космические лучи

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 ионизации 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 10²⁰ эВ). Хотя суммарный поток первичных КЛ на границе с атмосферой Земли невелик (1 частица/см^2*с), ср. плотность их энергии (1 эВ/см³) 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 10⁹ К, характерной, по-видимому, для звёздных недр, энергия теплового движения частиц не превышает 10⁵ эВ. Осн. же масса частиц КЛ, наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 10⁸ 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 элементарными частицами. 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 А⁰-, -гиперонов. Исследования КЛ в ядерно-физ. аспекте продолжаются в основном с целью определения характеристик элементарного акта ядерного взаимодействия при энергиях >10¹⁵ эВ; кроме того, они дают информацию об интенсивности, спектре и анизотропии частиц при 10¹⁵-10²⁰ 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 10¹⁴ эВ.

Методы наблюдения КЛ. Из-за огромного энергетич. диапазона КЛ (10⁶-10²⁰ 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. излучению солнечных вспышек, по эффектам ионизации, вызываемым КЛ в ниж. части ионосферы 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 Z20. 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/см², или 3*10²⁵ см), и времени жизни КЛ в Галактике (10⁸ 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_k10 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 10⁶ эВ. Верх. предел энергии СКЛ 2 10⁹ эВ; имеются отд. указания о регистрации солнечных протонов с энергией до 10¹⁰ эВ.

В области энергий выше 10¹⁰ эВ дифференц. спектр уже не подвержен модуляции и хорошо описывается степенной ф-цией с показателем степени 2,7 вплоть до 10¹⁵ эВ. При 10¹⁵ эВ в спектре имеется излом, спектр становится более крутым (g3,2). В области e_к10¹⁸ эВ форма спектра известна плохо, но есть указания на то, что спектр вновь становится более пологим. При e_k10¹⁹-10²⁰ 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 км² за год попадает в среднем не более одной частицы e_к10²⁰ 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 намагниченной 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_к10¹⁰ 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 10¹⁰-10¹¹ см (для сравнения -диаметр Земли равен 1,28*10⁹ 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_k1,5*10¹⁰ эВ, на геомагн. широту 51° - с энергией e_к2,5*10⁹ 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/см², 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 10⁹ 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 >10¹⁴ эВ, содержат 10⁶- 10⁹ 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 10¹¹-10¹⁵ эВ по всем направлениям одинакова. При более высоких энергиях амплитуда анизотропии постепенно растёт (рис. 3) и в интервале =10¹⁹-10²⁰ эВ достигает неск. десятков %. Анизотропия 0,1% с максимумом вблизи 19ⁿ 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 >10¹⁷ 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 = 10¹¹ -10²⁰ 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 f10⁷-10⁹ 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 радиоволны 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 10⁴⁰ эрг*с^-1. Энерговыделение при вспышке одной сверхновой обычно считается 10⁴⁹-10⁵¹ эрг. Сверхновые в Галактике вспыхивают в среднем каждые 10- 30 лет, так что ср. мощность их энерговыделения составляет 10⁴⁰-3*10⁴² 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 >10¹⁷ эВ, скорее всего, ускоряются во внегалактич. источниках.

Механизмы ускорения. Вопрос об ускорении частиц до высоких энергий (превращении энергии магн. поля и движений плазмы 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.

Общим свойством всех ускорит. механизмов является падающий характер формируемого ими спектра КЛ. Но на этом сходство кончается. Несмотря на интенсивные теоретич. и эксперим. исследования, пока не найден универсальный механизм ускорения или комбинации механизмов, к-рые могли бы объяснить все особенности спектра и зарядового состава КЛ. По-видимому, в космосе существует нек-рая иерархия ускорит. механизмов, к-рые работают в разл. комбинациях или в разл. последовательности в зависимости от конкретных условий в области ускорения. (Подробнее о механизмах ускорения см. в ст. Ускорение заряженных частиц.)

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., Динамика радиационных условий в космосе, М., 1985. Л. И. Мирошниченко.

   <<      Предметный указатель      >>