем на высоких широтах,- т. н. широтный эффект КЛ.

Взаимодействие КЛ с атмосферой Земли . Попадая в атмосферу Земли, высокоэнергичные первичные КЛ (протоны и др. ядра) испытывают столкновения с ядрами атомов воздуха (в основном азота и кислорода). В результате взаимодействия происходит расщепление ядер и рождение нестабильных элементарных частиц (т. н. множественные процессы) . Ср. пробег до ядерного взаимодействия в атмосфере для протонов 80 г/см 2 , что составляет часть всей толщи атмосферы, следовательно, протон успеет неск. раз вступить во взаимодействие с ядрами атомов воздуха. Поэтому вероятность дойти до уровня моря у первичных КЛ крайне мала. На больших глубинах в атмосфере регистрируется вторичное излучение, разделяемое в соответствии с природой и свойствами на ядерно-активную, мюонную и электронно-фотонную компоненты (рис. 2).

В элементарном акте взаимодействия первичной частицы КЛ с ядрами атомов воздуха рождаются почти все известные элементарные частицы, среди к-рых гл. роль играют -мезоны, как заряженные, так и нейтральные. Нуклоны и не успевшие распасться -мезоны образуют ядерно-активную компоненту вторичного излучения. Взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, они, подобно первичной частице КЛ, рождают новые каскады частиц до тех пор, пока их энергия не снизится до 10 9 эВ. На уровне моря остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

Мюонная и нейтринная компоненты образуются при распаде заряженных-мезонов

Высокоэнергичные мюоны взаимодействуюг с веществом, поэтому они доходят до уровня моря и проникают глубоко под землю. Нейтроны и мюоны вторичного излучения постоянно регистрируются сетью наземных станций. На основе этих измерений исследуются вариации интенсивности первичных КЛ.

Рис. 2. Схема взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли: 1 - электронно-фотонная, 2 - мюонная, 3 - нуклонная компоненты.

Возникновение электронно-фотонной компоненты связано с распадом -мезонов: . В кулоновском поле ядер каждый g-фотон рождает электрон-позит-ронную пару . За счёт тормозного излучения этой пары вновь возникают -фотоны, к-рые рождают, в свою очередь, электрон-позитронные пары. Повторение этого процесса приводит к лавинообразному размножению числа частиц до тех пор, пока при нек-рой преобладающими не станут конкурирующие процессы потери энергии -фотонами и электронами (позитронами). После этого происходит затухание каскада. Число частиц в максимуме каскада пропорц. энергии первичной частицы. Каскады, образующиеся при КЛ с >10 14 эВ, содержат 10 6 - 10 9 частиц; они наз. широкими атмосферными ливнями (ШАЛ). С помощью ШАЛ проводится исследование КЛ в области сверхвысоких энергий.

Происхождение КЛ . Для ГКЛ, наблюдаемых у Земли, характерна высокая степень изотропии: с точностью до 0,1% интенсивность частиц с 10 11 -10 15 эВ по всем направлениям одинакова. При более высоких энергиях амплитуда анизотропии постепенно растёт (рис. 3) и в интервале =10 19 -10 20 эВ достигает неск. десятков %. Анизотропия 0,1% с максимумом вблизи 19 n звёздного времени примерно совпадает с направлением магн. поля галактич. спирали, в к-рой находится Солнце; вероятно, она связана с вытеканием КЛ из Галактики. Направление макс. интенсивности ГКЛ с энергией >10 17 эВ соответствует появлению дрейфового потока поперёк силовых линий галактич. магп. поля. Возможно, для этих энергий источники КЛ в нашей Галактике уже не эффективны и к Земле приходят КЛ из др. галактик.

Рис. 3. Амплитуда анизотропии космических лучей в зависимости от анергии в интервале = 10 11 -10 20 эВ.

Из-за высокой изотропии ГКЛ наблюдения у Земли не позволяют однозначно установить, где они рождаются и как распределены во Вселенной. Ответить па эти вопросы могла радиоастрономия в связи с открытием космич. синхротронного излучения в диапазоне радиочастот f 10 7 -10 9 Гц. В галактич. магн. полях релятивистские электроны движутся подобно др. заряж. частицам высокой энергии (протонам и более тяжёлым ядрам), но в отличив от них, благодаря малой массе, интенсивно излучают и тем самым обнаруживают себя в удалённых частях Галактики, являясь индикаторами КЛ вообще. Релятивистские электроны занимают протяжённую область, охватывающую всю Галактику и наз. галактическим гало.

Кроме общего галактич. радиоизлучения были обнаружены дискретные его источники: оболочки сверхновых звёзд, пульсары , ядро Галактики, квазары .Естественно ожидать, что все эти объекты являются источниками КЛ. Магн. поля указанных объектов отличаются большой напряжённостью, поэтому электроны в таких полях могут генерировать также рентг. излучение синхротронной природы, к-рое даёт дополнит. информацию об источниках КЛ.

Важным индикатором источников КЛ является космич. гамма-излучение, возникающее за счёт распада нейтральных пионов, образующихся при столкновениях КЛ с частицами межзвёздного газа. Гамма-лучи не подвержены воздействию магн. полей, поэтому направление их прихода непосредственно указывает на источник КЛ. В отличие от наблюдаемого внутри Солнечной системы почти изотропного распределения КЛ, распределение гамма-излучения по небу оказалось весьма неравномерным и подобным распределению сверхновых звёзд по галактич. долготе. Этот факт свидетельствует в пользу гипотезы о том, что сверхновые являются источником КЛ. В пользу сверхновых как осн. источника КЛ говорят также оценки их энерговыделения при вспышках. Полная мощность всех источников КЛ в Галактике составляет 10 40 эрг*с -1 . Энерговыделение при вспышке одной сверхновой обычно считается 10 49 -10 51 эрг. Сверхновые в Галактике вспыхивают в среднем каждые 10- 30 лет, так что ср. мощность их энерговыделения составляет 10 40 -3*10 42 эрг*с -1 . Т.о., сверхновые являются наиб. вероятными источниками ГКЛ. Но не следует исключать нек-рого вклада др. галактич. источников КЛ, в частности пульсаров, где возможно ускорение до весьма высоких энергий, и галактич. ядра, где идут взрывные процессы, аналогичные взрывам сверхновых. КЛ с >10 17 эВ, скорее всего, ускоряются во внегалактич. источниках.

Механизмы ускорения . Вопрос об ускорении частиц до высоких энергий (превращении энергии магн. поля и движений в энергию быстрых частиц) в деталях ещё далёк от окончат. решения. Однако в общих чертах принципиальная сторона процесса ускорения ясна. Чтобы свершился элементарный акт приращения энергии заряж. частицы, необходим источник энергии в виде электрич. поля. В космич. плазме не могут существовать сколько-нибудь значит. электростатич. поля, к-рые бы ускоряли заряж. частицы за счёт разности потенциалов между точками поля. Но в плазме могут возникать электрич. поля импульсного или индукционного характера. Импульсные электрич. поля появляются, напр., при разрыве нейтрального токового слоя , возникающего в области пересоединения магн. полей противоположной полярности. Индукционное электрич. поле появляется при увеличении напряжённости магн. поля со временем.

Нач. стадия ускорения может быть также обусловлена взаимодействием частиц с электрич. полями плазменных волн в областях с интенсивным турбулентным движением плазмы (см. Взаимодействие частиц с волнами) . В отличие от регулярного ускорения в полях импульсного или индукционного типа, ускорение плазменными волнами имеет статистич. характер. К числу статистич. относится также модель Ферми, в к-рой ускорение происходит при столкновениях частиц с движущимися магн. неоднородностями (""облаками""). Аналогична природа ускорения частиц при их взаимодействии с сильными ударными волнами, в частности при сближении двух ударных воли, образующих отражающие магн. "стенки" для ускоряемых частиц.

В межзвёздной среде статистич. ускорение, по-видимому, неэффективно, за исключением, возможно, частиц сравнительно малых энергий ( -3 ГэВ). В оболочках сверхновых наблюдаются интенсивные турбулентные движения, поэтому эффективность статистич. ускорения должна повышаться.

Наряду с огромной ролью КЛ в астрофизич. процессах, необходимо отметить их значение для изучения далёкого прошлого Земли (истории климата, эволюции биосферы и т. д.) и для решения нек-рых практич. задач современности (обеспечение радиац. безопасности космич. полётов, оценка возможного вклада КЛ в метеоэффекты и т. п.). Осн. вклад в общий радиац. фон у орбиты Земли вносят солнечные КЛ.

Лит.: Гинзбург В. Л., Сыроватский С. И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Мирошниченко Л. И., Космические лучи в межпланетном пространстве. М., 1973; Дорман Л. И., Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей, М., 1975; Мурзин В. С., Введение в физику космических лучей, М., 1979; Топтыгин И. Н., Космические лучи в межпланетных магнитных полях, М., 1983; Мирошниченко Л. И., Петров В. М., радиационных условий в космосе, М., 1985. Л. И. Мирошниченко .

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

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

Основные сведения

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

Физика космических лучей изучает:

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

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

Классификация по происхождению космических лучей:

• в Галактике
• в межпланетном пространстве

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

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

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

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

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

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

История физики космических лучей

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

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

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

Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве

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

Галактические космические лучи (ГКЛ)

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

Вторичные частицы в магнитосфере Земли: радиационный пояс, частицы альбедо

Космические лучи ультравысоких энергий

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

Регистрация космических лучей

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

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

Космические лучи — это потоки заряженных частиц высоких энергий, которые состоят из протонов. Они приходят к Земле со всех направлений межзвёздного пространства, в том числе от Солнца. После , происходящих на , интенсивность потоков резко возрастает.Космические лучи напоминают очень разреженный газ, в котором частички почти не взаимодействуют между собой. Но, пролетая сквозь вещество, сталкиваются с ядрами его атомов и рождают нестабильные элементарные частицы (по этим следам их и обнаруживают). Околоземное космическое пространство пронизывают космические лучи двух типов: стационарные и нестационарные. К стационарным относятся потоки частиц из , нестационарные – это лучи солнечного происхождения.

Каждую секунду потоки всевозможных частиц обрушиваются на Землю из глубин космоса. Космические лучи преодолевают гигантские расстояния, но не теряют своей мощи. Они вторгаются в атмосферу нашей планеты, ионизируя составляющие её газы. Пионером этого открытия стал В. Гесс: при помощи воздушного шара он сумел определить, что ионизация газов с высотой не уменьшается, как считалось, а увеличивается. Это свидетельствовало о том, что радиоактивное вещество, ответственное за этот процесс, находится не в нашей планете.

Виды

Галактические

Энергии первичных космических лучей, представляющих собой атомные ядра и элементарные частицы, колоссальны, и достигают значений в сотни ГэВ. При прохождении сквозь земную атмосферу, они создают новые частицы, называемые вторичными космическими лучами. Космические лучи преодолевают огромные расстояния внутри нашей галактики, постоянно изменяя направления. Они обладают почти световыми скоростями, а причина изменения направлений кроется в магнитном поле . Лучам очень сложно покинуть пределы галактики, потому что магнитное поле её замкнуто. Это позволило подтвердить теорию, что магнитное поле в нашей галактике существует, вычислить её напряжённость. Из расчётов получается, что космические лучи проходят расстояния до 10 27 см за периоды, составляющие миллиарды лет. Исходя из времени существования частиц, можно определить мощность их источников. Такими источниками, например, служат . Космические лучи способны нагревать разреженные газы до миллионов градусов. Подобный процесс существует, например, в конвективной зоне Солнца. Из этих газов образуется огромное гало, называемое галактической короной.

Альбедо

Часть лучей отражается земной атмосферой, создавая вторичные частицы – альбедо. Нейтроны альбедо снабжают радиационный пояс протонами, имеющими энергии до 10 3 МэВ и электронами, энергий в несколько МэВ.

Солнечные

Во время вспышек на Солнце выделяются потоки заряженных частиц. Они ускоряются в верхних слоях атмосферы светила и приобретают достаточно высокие энергии. Регистрация их у земной поверхности, на фоне более высокоэнергичных галактических потоков, происходит в виде резкого повышения интенсивности потока космических лучей. Основная масса солнечных лучей – протоны с энергиями в 10 6 эВ, а верхний предел их энергии – 2 . 10 10 эВ.

Лучи ультравысоких энергий

Энергия частиц таких лучей выше допустимого теоретического предела энергии, составляющего 5 . 10 19 эВ. Этот предел обусловлен взаимодействием их с фотонами первичного, реликтового, излучения. Получается, что эти космические лучи - скитальцы из глубин Вселенной. Обсерватория AGASA запеленговала несколько десятков источников частиц ультравысоких энергий в течение года.

Регистрация космических лучей

В современных обсерваториях отслеживание следов космических лучей производится при помощи телескопов. Частицы, имеющие высокие энергии, входя в атмосферу, взаимодействуют с атомами воздуха. В результате этого рождаются потоки пионов и мюонов, которые сами образуют другие частицы. Процесс продолжается дальше, до образования конуса из частиц, именуемого ливнем. Такие частицы обладают скоростью, которая выше световой (в воздухе), поэтому происходит их свечение. Способ даёт возможность отслеживать области неба в сотни км 2 .

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

Физика космических лучей изучает:

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

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

Классификация по происхождению космических лучей:

• вне нашей Галактики;
• в Галактике;
• на Солнце;
• в межпланетном пространстве.

Первичными принято называть внегалактические, галактические и солнечные космические лучи.

Вторичными космическими лучами принято называть потоки частиц, возникающих под действием первичных космических лучей в атмосфере Земли и регистрирующихся на поверхности Земли.

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

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

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

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

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: p (Z = 1) , {\displaystyle (Z=1),} α (Z = 2) , {\displaystyle (Z=2),} L (Z = 3...5) , {\displaystyle (Z=3...5),} M (Z = 6...9) , {\displaystyle (Z=6...9),} H (Z ⩾ 10) , {\displaystyle (Z\geqslant 10),} VH (Z ⩾ 20) {\displaystyle (Z\geqslant 20)} (соответственно, протоны, альфа-частицы, лёгкие, средние, тяжёлые и сверхтяжёлые). Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий , бериллий , бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа . Данное явление объясняется тем, что механизм генерации космических частиц в первую очередь ускоряет тяжёлые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра . Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии .

История физики космических лучей

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

В 1921-1925 годах американский физик Милликен , изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами.

В 1925 году советские физики Л. А. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления - открыли «барометрический эффект». Опыты Д. В. Скобельцына с камерой Вильсона, помещённой в постоянное магнитное поле, дали возможность «увидеть», за счёт ионизации, следы (треки) космических частиц. Д. В. Скобельцын открыл ливни космических частиц.

Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий.

Космические лучи ультравысоких энергий

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

Регистрация космических лучей

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

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

Значение для космических полётов

Визуальный феномен космических лучей (англ. )

Космонавты МКС , когда закрывают глаза, не чаще, чем раз в 3 минуты, видят вспышки света , возможно, это явление связано с воздействием частиц высоких энергий, попадающих в сетчатку глаза. Однако экспериментально это не подтверждено, возможно, что этот эффект имеет под собой исключительно психологические основы.

Радиация

Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей - учёные из России и США уже ищут способы решения этой проблемы.

Космические лучи
12.12.2005 20:11 |"Соросовская Энциклопедия"

1. Введение

Конец XIX - начало XX века ознаменовались новыми открытиями в области микромира. После открытия рентгеновских лучей и радиоактивности были обнаружены заряженные частицы, приходящие на Землю из космического пространства. Эти частицы были названы (КЛ).

Датой открытия космических лучей принято считать 1912 год, когда австрийский физик В.Ф. Гесс с помощью усовершенствованного электроскопа измерил скорость ионизации воздуха в зависимости от высоты. Оказалось, что с ростом высоты величина ионизации сначала уменьшается, а затем на высотах свыше 2000 м начинает резко возрастать. Ионизующее излучение, слабо поглощаемое воздухом и увеличивающееся с увеличением высоты, образуется КЛ, падающими на границу атмосферы из космического пространства.

КЛ представляют собой ядра различных элементов, следовательно, являются заряженными частицами. Наиболее многочисленны в КЛ ядра атомов водорода и гелия (~85 и ~10 % соответственно). Доля ядер всех остальных элементов таблицы Менделеева не превышает ~5 %. Небольшую часть КЛ составляют и (менее 1 %).

В процессах, происходящих во , КЛ играют важную роль. Плотность энергии КЛ в составляет ~1 эВ/см 3 , что сравнимо с плотностями энергий и галактического магнитного поля.

По содержанию в КЛ элементов лития, бериллия и бора, которые образуются в результате ядерных взаимодействий космических частиц с атомами , можно определить то количество вещества X , через которое прошли КЛ, блуждая в межзвездной среде. Величина X примерно равна 5-10 г/см 2 . Время блуждания КЛ в межзвездной среде (или время их жизни) и величина X связаны соотношением X ≈ρct , где c - скорость частиц (обычно полагают, что величина c равна скорости света), ρ - средняя плотность межзвездной среды, составляющая ~10 - 24 г/см 3 , t - время блуждания КЛ в этой среде. Отсюда время жизни КЛ ~3·10 8 лет. Оно определяется либо выходом КЛ из Галактики и гало, либо их поглощением за счет неупругих взаимодействий с веществом межзвездной среды.

На рис. 1 показаны энергетические спектры J (E ) для протонов Н, ядер гелия Не, углерода С и железа Fe, которые наблюдаются в космическом пространстве. Величина J (E ) представляет собой количество частиц, имеющих энергию в диапазоне от E до E +δE и проходящих через единичную поверхность в единицу времени в единице телесного угла в направлении, перпендикулярном поверхности. Видно, что основную долю в КЛ составляют протоны, затем следуют ядра гелия. Доля остальных ядер невелика.

По своему происхождению КЛ можно разделить на несколько групп.

1) КЛ галактического происхождения (ГКЛ). Источником ГКЛ является наша Галактика, в которой происходит ускорение частиц до энергий ~10 18 эВ. Спектры КЛ, изображенные на рис. 1, относятся к ГКЛ.

2) КЛ метагалактического происхождения, они имеют самые большие энергии, E >10 18 эВ, образуются в других галактиках.

3) Солнечные КЛ (СКЛ) , генерируемые на Солнце во время солнечных вспышек.

4) Аномальные КЛ (АКЛ), образующиеся в Солнечной системе на периферии гелиомагнитосферы .

КЛ самых малых и самых больших энергий различаются в 10 15 раз. С помощью только одного типа аппаратуры невозможно исследовать такой огромный диапазон энергий, поэтому для изучения КЛ используются разные методы и приборы: в космическом пространстве - с помощью аппаратуры, установленной на спутниках и космических ракетах, в атмосфере Земли - с помощью малых шаров-зондов и больших высотных аэростатов, на ее поверхности - с помощью наземных установок (некоторые из них достигают размеров в сотни квадратных километров), расположенных либо высоко в горах, либо глубоко под землей, либо на больших глубинах в океане, куда проникают частицы высоких энергий.

КЛ при своем распространении в межзвездной среде взаимодействуют с межзвездным газом, а при попадании на Землю - с атомами атмосферы. Результатом таких взаимодействий являются вторичные частицы - протоны и , электроны, γ-кванты , .

Основными типами детекторов, которые используются при изучении КЛ, являются фотоэмульсии и рентгеновские пленки, ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, счетчики нейтронов, черенковские и сцинтилляционные счетчики, твердотельные полупроводниковые детекторы, искровые и дрейфовые камеры.

2. Галактические космические лучи

КЛ используются для изучения ядерных взаимодействий частиц. В области высоких энергий, которые пока недостижимы на современных ускорителях, космические частицы являются единственным средством изучения ядерных процессов. Для изучения взаимодействий КЛ высоких энергий (E ≈10 15 эВ) с веществом используются ионизационные калориметры. Эти приборы, впервые предложенные Н.Л. Григоровым с сотрудниками, представляют собой несколько рядов детекторов - ионизационных камер или сцинтилляционных счетчиков, между которыми расположен поглотитель из свинца или железа. На верхней части калориметра помещается мишень из легкого вещества - углерода или алюминия. Частица, падающая на поверхность ионизационного калориметра, взаимодействует с ядром мишени, образуя вторичные частицы. Их число сначала возрастает, достигая некоторого максимального значения, и затем постепенно убывает по мере продвижения в тело калориметра. Детекторы измеряют ионизацию под каждым слоем поглотителя. По кривой зависимости степени ионизации от номера слоя можно определить энергию попавшей в калориметр частицы. Этими приборами впервые в мире был измерен спектр первичных КЛ в диапазоне энергий от ~10 11 до ~10 14 эВ. КЛ в диапазоне энергий 10 11 EJ(E )=J 0 E - 2,75 .

Для изучения характеристик ядерных взаимодействий КЛ очень больших энергий необходимы установки с большой площадью регистрации, так как поток высокоэнергичных частиц крайне мал. Их называют рентгеновскими камерами. Это приборы с площадью поверхности до нескольких сотен квадратных метров, состоящие из рядов рентгеновских пленок, перемежающихся слоями свинца. В результате взаимодействия КЛ с частицами воздуха образуются мезоны, часть из которых затем размножается в свинце, оставляя пятна на рентгеновской пленке. По числу и величине этих пятен, плотности их потемнения и по расположению в разных слоях определяется энергия взаимодействующей частицы и направление ее прихода.

Для изучения КЛ с энергиями выше 10 14 эВ используется свойство частиц высоких энергий создавать очень много вторичных частиц, в основном протонов и пионов, в результате взаимодействия первичной частицы с ядрами атомов в атмосфере. Обладающие достаточно высокой энергией протоны и пионы в свою очередь являются ядерно-активными частицами и вновь взаимодействуют с ядрами атомов воздуха. Как заряженные (π ±), так и нейтральные (π 0) пионы - это нестабильные частицы со временем жизни t ≈10 - 16 с для покоящегося π 0 и t ≈2,6·10 - 8 с для покоящихся π ± . Пионы сравнительно малых энергий не успевают вступить во взаимодействие с ядром атома воздуха и могут распасться на γ-кванты, положительные и отрицательные мюоны (μ ±), нейтрино (ν) и антинейтрино (ν -): π 0 → γ + γ ; π ± → μ ± + ν +ν - . Мюоны также являются нестабильными частицами со временем жизни для покоящегося мюона t ≈2,2·10 - 6 с и распадаются по схеме μ ± → e ± + ν + ν - . Гамма-кванты и электроны (позитроны ) за счет электромагнитного взаимодействия с атомами воздуха дают новые гамма-кванты и электроны. Таким образом в атмосфере образуется каскад частиц, состоящий из протонов, нейтронов и пионов (ядерный каскад), электронов (позитронов) и γ-квантов (электромагнитный каскад). Впервые ливни наблюдал Д.В. Скобельцын в конце 20-х годов.

Каскады в атмосфере, вызываемые частицами больших энергий и занимающие обширные площади, получили название широких атмосферных ливней. Они были открыты французским физиком П. Оже и его сотрудниками в 1938 году. Высокоэнергичная космическая частица образует ливень с огромным числом вторичных частиц, так, например, частица с E =10 16 эВ в результате взаимодействий с атомами воздуха вблизи поверхности Земли порождает примерно 10 млн вторичных частиц, распределенных на большой площади.

Хотя поток высокоэнергичных КЛ, падающих на границу земной атмосферы, крайне мал, широкие атмосферные ливни занимают значительные площади и могут быть зарегистрированы с высокой эффективностью. Для этой цели на поверхности земли размещаются детекторы частиц на площади в десятки квадратных километров, причем регистрируются только те события, в которых срабатывает сразу несколько детекторов. Широкий атмосферный ливень можно упрощенно представить в виде диска частиц, движущегося в атмосфере. На рис. 2 показано, как такой диск частиц широкого атмосферного ливня падает на детекторы регистрирующей установки. В зависимости от энергии космической частицы размер диска (поперечный размер ливня) может составлять от нескольких десятков метров до километра, а его толщина (продольный размер или фронт ливня) - десятки сантиметров. Частицы в ливне движутся со скоростью, близкой к скорости света. Число частиц в ливне существенно уменьшается при переходе от центра диска к его периферии. Поперечный размер широкого атмосферного ливня и число частиц в нем увеличивается с ростом энергии первичной частицы, которая образует этот ливень. Самые большие наблюдаемые на сегодняшний день ливни от первичных частиц с E ≈10 20 эВ содержат несколько миллиардов вторичных частиц. Измеряя многими детекторами пространственное распределение частиц в ливне, можно найти их полное число и определить энергию первичной частицы, которая данный ливень образовала. Поток частиц с энергиями E ≈10 20 эВ очень мал. Например, на 1 м 2 на границе атмосферы за 1 млн лет падает лишь одна частица с E ≈10 19 эВ. Для регистрации столь малых потоков необходимо иметь большие площади, покрытые детекторами, чтобы зарегистрировать достаточное количество событий за разумное время. На гигантских установках по регистрации широких атмосферных ливней было "поймано" несколько частиц, имеющих энергии свыше 10 20 эВ (максимальная зарегистрированная в настоящее время энергия частицы равна ~3·10 20 эВ).

Существуют ли КЛ более высоких энергий? В 1966 году Г.Т. Зацепин, В.А. Кузьмин и американский физик К. Грейзен высказали предположение, что спектр КЛ при энергиях E >3·10 19 эВ должен обрезаться из-за взаимодействия высокоэнергичных частиц с реликтовым излучением Вселенной. Регистрация нескольких событий с энергией E ≈10 20 эВ может быть объяснена, если предположить, что источники этих частиц удалены от нас на расстояния не более 50 Мпк. В этом случае взаимодействий КЛ с фотонами реликтового излучения практически не будет из-за малого количества фотонов на пути частицы от источника к наблюдателю.

В области высоких энергий КЛ наблюдается несколько особенностей.

1) Спектр КЛ испытывает излом при E ≈10 15 эВ. Показатель наклона спектра КЛ до излома γ≈2,75, для частиц больших энергий спектр становится круче, γ≈3,0. Эта важная особенность в спектре КЛ была открыта С.Н. Верновым и Г.Б. Христиансеном при изучении спектра широких атмосферных линий. Наблюдаемый излом в спектре при таких больших энергиях может быть вызван более быстрым выходом КЛ из нашей Галактики по сравнению с частицами меньших энергий или может быть обусловлен изменением природы их источников. Возможно также изменение химического состава КЛ в области излома.

2) При энергии частиц E ≈10 18 эВ спектр КЛ становится еще круче, γ≈3,3. Это вызвано, по-видимому, тем фактом, что в данном диапазоне энергий КЛ преимущественно метагалактического происхождения, их спектр имеет другой наклон.

3) Спектр частиц с E >10 19 эВ становится более пологим, γ≤3,3. Этот эффект вызван взаимодействием КЛ, имеющих энергии E >10 19 эВ, с , в процессе которого КЛ теряют часть своей энергии и переходят в область меньших энергий, что делает спектр частиц более пологим.

4) Спектр КЛ с энергиями свыше 10 20 эВ может быть получен лишь после длительных наблюдений, когда будет зарегистрировано достаточное количество событий с такими экстремальными энергиями. Для того чтобы существенно увеличить число случаев регистрации широких атмосферных ливней от частиц с энергиями E >10 19 эВ, в ближайшие годы планируется построить три гигантские установки с детекторами, размещенными на площади более 1000 км 2 . С их помощью ученые надеются получить ответ на вопрос о спектре КЛ в области сверхвысоких энергий и о максимально возможной энергии космических частиц.

КЛ сверхвысоких энергий будут удерживаться в Галактике ее магнитными полями, если радиус кривизны траектории частицы много меньше размеров Галактики. Используя соотношение между энергией частицы (E , эВ), ее радиусом кривизны (r ≈10 22 см - размер Галактики) и напряженностью магнитного поля (H ≈10 - 6 Э), E = 300Hr , получим максимальную энергию КЛ, которые могут удерживаться в нашей Галактике: E max ≈10 18 эВ. Это говорит о том, что КЛ более высоких энергий могут иметь метагалактическое происхождение.

3. Гамма-астрономия высоких и сверхвысоких энергий

КЛ образуются не только при взрывах сверхновых звезд . Источниками КЛ могут быть и другие космические объекты (пульсары, квазары и пр.). Можно с большой уверенностью полагать, что источники КЛ будут также и источниками высокоэнергичных γ-квантов. Гамма-кванты, в отличие от заряженных частиц, не испытывают воздействия космических магнитных полей и распространяются прямолинейно от источника к наблюдателю. Обнаружение таких светящихся в гамма-излучении космических объектов могло бы стать неопровержимым доказательством существования конкретных источников КЛ.

Идея экспериментов, начатых в начале 60-х годов советским ученым А.Е. Чудаковым, по поиску звездных источников высокоэнергичных γ-квантов заключается в следующем. Гамма-квант , падающий на границу земной атмосферы, порождает ливень частиц, состоящий из электронов и вторичных γ-квантов. Любая заряженная частица, движущаяся со скоростью, превышающей скорость света в среде, создает в ней, в данном случае в земной атмосфере, световое излучение, которое называется . Идея экспериментов состоит в том, чтобы собрать черенковский свет от ливня вторичных заряженных частиц, образованного γ-квантом высокой энергии, падающим на поверхность атмосферы из данного направления. На рис. 3 схематически изображен атмосферный ливень, образованный таким гамма-квантом. В установках, регистрирующих черенковский свет, используется ряд сферических зеркал. В фокусе каждого расположены несколько десятков фотоэлектронных умножителей - приборов, очень чувствительных к изменению светового потока, падающего на зеркало из данного направления. Наблюдения возможны лишь в ясные и безлунные ночи.

Потребовались большие усилия ученых многих стран мира по совершенствованию аппаратуры, методов обработки информации, прежде чем в середине 80-х годов был обнаружен поток высокоэнергичных γ-квантов от двух объектов: и ядра активной галактики Маркарян-421. Обнаруженные потоки γ-квантов были ничтожно малыми. Например, поток гамма-квантов с E γ >10 12 эВ от Крабовидной туманности составил всего N γ ≈10 - 12 квантов·см - 2 ·с - 1 . В начале 1997 года несколькими наземными γ-установками был открыт самый мощный источник высокоэнергичного γ-излучения - галактика Маркарян-501. Поток высокоэнергичных γ-квантов от этого источника меняется со временем, его максимальное значение в несколько раз превосходит суммарную величину потока γ-квантов от ранее известных источников.

4. Модуляционные эффекты в космических лучах

Интерес к исследованию КЛ с энергиями E солнечным ветром . Солнечный ветер обычно имеет на орбите Земли скорость 400-500 км/с и плотность частиц 5-10 см - 3 . В отличие от солнечный ветер состоит не из нейтральных молекул, а в основном из ионизованных атомов водорода и электронов. Этот ионизованный, но электрически нейтральный газ захватывает и уносит с собой солнечное магнитное поле, которое заполняет околосолнечное пространство и образует межпланетное магнитное поле. Из-за вращения Солнца вокруг своей оси с периодом 27 суток это магнитное поле закручивается в спираль. Напряженность межпланетного магнитного поля у орбиты Земли составляет примерно 7·10 - 5 Э, что на много порядков меньше напряженности магнитного поля на поверхности Земли (~0,5 Э).

Квазисферическая область пространства вокруг Солнца, имеющая радиус примерно 100 а.е., заполненная движущейся солнечной с вмороженным в нее магнитным полем, называется гелиомагнитосферой .

Гелиомагнитосфера разделена нейтральным токовым слоем на два полушария, в которых магнитные поля имеют противоположные направления. Магнитные силовые линии в гелиомагнитосфере имеют многочисленные изгибы и изломы, называемые магнитными неоднородностями, возникающими из-за неоднородностей солнечного магнитного поля, изменений скорости и плотности солнечного ветра, а также зависимости этих величин от гелиошироты и гелиодолготы.

КЛ, распространяясь в гелиомагнитосфере, рассеиваются на движущихся со скоростью солнечного ветра магнитных неоднородностях и уносятся за пределы гелиомагнитосферы. Для КЛ больших энергий (E >10 11 эВ) процессы их рассеяния и конвективного выноса несущественны, и из межзвездной среды практически все частицы столь высоких энергий попадают на орбиту Земли. Однако с уменьшением энергии все меньшее число частиц способно достичь орбиты Земли. Доля частиц галактических КЛ (ГКЛ) , которая доходит до орбиты Земли от границы гелиомагнитосферы, будет тем меньше, чем меньше энергия частиц и чем больше плотность магнитных неоднородностей межпланетного магнитного поля, а также чем больше скорость солнечного ветра. Плотность магнитных неоднородностей сильно зависит от уровня солнечной активности . В меньшей степени от уровня солнечной активности зависит скорость солнечного ветра. Так что наблюдаемая интенсивность ГКЛ внутри гелиомагнитосферы определяется уровнем солнечной активности.

Для изучения особенностей долговременного поведения КЛ было организовано их непрерывное наблюдение. В конце 50-х годов к началу Международного геофизического года во всем мире была создана сеть станций КЛ. В нашей стране такую сеть организовал С.Н. Вернов. Каждая станция включала в себя нейтронный монитор - прибор, регистрирующий вторичную ядерно-активную компоненту КЛ (в основном нейтроны), образующиеся при взаимодействиях КЛ с ядрами атомов воздуха. Так как станций было создано достаточно много и они были расположены более или менее равномерно по всему земному шару, одновременные показания этих приборов позволили получать мгновенную картину распределения потоков КЛ в межпланетной среде.

Экспериментальные данные показывают следующее. Во-первых, в КЛ наблюдается отчетливый 11-летний цикл. Когда Солнце спокойно и солнечная активность минимальна, поток КЛ в гелиосфере и на орбите Земли достигает максимальных значений. При активном Солнце поток КЛ минимален. На рис. 4,а приведен временной ход уровня солнечной активности (среднегодовое число солнечных пятен), а на рис. 4,б - временной ход потока ГКЛ. Видна цикличность и четкая противофазность приведенных кривых. Кроме того, на рис. 4,а показаны направления полярных магнитных полей Солнца в этот же период. Если принять в качестве положительной фазы 22-летнего солнечного магнитного цикла те эпохи, когда магнитные поля в северной полярной шапке направлены наружу от Солнца, а в южной полярной шапке - внутрь Солнца, то на приведенных кривых видно, что КЛ ведут себя по-разному в положительной и отрицательной фазах 22-летнего солнечного магнитного цикла. В отрицательные фазы (1960-1968 годы и 1982-1989 годы) кривая изменения потока КЛ имеет остроконечную форму. В положительные фазы (1972-1980 годы и с 1992 года по настоящее время) во временных изменениях потока КЛ наблюдается плато. Такое различие в поведении КЛ, когда магнитные поля в межпланетной среде различаются знаком, связано с различным направлением скорости дрейфа заряженных частиц в квазирегулярных магнитных полях гелиомагнитосферы .

Наряду с долговременными вариациями КЛ, связанными с 11- и 22-летними солнечными циклами, КЛ испытывают более короткопериодические изменения. К ним прежде всего относятся 27-дневные вариации КЛ, обусловленные вращением Солнца. 27-дневные вариации КЛ отчетливо проявляются в периоды развитой солнечной активности и слабо выражены в годы спокойного Солнца. Как правило, амплитуда этих вариаций не превышает 2 % от величины полного потока.

Суточные изменения КЛ связаны с вращением Земли и неизотропным распределением потока КЛ в гелиосфере. Существует класс периодических или квазипериодических вариаций КЛ, связанных, например, с годовым вращением Земли вокруг Солнца, изменением положения Земли относительно плоскости солнечного экватора и пр.

Наряду с квазипериодическими вариациями КЛ существуют их спорадические изменения, называемые форбуш-понижениями , суть которых состоит в следующем. Внезапно в течение нескольких часов или меньше поток КЛ, регистрируемый наземными станциями в атмосфере Земли или на искусственных спутниках, начинает резко падать. В некоторых случаях амплитуда этого падения может достигать десятка процентов. Такие события происходят после мощных взрывов на Солнце. Образовавшаяся распространяется в с огромной скоростью, достигающей 1000 км/с и более. Эта ударная волна несет перед собой усиленное , которое не позволяет заряженным частицам проникать внутрь высокоскоростного потока. Поэтому, когда Земля оказывается за фронтом ударной волны этого потока, интенсивность КЛ резко спадает. Поскольку вспышки на Солнце происходят чаще всего в годы высокой и соответственно в эти периоды наиболее часто генерируются ударные волны, наиболее часто наблюдаются в годы активного Солнца. Часто форбуш-понижения происходят в периоды мощных возмущений земного магнитного поля (во время геомагнитных бурь), которые также вызываются воздействием высокоскоростного потока солнечного ветра на магнитное поле Земли.

В начале 70-х годов изучение КЛ малых энергий, проводимое на космических аппаратах, привело к открытию аномальной компоненты КЛ (АКЛ). Ее составляют не полностью ионизованные атомы He, C, N, O, Ne и Ar. Аномальность проявляется в том, что в области энергий от нескольких единиц до нескольких десятков МэВ/нуклон спектр частиц АКЛ существенно отличается от спектра ГКЛ. Здесь наблюдается возрастание потока частиц, связанное, как полагают, с ускорением ионов в ударной волне на границе гелиомагнитосферы и последующей диффузией этих частиц во внутренние районы гелиосферы. Кроме этого, распространенность элементов АКЛ значительно отличается от соответствующих величин в ГКЛ.

5. Солнечные космические лучи

Солнце само также является источником (СКЛ). СКЛ - это заряженные частицы, ускоренные во вспышечных процессах на Солнце до энергий, во много раз превышающих тепловые энергии частиц на его поверхности. СКЛ впервые были зарегистрированы в начале 40-х годов ионизационными камерами - наземными приборами, которые регистрировали высокоэнергичные мюоны.

Что же представляет собой вспышка СКЛ? Астрономы, наблюдающие за Солнцем, заметили, что во время роста солнечной активности в активных областях на поверхности Солнца, где сосредоточено много пятен и имеется сложная конфигурация фотосферных магнитных полей, неожиданно возникает яркое свечение в оптическом диапазоне спектра. Примерно в это же время наблюдается увеличение радиоизлучения Солнца и очень часто появление рентгеновского и гамма-излучений , сопровождающих выброс коронального вещества в виде потока ускоренных заряженных частиц. В настоящее время полагают, что основным источником энергии солнечной вспышки является энергия аннигиляции солнечного магнитного поля в активной области и образование нейтрального токового слоя. Заряженные частицы СКЛ, ускоренные в солнечной вспышке, выбрасываются в межпланетное пространство и затем распространяются в нем.

Распространение СКЛ в межпланетной среде определяется условиями, которые существовали в ней до вспышки. Если условия были спокойными, то есть скорость солнечного ветра не слишком отличалась от средней и магнитное поле не испытывало существенных флуктуаций, то СКЛ будут распространяться в соответствии с законом диффузии, причем диффузия вдоль магнитных силовых линий будет определяющей. Если при вспышке на Солнце генерирована мощная ударная волна , то частицы ускоряются на фронте волны при ее распространении в короне Солнца и в межпланетной среде. Наиболее часто СКЛ на орбите Земли наблюдаются в тех случаях, когда магнитная силовая линия, пересекающая место вспышки, проходит через Землю. Статистический анализ числа зарегистрированных событий СКЛ с энергиями более нескольких сотен мегаэлектронвольт показывает, что наиболее часто регистрируются СКЛ, которые были ускорены во вспышках, имевших место на западном лимбе (крае) Солнца. В последние годы появились доказательства того, что ускорение частиц может происходить на фронте ударной волны вблизи Солнца. Таким образом, ускоренные частицы могут регистрироваться также и вдали от линии соединения вспышки и наблюдателя. Довольно часто вспышки СКЛ происходят во время форбуш-понижений .

Поток заряженных частиц, ускоренных во вспышках на Солнце, огромен и представляет угрозу всему живому. Магнитное поле и атмосфера спасают Землю от этой чудовищной радиации. Однако космонавтам, отправляющимся в далекие космические путешествия, например к Марсу, необходимо иметь заблаговременную информацию о возможности появления таких событий, чтобы принять защитные меры. Задача установления основных закономерностей возникновения вспышек СКЛ, прогнозирования таких событий решается учеными многих стран мира в течение нескольких десятков лет. К сожалению, вопрос о заблаговременном прогнозировании СКЛ и определении их основных характеристик на орбите Земли еще далек от решения.

6. Космические лучи в магнитосфере и атмосфере Земли

КЛ, прежде чем достигнуть поверхности Земли, должны пройти земное магнитное поле (магнитосферу) и земную атмосферу. Магнитное поле Земли имеет сложную структуру. Внутренняя область магнитосферы с размерами в несколько радиусов Земли (R ⊕ =6378 км) имеет дипольную структуру. На стороне Земли, обращенной к Солнцу, на расстоянии ~10R ⊕ солнечный ветер и земное магнитное поле в результате взаимодействия образуют стоячую ударную волну. На этом расстоянии солнечный ветер обтекает магнитное поле, размыкая часть силовых линий на передней (освещенной) границе магнитного поля Земли, и переносит их на ночную сторону Земли, образуя хвост магнитосферы. Хвост магнитосферы, состоящий из разомкнутых силовых линий, простирается на расстояние в несколько сотен радиусов Земли. На рис. 5 схематически изображена земная магнитосфера. КЛ, попадая в геомагнитосферу, движутся в ней сложным образом, так как на любую заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца, равная F =(q /c )[v ×B ], где q - заряд частицы, c - скорость света в вакууме , v - скорость частицы, а B - индукция магнитного поля. Зная F , можно определить траекторию частицы из уравнения

m (d v /dt )=(q /c )[v ×B ],

Где m - масса частицы. Так как B сложным образом зависит от координат точки наблюдения, то вычисление траектории движения частицы в магнитном поле Земли немыслимо без использования мощных вычислительных машин и соответствующего программного обеспечения и стало возможным только в наше время.

В начале нашего века движение заряженных частиц в поле магнитного диполя было рассмотрено шведским ученым С. Штермером. В магнитном поле движение частицы определяется ее магнитной жесткостью R =pc /q , где p - импульс частицы. Частицы, обладающие одинаковой жесткостью R , будут двигаться в одном и том же поле одинаково. Расчеты показали, что частица попадет в данную точку магнитосферы, если ее магнитная жесткость будет превосходить некоторую минимальную величину, называемую жесткостью геомагнитного обрезания R min . Частицы, имеющие R R min , попасть в данную точку магнитосферы под данным углом не могут. Обычно величина R выражается в мега- или в гигавольтах: МВ или ГВ. В полярные районы геомагнитосферы, в районы магнитных полюсов проникают частицы с очень малыми значениями R . Однако по мере продвижения к геомагнитному экватору величина R min существенно увеличивается и достигает значений ~15 ГВ. Таким образом, если измерять поток КЛ, двигаясь от полюса к экватору, то его величина будет постепенно уменьшаться, так как магнитное поле Земли будет препятствовать их проникновению. Это явление получило название широтного хода КЛ. Обнаружение широтного хода КЛ послужило доказательством того, что КЛ являются заряженными частицами.

Свойство геомагнитосферы пропускать в данную точку КЛ с жесткостью лишь выше R min используется для наблюдений КЛ в различных диапазонах энергий. Для этих целей стандартными приборами (нейтронными мониторами, кубическими телескопами, радиозондами и пр.) измеряют КЛ в районах полярных, средних и экваториальных широт, имеющих различные значения R min .

Вскоре после запусков первых в 1958 году американцем Дж. Ван Алленом и советскими учеными С.Н. Верновым и А.Е. Чудаковым были открыты внутренний и внешний радиационные пояса Земли. являются магнитными ловушками для заряженных частиц. Если частица попадает внутрь такой ловушки, то она захватывается и живет в ней довольно долго. Поэтому в радиационных поясах потоки захваченных частиц огромны по сравнению с потоками вне поясов. Схематически радиационные пояса показаны на рис. 5. Внутренний пояс состоит в основном из протонов и находится на расстоянии в несколько тысяч километров от поверхности Земли, если расстояние отсчитывать в экваториальной плоскости. Основным механизмом, который поставляет протоны во внутренний радиационный пояс, является механизм распада медленных нейтронов. Нейтроны образуются при взаимодействии КЛ с ядрами элементов воздуха. Это нестабильные частицы со временем жизни ~10 минут. Часть нейтронов имеет достаточную скорость, чтобы уйти за пределы атмосферы (граница атмосферы расположена на высоте ~30-35 км), попасть в область геомагнитной ловушки и там распасться: n →p +e - +ν. Измерения и расчеты потоков нейтронов, идущих вверх из атмосферы Земли, показали, что этот источник является основным поставщиком протонов во внутренний радиационный пояс. Максимум потока захваченных протонов внутреннего радиационного пояса (протоны с E >35 МэВ) зафиксирован на расстоянии примерно в 1,5R ⊕ .

На рис. 5 заштрихованные области представляют собой области захвата частиц - радиационные пояса Земли. Магнитосфера Земли не симметрична на дневной и ночной сторонах, поэтому области захвата частиц также различны. Это различие вызвано воздействием солнечного ветра на геомагнитосферу и особенно сказывается на ее внешних областях. Поэтому сильная асимметрия в расположении области захвата наблюдается для частиц внешнего радиационного пояса и в значительно меньшей степени для частиц внутреннего пояса.

В последнее время все большее внимание привлекает роль КЛ в атмосферных процессах. Хотя плотность энергии КЛ мала по сравнению с соответствующими величинами различных атмосферных процессов, в некоторых из них КЛ играют решающую роль. В земной атмосфере на высотах менее 30 км КЛ являются главным источником образования ионов. От плотности ионов во многом зависят процессы конденсации и образования водяных капель. Так, во время форбуш-понижений уменьшается облачность и уровень выпадения осадков. После вспышек на Солнце и прихода СКЛ на Землю величина облачности и уровень осадков увеличиваются. Эти изменения как в первом, так и во втором случаях составляют значительную величину - не менее 10 %. После вторжения в полярные области Земли больших потоков малоэнергичных частиц от солнечных вспышек наблюдается изменение температуры в верхних слоях атмосферы. КЛ активно участвуют в образовании грозового электричества. В настоящее время активно изучается влияние КЛ на концентрацию озона и на другие процессы в атмосфере.

7. Заключение

КЛ представляют собой интереснейшее явление природы, и, как все в природе, оно тесно связано с другими процессами в звездных объектах, в нашей Галактике, на Солнце, в гелиомагнитосфере и в атмосфере Земли. Человек уже многое знает о КЛ, но такие важные вопросы, как причины ускорения КЛ, в том числе до столь гигантских значений как E