Что такое космические лучи. Космические лучи: состав и происхождение Что представляют собой космические лучи

24.01.202427.05.2017

КОСМИ́ЧЕСКИЕ ЛУЧИ́, потоки заряженных частиц высокой энергии, которые приходят к Земле со всех сторон из космического пространства и постоянно бомбардируют её атмосферу. В составе космических лучей преобладают протоны, имеются также электроны, ядра гелия и более тяжёлых химических элементов (вплоть до ядер с зарядом Z ≈ 30). Наиболее многочисленны в космических лучах ядра атомов водорода и гелия (≈85 и ≈10% соответственно). Доля других ядер невелика (не превышает ≈5%). Небольшую часть космических лучей составляют электроны и позитроны (менее 1%). Космическое излучение, падающее на границу земной атмосферы, включает все стабильные заряженные частицы и ядра со временами жизни порядка 10 6 лет и более. По существу, истинно «первичными» космическими лучами можно называть только частицы, ускоренные в далёких астрофизических источниках, а «вторичными» – частицы, образовавшиеся в процессе взаимодействия первичных космических лучей с межзвёздным газом. Так, электроны, протоны и ядра гелия, а также углерода, кислорода, железа и др., синтезированные в звёздах, являются первичными. Напротив, ядра лития, бериллия и бора следует считать вторичными. Антипротоны и позитроны частично, если не полностью, вторичны, однако та их доля, которая может иметь первичное происхождение, является ныне предметом исследований.

История исследования космических лучей

В нач. 20 в. в опытах с электроскопами и ионизационными камерами была обнаружена постоянная остаточная ионизация газов, вызываемая каким-то проникающим излучением. В отличие от излучения радиоактивных веществ окружающей среды, проникающее излучение не могли задержать даже толстые слои свинца. Внеземная природа обнаруженного проникающего излучения установлена в 1912 (В. Гесс , Нобелевская премия, 1936) в экспериментах с ионизационными камерами на воздушных шарах. Было найдено, что с увеличением расстояния от поверхности Земли ионизация, вызываемая проникающим излучением, растёт. Его внеземное происхождение окончательно доказал Р. Милликен в 1923–26 в экспериментах по поглощению излучения атмосферой (именно он ввёл термин «космические лучи»).

Природа космических лучей вплоть до 1940-х гг. оставалась неясной. В течение этого времени интенсивно развивалось ядерное направление исследований космических лучей (ядерно-физический аспект) – изучение взаимодействия космических лучей с веществом, образования вторичных частиц и их поглощения в атмосфере. Эти исследования, проводимые при помощи телескопов, счётчиков, Вильсона камер и ядерных фотоэмульсий (поднимаемых на шарах-зондах в стратосферу), привели, в частности, к открытию новых элементарных частиц – позитрона (1932), мюона (1936), π-мезона (1947).

Систематические исследования влияния геомагнитного поля на интенсивность и направление прихода первичных космических лучей показали, что подавляющее большинство частиц космических лучей имеет положительный заряд. С этим связана восточно-западная асимметрия космических лучей: из-за отклонения заряженных частиц в магнитном поле Земли с запада приходит больше частиц, чем с востока. Применение фотоэмульсий позволило установить ядерный состав первичных космических лучей (1948): были обнаружены следы ядер тяжёлых химических элементов, вплоть до железа. Первичные электроны в составе космических лучей впервые были зарегистрированы лишь в 1961 в стратосферных измерениях.

С кон. 1940-х гг. на передний план выдвинулись проблемы происхождения и временны́х вариаций космических лучей (космофизический аспект).

Характеристики и классификация космических лучей

Космические лучи напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы которого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвёздной и межпланетной сред и подвергаются воздействию космических магнитных полей. Частицы космических лучей обладают огромными кинетическими энергиями (вплоть до Е кин ~ 10 21 эВ). Вблизи Земли подавляющую часть потока космических лучей составляют частицы с энергиями от 10 6 эВ до 10 9 эВ, далее поток космических лучей резко ослабевает. Так, при энергии ~10 12 эВ на границу атмосферы падает не более 1 частицы/(м 2 ∙с), а при Е кин ~ 10 15 эВ – всего 1 частица/(м 2 ∙год). Этим обусловлены определённые трудности в изучении космических лучей высоких и сверхвысоких (экстремальных) энергий. Хотя суммарный поток космических лучей у Земли невелик (всего ок. 1 частицы/(см 2 ∙с)), плотность их энергии (ок. 1 эВ/см 3) в пределах нашей Галактики сравнима с плотностью энергии суммарного электромагнитного излучения звёзд, энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетической энергии его турбулентных движений, а также с плотностью энергии магнитного поля Галактики. Отсюда следует, что космические лучи должны играть важную роль во многих астрофизических процессах.

Другая важная особенность космических лучей – нетепловое происхождение их энергии. Действительно, даже при температуре ~10 9 К, по-видимому, близкой к максимальной для звёздных недр, средняя энергия теплового движения частиц ≈3∙10 5 эВ. Основное количество частиц космических лучей, наблюдаемых у Земли, имеет энергию св. 10 8 эВ. Это означает, что космические лучи приобретают энергию путём ускорения в специфических астрофизических процессах плазменной и электромагнитной природы.

По своему происхождению космические лучи можно разделить на несколько групп: 1) космические лучи галактического происхождения (галактические космические лучи); их источником является наша Галактика, в которой происходит ускорение частиц до энергий порядка 10 18 эВ; 2) космические лучи метагалактического происхождения (метагалактические космические лучи); они образуются в других галактиках и имеют самые большие, ультрарелятивистские энергии (св. 10 18 эВ); 3) солнечные космические лучи; генерируются на Солнце или вблизи него во время солнечных вспышек и корональных выбросов масс ; их энергия составляет от 10 6 эВ до св. 10 10 эВ; 4) аномальные космические лучи; образуются в Солнечной системе на периферии гелиосферы ; энергии частиц составляют 1–100 МэВ/нуклон.

По содержанию ядер лития, бериллия и бора, которые образуются в результате взаимодействий космических лучей с атомами межзвёздной среды , можно определить количество вещества Х , через которое прошли космические лучи, блуждая в межзвёздной среде. Величина X примерно равна 5–10 г/см 2 . Время блуждания космических лучей в межзвёздной среде (или время их жизни) и величина X связаны соотношением X≈ ρvt , где ρ – средняя плотность межзвёздной среды, составляющая ~10 – 24 г/см 3 , t – время блуждания космических лучей в этой среде, v – скорость частиц. Обычно полагают, что величина v для ультрарелятивистских космических лучей практически равна скорости света c , так что время их жизни составляет ок. 3·10 8 лет. Оно определяется либо выходом космических лучей из Галактики и её гало, либо их поглощением за счёт неупругих взаимодействий с веществом межзвёздной среды.

Вторгаясь в атмосферу Земли, первичные космические лучи разрушают ядра наиболее распространённых в атмосфере химических элементов – азота и кислорода – и порождают каскадный процесс, в котором участвуют все известные ныне элементарные частицы, в частности такие вторичные частицы, как протоны, нейтроны, мезоны, электроны, а также γ-кванты и нейтрино. Принято характеризовать путь, пройденный частицей космических лучей в атмосфере до столкновения, количеством вещества в граммах, заключённого в столбе сечением 1 см 2 , т. е. выражать пробег частиц в г/см 2 вещества атмосферы. Это означает, что после прохождения толщи атмосферы х (г/см 2) пучком протонов с первоначальной интенсивностью I 0 количество протонов, не испытавших столкновения, будет равно I = I 0 exp(–x /λ), где λ – средний пробег частицы. Для протонов, составляющих основную часть первичных космических лучей, пробег λ в воздухе равен ≈70 г/см 2 , для ядер гелия λ≈25 г/см 2 , для более тяжёлых ядер – ещё меньше. Первое столкновение с атмосферой протоны испытывают в среднем на высоте 20 км (х ≈70 г/см 2). Толщина атмосферы на уровне моря эквивалентна 1030 г/см 2 , т. е. соответствует примерно 15 ядерным пробегам для протонов. Отсюда следует, что вероятность достичь поверхности Земли, не испытав столкновений, для первичной частицы ничтожно мала. Поэтому на поверхности Земли космические лучи обнаруживаются лишь по слабым эффектам ионизации, создаваемой вторичными частицами.

Космические лучи у Земли

Космические лучи галактического и метагалактического происхождения занимают огромный диапазон энергий, охватывающий примерно 15 порядков величины, – от 10 6 до 10 21 эВ. Энергии солнечных космических лучей, особенно во время мощных солнечных вспышек, могут достигать больших значений, однако характерная величина их энергии обычно не превосходит 10 9 эВ. Поэтому разделение космических лучей на галактические и солнечные вполне оправданно, поскольку как характеристики, так и источники солнечных и галактических космических лучей совершенно различны.

При энергиях ниже 10 ГэВ/нуклон интенсивность галактических космических лучей, измеряемая вблизи Земли, зависит от уровня солнечной активности (точнее от меняющегося в течение солнечных циклов межпланетного магнитного поля). В области более высоких энергий интенсивность галактических космических лучей практически постоянна во времени. Согласно современным представлениям, собственно галактические космические лучи заканчиваются в области энергий между 10 17 и 10 18 эВ. Происхождение космических лучей предельно высоких энергий, скорее всего, с Галактикой не связано.

Существует четыре способа описания спектров различных компонент космических лучей. 1. Число частиц на единицу жёсткости. Распространение (и, вероятно, также ускорение) частиц в космических магнитных полях зависит от ларморовского радиуса r L или магнитной жёсткости частицы R , которая представляет собой произведение ларморовского радиуса на индукцию магнитного поля B : R = r L B = pc /(Ze ), где р и Z – импульс и заряд частицы (в единицах заряда электрона е ), с – скорость света. 2. Число частиц на единицу энергии на один нуклон. Фрагментация ядер, распространяющихся сквозь межзвёздный газ, зависит от энергии на нуклон, поскольку её количество приблизительно сохраняется, когда ядро разрушается при взаимодействии с газом. 3. Число нуклонов на единицу энергии на один нуклон. Генерация вторичных частиц в атмосфере зависит от интенсивности нуклонов на единицу энергии на один нуклон, почти независимо от того, являются ли падающие на атмосферу нуклоны свободными протонами или связаны в ядрах. 4. Число частиц на единицу энергии на одно ядро. Эксперименты по широким атмосферным ливням , которые используют атмосферу как калориметр, в общем случае измеряют величину, которая связана с полной энергией в расчёте на 1 частицу. Единицы измерения дифференциальной интенсивности частиц I имеют вид (см –2 с –1 ср –1 E –1), где энергия E представлена в единицах одной из четырёх переменных, перечисленных выше.

Наблюдаемый дифференциальный энергетический спектр космических лучей в области энергий выше 10 11 эВ показан на рис. 1. Спектр описывается степенным законом в очень широком диапазоне энергий – от 10 11 до 10 20 эВ с небольшим изменением наклона ок. 3·10 15 эВ (излом, иногда называемый «коленом», knee) и ок. 10 19 эВ («лодыжка», ankle). Интегральный поток космических лучей выше «лодыжки» равен приблизительно 1 частице/(км 2 ·год).

Таблица 1. Относительное содержание различных ядер в галактических и солнечных космических лучах, на Солнце и других звёздах (содержание ядер кислорода принято равным 1,0)

Ядро	Солнечные космические лучи	Солнце	Звёзды	Галактические космические лучи
1 H	4600 *	1445	925	685
2 He	70 *	91	150	48
3 Li	?	<10 – 5	<10 – 5	0,3
4 Be – 5 B	0,02	<10 – 5	<10 – 5	0,8
6 C	0,54 *	0,60	0,26	1,8
7 N	0,20	0,10	0,20	<0,8
8 O	1,0	1,0	1,0	1,0
9 F	<0,03	10 – 3	<10 – 4	<0,1
10 Ne	0,16 *	0,054	0,36	0,30
11 Na	?	0,002	0,002	0,19
12 Mg	0,18 *	0,05	0,04	0,32
13 Al	?	0,002	0,004	0,06
14 Si	0,13 *	0,065	0,045	0,12
15 P – 21 Sc	0,06	0,032	0,024	0,13
16 S – 20 Ca	0,04 *	0,028	0,02	0,11
22 Ti – 28 Ni	0,02	0,006	0,033	0,28
26 Fe	0,15 *	0,05	0,06	0,14

* Данные наблюдений для интервала энергий 1–20 МэВ/нуклон, остальные данные в этой колонке относятся к энергиям ≥ 40 МэВ/нуклон. Погрешность большинства значений в таблице от 10 до 50%.

Интенсивность первичных нуклонов в диапазоне энергий от нескольких ГэВ до 10 ТэВ или немного выше можно приближённо описать формулой I N (E )≈1,8E –α нуклон/(см 2 ∙с∙ср∙ГэВ), где Е – энергия на нуклон (включая энергию покоя), α ≈ (γ + 1) = 2,7 – показатель дифференциального спектра, γ – интегральный спектральный индекс. Ок. 79% первичных нуклонов составляют свободные протоны, ок. 70% остальных частиц – это нуклоны, связанные в ядрах гелия. Фракции (доли) первичных ядер являются почти постоянными в указанном диапазоне энергий (возможно, с небольшими вариациями). На рис. 2 приведён спектр галактических космических лучей в области энергий выше ≈400 МэВ/нуклон. Представлены главные компоненты космических лучей как функции энергии на нуклон для определённой эпохи цикла солнечной активности. 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.

Таблица 2. Интенсивность галактических космических лучей с полной энергией E ≥ 2,5 ГэВ/нуклон за пределами магнитосферы Земли вблизи минимума солнечной активности и параметры дифференциального спектра K A и γ для протонов (ядро H), α-частиц (ядро He) и различных групп ядер

Ядро	Заряд ядра Z	Интенсивность I (Z ) при E ≥ 2,5 ГэВ/нуклон, м –2 ∙с –1 ∙ср –1	Показатель дифференци-ального спектра γ	Константа спектра K A	Интервал E , ГэВ/нуклон
Н	1	1300	2,4±0,1	4800	4,7–16
Не	2	88	2,5±0,2	360	2,5–800
Li, Be, B	3–5	1,9
C, N, O, F	6–9	5,6	2,6±0,1	25±5	2,4–8,0
Ne, Na, Mg, Al, Si, Р, S, ...	≥10	2,5	2,6±0,15	12±2	2,4–8,0
Ca, Ti, Ni, Fe, ...	≥20	0,7

Относительное содержание различных ядер в галактических и солнечных космических лучах, а также (для сравнения) на Солнце и др. звёздах приведено в таблице 1 для области сравнительно невысоких энергий (1–20 МэВ/нуклон) и энергий ≥ 40 МэВ/нуклон. В таблице 2 суммированы данные об интенсивности частиц галактических космических лучей более высоких энергий (≈2,5 ГэВ/нуклон). Таблица 3 содержит распределение ядер космических лучей с энергией ≈10,6 ГэВ/нуклон.

Таблица 3. Относительная распространённость F ядер космических лучей при энергии 10,6 ГэВ/нуклон (cодержание ядер кислорода принято равным 1,0)

Заряд ядра Z	Элемент	F
1	H	730
2	He	34
3–5	Li–B	0,4
6–8	C–O	2,2
9–10	F–Ne	0,3
11–12	Na–Mg	0,22
13–14	Al–Si	0,19
15–16	P–S	0,03
17–18	Cl–Ar	0,01
19–20	K–Ca	0,02
21–25	Sc–Mn	0,05
26–28	Fe–Ni	0,12

Методы изучения космических лучей

Поскольку по своим энергиям частицы космических лучей различаются в 10 15 раз, то для их изучения приходится применять весьма разнообразные методы и приборы (рис. 3, слева). При этом широко используется аппаратура, установленная на спутниках и космических ракетах. В атмосфере Земли измерения проводятся с помощью малых шаров-зондов и больших высотных аэростатов, на её поверхности – с помощью наземных установок. Некоторые из них достигают размеров в сотни квадратных километров и расположены либо высоко в горах, либо глубоко под землёй, либо на больших глубинах в океане, куда проникают только вторичные частицы высоких энергий, например мюоны (рис. 3, слева). Непрерывную регистрацию космических лучей на поверхности Земли уже более 60 лет осуществляет мировая сеть станций для изучения вариаций космических лучей – стандартные нейтронные мониторы и мюонные телескопы. Ценную информацию о галактических и солнечных космических лучах дают наблюдения на больших установках типа Баксанского комплекса для изучения широких атмосферных ливней .

Ныне основными типами детекторов, которые используются при изучении космических лучей, являются фотоэмульсии и рентгеновские плёнки, ионизационные камеры, газоразрядные счётчики, счётчики нейтронов, черенковские и сцинтилляционные счётчики, твердотельные полупроводниковые детекторы, искровые и дрейфовые камеры.

Ядерно-физические исследования космических лучей осуществляются в основном при помощи счётчиковых установок большой площади для регистрации широких атмосферных ливней, открытых в 1938 (П. Оже ). Ливни содержат огромное количество вторичных частиц, которые образуются при вторжении одной первичной частицы с энергией ≥ 10 15 эВ. Основная цель таких наблюдений – изучение характеристик элементарного акта ядерного взаимодействия при высоких энергиях. Наряду с этим, они дают информацию об энергетическом спектре космических лучей при энергиях 10 15 –10 20 эВ, что очень важно для поиска источников и механизмов ускорения космических лучей.

Поток частиц с E ≈10 20 эВ, изучаемый методами широких атмосферных ливней, 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 с установленными на них детекторами, чтобы зарегистрировать достаточное количество событий за разумное время. На 2016 на гигантских установках по регистрации широких атмосферных ливней различными группами учёных было зарегистрировано, по разным оценкам, от 10 до 20 событий, порождённых частицами с максимальными энергиями до 3∙10 20 эВ.

Наблюдения в космофизическом аспекте проводятся весьма разнообразными методами в зависимости от энергии частиц. Вариации космических лучей с энергиями 10 9 –10 12 эВ изучаются по данным мировой сети нейтронных мониторов, мюонных телескопов и др. детекторов. Однако наземные установки из-за атмосферного поглощения нечувствительны к частицам с энергией< 500 МэВ. Поэтому приборы для регистрации таких частиц поднимают на шарах-зондах в стратосферу до высот 30–35 км (рис. 3).

Внеатмосферные измерения потока космических лучей с энергией 1–500 МэВ осуществляют при помощи геофизических ракет, ИСЗ и других космических аппаратов (космических зондов). Прямые наблюдения космических лучей в межпланетном пространстве, начатые в 1960-х гг. на орбите Земли (вблизи плоскости эклиптики), с 1994 проводятся над полюсами Солнца (КА «Улисс», «Ulysses»). Космические зонды «Вояджер-1» («Voyager 1») и «Вояджер-2» («Voyager 2»), запущенные в 1977, уже достигли пределов Солнечной системы. Так, первый из этих КА пересёк границу гелиосферы в 2004, второй – в 2007. Это произошло соответственно на расстояниях 94 а.е. и 84 а.е. от Солнца. На 2016 оба аппарата, по-видимому, движутся в облаке межзвёздной пыли, в которое погружена Солнечная система.

Ряд ценных результатов дал метод космогенных изотопов. Они образуются при взаимодействии космических лучей с метеоритами и космической пылью, с поверхностью Луны и др. планет, с атмосферой или веществом Земли. Космогенные изотопы несут информацию о вариациях космических лучей в прошлом и о солнечно-земных связях. Например, по содержанию радиоуглерода 14 С в годичных кольцах деревьев (радиоуглеродный метод датирования ) можно изучать вариации интенсивности космических лучей на протяжении нескольких последних тысяч лет. По другим долгоживущим изотопам (10 Be, 26 Al, 53 Mn и др.), содержащимся в метеоритах, лунном грунте, в глубоководных морских отложениях, можно восстановить картину изменений интенсивности космических лучей за прошедшие миллионы лет.

С развитием космической техники и радиохимических методов анализа стало возможным изучение характеристик космических лучей по их трекам (следам) в веществе. Треки образуются ядрами космических лучей в метеоритах, лунном веществе, в специальных образцах-мишенях, экспонируемых на ИСЗ и возвращаемых на Землю, в шлемах космонавтов, работавших в открытом космосе, и т. п. Используется также косвенный метод изучения космических лучей по эффектам ионизации, вызываемым ими в нижней части ионосферы, особенно в полярных широтах (например, эффект усиления поглощения коротких радиоволн). Кроме эффектов ионизации, космические лучи вызывают также образование оксидов азота в атмосфере. Вместе с осадками (дождь и снег) оксиды осаждаются и в течение многих лет накапливаются во льдах Гренландии и Антарктиды. По их содержанию в колонках льда (т. н. нитратный метод) можно судить об интенсивности космических лучей в прошлом (десятки и сотни лет назад). Эти эффекты существенны главным образом при вторжении в атмосферу солнечных космических лучей.

Происхождение космических лучей

Из-за высокой изотропии космических лучей наблюдения у Земли не позволяют установить, где они образуются и как распределены во Вселенной. На эти вопросы впервые ответила радиоастрономия в связи с открытием космического синхротронного излучения в диапазоне частот 10 7 –10 9 Гц. Это излучение создаётся электронами очень высокой энергии (10 9 –10 10 эВ) при их движении в магнитных полях Галактики. Такие электроны, являющиеся одной из компонент космических лучей, занимают протяжённую область, охватывающую всю Галактику и называемую галактическим гало. В межзвёздных магнитных полях электроны движутся подобно другим заряженным частицам высокой энергии – протонам и более тяжёлым ядрам. Разница состоит лишь в том, что благодаря малой массе электроны, в отличие от более тяжёлых частиц, интенсивно излучают радиоволны и тем самым обнаруживают себя в удалённых частях Галактики, являясь индикатором космических лучей.

В 1966 Г. Т. Зацепин и В. А. Кузьмин (СССР) и К. Грейзен (США) высказали предположение, что спектр космических лучей при энергиях выше 3·10 19 эВ должен «обрезаться» (резко загибаться) из-за взаимодействия высокоэнергичных частиц с реликтовым излучением (т. н. GZK-эффект). 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 космических лучей с фотонами реликтового излучения практически не происходит из-за малого количества фотонов на пути частицы от источника к наблюдателю. Первые (предварительные) данные, полученные в 2007 в рамках большого международного «Проекта Оже», по-видимому, впервые указывают на существование GZK-эффекта при E > 3·10 19 эВ. В свою очередь, это является аргументом в пользу метагалактического происхождения космических лучей с энергией более 10 20 эВ, что значительно выше обрезания спектра за счёт GZK-эффекта. Для разрешения парадокса GZK высказываются различные идеи. Одна из гипотез связана с возможным нарушением лоренцевской инвариантности при сверхвысоких энергиях, в рамках которой нейтральные и заряженные π-мезоны могут быть стабильными частицами при энергиях выше 10 19 эВ и входить в состав первичных космических лучей.

В нач. 1970-х гг. изучение галактических космических лучей малых энергий, проводимое на космических аппаратах, привело к открытию аномальной компоненты космических лучей. Её 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 существенно отличается от спектра галактических космических лучей (рис. 4). Наблюдается возрастание потока частиц, связанное, как полагают, с ускорением ионов на ударной волне на границе гелиомагнитосферы и последующей диффузией этих частиц во внутренние районы гелиосферы . Кроме того, распространённость элементов аномальных космических лучей значительно отличается от соответствующих величин для галактических космических лучей.

С другой стороны, по данным на июнь 2008, полученным с борта КА «Вояджер-1», было отмечено увеличение потока космических лучей сравнительно невысоких энергий (единицы – десятки МэВ, рис. 5). Эти первые сведения о космических лучах, полученные непосредственно из межзвёздной среды, поднимают новые вопросы об источниках и природе (механизмах генерации) аномальной компоненты космических лучей.

Механизмы ускорения космических лучей

Завершённая теория ускорения космических частиц для всего энергетического диапазона, в котором они наблюдаются, пока не создана. Даже в отношении галактических космических лучей предложены лишь модели, объясняющие наиболее существенные факты. К таковым следует в первую очередь отнести величину плотности энергии космических лучей (≈ 1 эВ/см 3), а также степенную форму их энергетического спектра, не претерпевающую каких-либо резких изменений вплоть до энергии ≈ 3·10 15 эВ, где показатель дифференциального спектра всех частиц меняется с –2,7 на –3,1.

Ныне основным источником галактических космических лучей считаются взрывы сверхновых звёзд . Требования к энергетической мощности источников, генерирующих космические лучи, весьма высоки (мощность генерации космических лучей должна быть порядка 3·10 33 Вт), так что обычные звёзды Галактики не могут им удовлетворять. Однако такая мощность может быть получена от взрывов сверхновых звёзд (В. Л. Гинзбург , С. И. Сыроватский, 1963). Если во время взрыва выделяется энергия порядка 10 44 Дж, а взрывы происходят с частотой 1 раз в 30–100 лет, то их суммарная мощность составляет порядка 10 35 Вт, и для обеспечения необходимой мощности космических лучей достаточно лишь нескольких процентов энергии вспышки сверхновой.

При этом, однако, остаётся вопрос о формировании наблюдаемого спектра галактических космических лучей. Проблема состоит в том, что макроскопическую энергию намагниченной плазмы (расширяющейся оболочки сверхновой) необходимо передать индивидуальным заряженным частицам, обеспечив при этом такое распределение энергии, которое существенным образом отличается от теплового. Наиболее вероятным механизмом ускорения галактических космических лучей до энергии порядка 10 15 эВ (а возможно, и выше) представляется следующий. Движение сброшенной при взрыве оболочки порождает в окружающей межзвёздной среде ударную волну (рис. 6). Диффузионное распространение заряженных частиц, захваченных в процесс ускорения, позволяет им многократно пересекать фронт ударной волны (Г. Ф. Крымский , 1977). Каждая пара последовательных пересечений увеличивает энергию частицы пропорционально уже достигнутой энергии (механизм, предложенный Э. Ферми , 1949), что и приводит к ускорению частиц. С увеличением числа пересечений фронта ударной волны растёт и вероятность покинуть область ускорения, так что по мере роста энергии количество частиц падает примерно по степенному закону, причём ускорение оказывается весьма эффективным, а спектр ускоренных частиц – весьма жёстким: µE –2 .

При некоторых модельных допущениях предложенная схема даёт величину максимальной энергии E макс ~ 10 17 Z эВ, где Z – заряд ускоренного ядра. Расчётный спектр космических лучей вплоть до максимально достижимой энергии получается весьма жёстким (µЕ –2). Чтобы компенсировать различие между теоретическим (–2) и экспериментальным (–2,7) показателями спектра, требуется значительное смягчение спектра в процессе распространения космических лучей. Такое смягчение может быть достигнуто за счёт энергетической зависимости коэффициента диффузии частиц при их движении от источников к Земле.

Среди других механизмов ускорения обсуждается, в частности, ускорение на стоячей ударной волне при вращении нейтронной звезды с мощным магнитным полем (~10 12 Гс). Максимальная энергия частиц при этом может достигать (10 17 –10 18)Z эВ, а время эффективного ускорения – 10 лет. Ускорение частиц возможно также в ударных волнах, образующихся при столкновении галактик. Такое событие может осуществляться с частотой примерно 1 раз в 5·10 8 лет; максимально достижимая при этом энергия оценивается как 3·10 19 Z эВ. К аналогичной оценке приводит и процесс ускорения ударными волнами в струях, генерируемых активными ядрами галактик. Примерно такие же оценки дают модели, связанные с рассмотрением ускорения ударными волнами, вызванными аккрецией вещества в галактических скоплениях. Наибольшие оценки (до энергий порядка 10 21 эВ) можно получить в рамках модели космологического происхождения гамма-всплесков. Обсуждаются также экзотические сценарии, в которых обычного ускорения частиц не требуется вовсе. В подобных сценариях космические лучи возникают в результате распадов или аннигиляции т. н. топологических дефектов (космические струны, монополи и т. д.), возникших в первые мгновения расширения Вселенной.

Проблемы и перспективы

Изучение космических лучей даёт ценные сведения об электромагнитных полях в различных областях космического пространства. Информация, «записанная» и «переносимая» частицами космических лучей на их пути к Земле, расшифровывается при исследовании вариаций космических лучей – пространственно-временных изменений потока космических лучей под влиянием динамических, электромагнитных и плазменных процессов в межзвёздном пространстве, внутри гелиосферы (в потоке солнечного ветра ) и в окрестности Земли (в земной магнитосфере и атмосфере).

С другой стороны, в качестве естественного источника частиц высокой энергии космические лучи играют незаменимую роль при изучении строения вещества и взаимодействий между элементарными частицами. Энергии отдельных частиц космических лучей столь велики, что они ещё долго будут оставаться вне конкуренции по сравнению с частицами, ускоренными самыми мощными лабораторными ускорителями. Так, максимальная энергия частиц (протонов), полученных в большинстве современных наземных ускорителей, в основном не превышает 10 12 эВ. Лишь 3.6.2015 в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере впервые удалось ускорить протоны до энергий 1,3∙10 13 эВ (при проектной максимальной энергии 1,4∙10 13 эВ).

Наблюдения в различных космических масштабах (Галактика, Солнце, магнитосфера Земли и т. д.) показывают, что ускорение частиц происходит в космической плазме всюду, где имеются достаточно интенсивные неоднородные движения и магнитные поля. Однако в большом количестве и до очень высоких энергий частицы могут ускоряться только там, где плазме сообщается очень большая кинетическая энергия. Это как раз и происходит в таких грандиозных космических процессах, как вспышки сверхновых звёзд, активность радиогалактик и квазаров.

В понимании подобных процессов за последние десятилетия был достигнут значительный прогресс, однако остаётся и много вопросов. По-прежнему особенно острая ситуация в области высоких и экстремально высоких энергий, где качество информации (статистика данных) всё ещё не позволяет сделать однозначные выводы об источниках космических лучей и механизмах их ускорения. Можно надеяться, что эксперименты на Большом адронном коллайдере позволят получить информацию относительно адронных взаимодействий вплоть до энергии ~10 17 эВ и значительно сузить существующую ныне неопределённость, возникающую при экстраполяции феноменологических моделей адронных взаимодействий в область сверхвысоких энергий. Установки по изучению широких атмосферных ливней следующего поколения должны обеспечить прецизионные исследования энергетического спектра и состава космических лучей в области энергий 10 17 –10 19 эВ, где, по-видимому, происходит переход от галактических космических лучей к космическим лучам экстрагалактического происхождения.

Наряду с огромной ролью космических лучей в астрофизических процессах, важно их значение для изучения далёкого прошлого Земли (изменений климата, эволюции биосферы и т. д.), а также для решения некоторых практических задач (например, мониторинг и прогноз космической погоды и обеспечение радиационной безопасности космонавтов).

В нач. 21 в. всё большее внимание привлекает возможная роль космических лучей в атмосферных и климатических процессах. Хотя плотность энергии космических лучей мала по сравнению с огромной энергетикой различных атмосферных процессов, в некоторых из них космические лучи, по-видимому, играют решающую роль. В земной атмосфере на высотах менее 30 км космические лучи служат главным источником образования ионов. От плотности ионов во многом зависят процессы конденсации и образования водяных капель. Так, во время понижений интенсивности галактических космических лучей в области возмущений солнечного ветра в межпланетном пространстве, вызванных солнечными вспышками (т. н. эффект Форбуша), уменьшается облачность и уровень выпадения осадков. После вспышек на Солнце и прихода солнечных космических лучей на Землю величина облачности и уровень осадков увеличиваются. Эти изменения как в первом, так и во втором случае составляют не менее 10%. После вторжения в полярные области Земли больших потоков ускоренных частиц от Солнца наблюдается изменение температуры в верхних слоях атмосферы. Космические лучи активно участвуют также в образовании грозового электричества. В нач. 21 в. усиленно изучается влияние космических лучей на концентрацию озона и на другие процессы в атмосфере.

Все перечисленные эффекты детально исследуются в рамках более общей проблемы солнечно-земных связей . Особый интерес представляет разработка механизмов этих связей. В частности, это относится к триггерному механизму, при котором энергетически слабое первичное воздействие на неустойчивую систему приводит к многократному усилению вторичных эффектов, например к развитию мощного циклона.

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Косми́ческие лучи́ - 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, 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 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 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: $p (Z=1), \alpha (Z=2), L (Z=3-5), M (Z=6-9), H (Z \geqslant 10), VH (Z \geqslant 20)$ (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.

Солнечные космические лучи

Солнечными космическими лучами (СКЛ) называются энергичные заряженные частицы - электроны, протоны и ядра, - инжектированные Солнцем в межпланетное пространство. Энергия СКЛ простирается от нескольких кэВ до нескольких ГэВ. В нижней части этого диапазона СКЛ граничат с протонами высокоскоростных потоков солнечного ветра . Частицы СКЛ появляются вследствие солнечных вспышек .

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 (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

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.

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.

См. также

Обсерватория Пьер Оже (англ. )

Напишите отзыв о статье "Космические лучи"

Примечания

// Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров . - М .: Большая Российская энциклопедия , 1990. - Т. 2. Добротность - Магнитооптика. - С. 471-474. - 703 с. - ISBN 5852700614 .
Гинзбург В.Л. , Сыроватский С.И. Современное состояние вопроса о происхождении космических лучей // УФН . - 1960. - № 7.- С. 411-469. - ISSN 1996-6652. - URL: ufn.ru/ru/articles/1960/7/b/
, с. 18.
В. Л. Гинзбург Космические лучи: 75 лет исследований и перспективы на будущее // Земля и Вселенная . - М .: Наука , 1988. - № 3 . - С. 3-9 .
, с. 236.

Литература

С. В. Мурзин. Введение в физику космических лучей. М.: Атомиздат , 1979.
Модель космического пространства - М.: Изд-во МГУ , в 3-х томах.
А. Д. Филоненко (рус.) // УФН . - 2012. - Т. 182 . - С. 793-827 .
Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. - М .: Наука, 1975. - 464 с.
ред. Ширков Д.В. Физика микромира. - М .: Советская энциклопедия, 1980. - 528 с.

Ссылки



Составляющие

Туманности

Области звездообразования

Околозвёздные образования

Излучение

Отрывок, характеризующий Космические лучи

В это время Петя, на которого никто не обращал внимания, подошел к отцу и, весь красный, ломающимся, то грубым, то тонким голосом, сказал:
– Ну теперь, папенька, я решительно скажу – и маменька тоже, как хотите, – я решительно скажу, что вы пустите меня в военную службу, потому что я не могу… вот и всё…
Графиня с ужасом подняла глаза к небу, всплеснула руками и сердито обратилась к мужу.
– Вот и договорился! – сказала она.
Но граф в ту же минуту оправился от волнения.
– Ну, ну, – сказал он. – Вот воин еще! Глупости то оставь: учиться надо.
– Это не глупости, папенька. Оболенский Федя моложе меня и тоже идет, а главное, все равно я не могу ничему учиться теперь, когда… – Петя остановился, покраснел до поту и проговорил таки: – когда отечество в опасности.
– Полно, полно, глупости…
– Да ведь вы сами сказали, что всем пожертвуем.
– Петя, я тебе говорю, замолчи, – крикнул граф, оглядываясь на жену, которая, побледнев, смотрела остановившимися глазами на меньшого сына.
– А я вам говорю. Вот и Петр Кириллович скажет…
– Я тебе говорю – вздор, еще молоко не обсохло, а в военную службу хочет! Ну, ну, я тебе говорю, – и граф, взяв с собой бумаги, вероятно, чтобы еще раз прочесть в кабинете перед отдыхом, пошел из комнаты.
– Петр Кириллович, что ж, пойдем покурить…
Пьер находился в смущении и нерешительности. Непривычно блестящие и оживленные глаза Наташи беспрестанно, больше чем ласково обращавшиеся на него, привели его в это состояние.
– Нет, я, кажется, домой поеду…
– Как домой, да вы вечер у нас хотели… И то редко стали бывать. А эта моя… – сказал добродушно граф, указывая на Наташу, – только при вас и весела…
– Да, я забыл… Мне непременно надо домой… Дела… – поспешно сказал Пьер.
– Ну так до свидания, – сказал граф, совсем уходя из комнаты.
– Отчего вы уезжаете? Отчего вы расстроены? Отчего?.. – спросила Пьера Наташа, вызывающе глядя ему в глаза.
«Оттого, что я тебя люблю! – хотел он сказать, но он не сказал этого, до слез покраснел и опустил глаза.
– Оттого, что мне лучше реже бывать у вас… Оттого… нет, просто у меня дела.
– Отчего? нет, скажите, – решительно начала было Наташа и вдруг замолчала. Они оба испуганно и смущенно смотрели друг на друга. Он попытался усмехнуться, но не мог: улыбка его выразила страдание, и он молча поцеловал ее руку и вышел.
Пьер решил сам с собою не бывать больше у Ростовых.

Петя, после полученного им решительного отказа, ушел в свою комнату и там, запершись от всех, горько плакал. Все сделали, как будто ничего не заметили, когда он к чаю пришел молчаливый и мрачный, с заплаканными глазами.
На другой день приехал государь. Несколько человек дворовых Ростовых отпросились пойти поглядеть царя. В это утро Петя долго одевался, причесывался и устроивал воротнички так, как у больших. Он хмурился перед зеркалом, делал жесты, пожимал плечами и, наконец, никому не сказавши, надел фуражку и вышел из дома с заднего крыльца, стараясь не быть замеченным. Петя решился идти прямо к тому месту, где был государь, и прямо объяснить какому нибудь камергеру (Пете казалось, что государя всегда окружают камергеры), что он, граф Ростов, несмотря на свою молодость, желает служить отечеству, что молодость не может быть препятствием для преданности и что он готов… Петя, в то время как он собирался, приготовил много прекрасных слов, которые он скажет камергеру.
Петя рассчитывал на успех своего представления государю именно потому, что он ребенок (Петя думал даже, как все удивятся его молодости), а вместе с тем в устройстве своих воротничков, в прическе и в степенной медлительной походке он хотел представить из себя старого человека. Но чем дальше он шел, чем больше он развлекался все прибывающим и прибывающим у Кремля народом, тем больше он забывал соблюдение степенности и медлительности, свойственных взрослым людям. Подходя к Кремлю, он уже стал заботиться о том, чтобы его не затолкали, и решительно, с угрожающим видом выставил по бокам локти. Но в Троицких воротах, несмотря на всю его решительность, люди, которые, вероятно, не знали, с какой патриотической целью он шел в Кремль, так прижали его к стене, что он должен был покориться и остановиться, пока в ворота с гудящим под сводами звуком проезжали экипажи. Около Пети стояла баба с лакеем, два купца и отставной солдат. Постояв несколько времени в воротах, Петя, не дождавшись того, чтобы все экипажи проехали, прежде других хотел тронуться дальше и начал решительно работать локтями; но баба, стоявшая против него, на которую он первую направил свои локти, сердито крикнула на него:
– Что, барчук, толкаешься, видишь – все стоят. Что ж лезть то!
– Так и все полезут, – сказал лакей и, тоже начав работать локтями, затискал Петю в вонючий угол ворот.
Петя отер руками пот, покрывавший его лицо, и поправил размочившиеся от пота воротнички, которые он так хорошо, как у больших, устроил дома.
Петя чувствовал, что он имеет непрезентабельный вид, и боялся, что ежели таким он представится камергерам, то его не допустят до государя. Но оправиться и перейти в другое место не было никакой возможности от тесноты. Один из проезжавших генералов был знакомый Ростовых. Петя хотел просить его помощи, но счел, что это было бы противно мужеству. Когда все экипажи проехали, толпа хлынула и вынесла и Петю на площадь, которая была вся занята народом. Не только по площади, но на откосах, на крышах, везде был народ. Только что Петя очутился на площади, он явственно услыхал наполнявшие весь Кремль звуки колоколов и радостного народного говора.
Одно время на площади было просторнее, но вдруг все головы открылись, все бросилось еще куда то вперед. Петю сдавили так, что он не мог дышать, и все закричало: «Ура! урра! ура!Петя поднимался на цыпочки, толкался, щипался, но ничего не мог видеть, кроме народа вокруг себя.
На всех лицах было одно общее выражение умиления и восторга. Одна купчиха, стоявшая подле Пети, рыдала, и слезы текли у нее из глаз.
– Отец, ангел, батюшка! – приговаривала она, отирая пальцем слезы.
– Ура! – кричали со всех сторон. С минуту толпа простояла на одном месте; но потом опять бросилась вперед.
Петя, сам себя не помня, стиснув зубы и зверски выкатив глаза, бросился вперед, работая локтями и крича «ура!», как будто он готов был и себя и всех убить в эту минуту, но с боков его лезли точно такие же зверские лица с такими же криками «ура!».
«Так вот что такое государь! – думал Петя. – Нет, нельзя мне самому подать ему прошение, это слишком смело!Несмотря на то, он все так же отчаянно пробивался вперед, и из за спин передних ему мелькнуло пустое пространство с устланным красным сукном ходом; но в это время толпа заколебалась назад (спереди полицейские отталкивали надвинувшихся слишком близко к шествию; государь проходил из дворца в Успенский собор), и Петя неожиданно получил в бок такой удар по ребрам и так был придавлен, что вдруг в глазах его все помутилось и он потерял сознание. Когда он пришел в себя, какое то духовное лицо, с пучком седевших волос назади, в потертой синей рясе, вероятно, дьячок, одной рукой держал его под мышку, другой охранял от напиравшей толпы.
– Барчонка задавили! – говорил дьячок. – Что ж так!.. легче… задавили, задавили!
Государь прошел в Успенский собор. Толпа опять разровнялась, и дьячок вывел Петю, бледного и не дышащего, к царь пушке. Несколько лиц пожалели Петю, и вдруг вся толпа обратилась к нему, и уже вокруг него произошла давка. Те, которые стояли ближе, услуживали ему, расстегивали его сюртучок, усаживали на возвышение пушки и укоряли кого то, – тех, кто раздавил его.
– Этак до смерти раздавить можно. Что же это! Душегубство делать! Вишь, сердечный, как скатерть белый стал, – говорили голоса.
Петя скоро опомнился, краска вернулась ему в лицо, боль прошла, и за эту временную неприятность он получил место на пушке, с которой он надеялся увидать долженствующего пройти назад государя. Петя уже не думал теперь о подаче прошения. Уже только ему бы увидать его – и то он бы считал себя счастливым!
Во время службы в Успенском соборе – соединенного молебствия по случаю приезда государя и благодарственной молитвы за заключение мира с турками – толпа пораспространилась; появились покрикивающие продавцы квасу, пряников, мака, до которого был особенно охотник Петя, и послышались обыкновенные разговоры. Одна купчиха показывала свою разорванную шаль и сообщала, как дорого она была куплена; другая говорила, что нынче все шелковые материи дороги стали. Дьячок, спаситель Пети, разговаривал с чиновником о том, кто и кто служит нынче с преосвященным. Дьячок несколько раз повторял слово соборне, которого не понимал Петя. Два молодые мещанина шутили с дворовыми девушками, грызущими орехи. Все эти разговоры, в особенности шуточки с девушками, для Пети в его возрасте имевшие особенную привлекательность, все эти разговоры теперь не занимали Петю; ou сидел на своем возвышении пушки, все так же волнуясь при мысли о государе и о своей любви к нему. Совпадение чувства боли и страха, когда его сдавили, с чувством восторга еще более усилило в нем сознание важности этой минуты.
Вдруг с набережной послышались пушечные выстрелы (это стреляли в ознаменование мира с турками), и толпа стремительно бросилась к набережной – смотреть, как стреляют. Петя тоже хотел бежать туда, но дьячок, взявший под свое покровительство барчонка, не пустил его. Еще продолжались выстрелы, когда из Успенского собора выбежали офицеры, генералы, камергеры, потом уже не так поспешно вышли еще другие, опять снялись шапки с голов, и те, которые убежали смотреть пушки, бежали назад. Наконец вышли еще четверо мужчин в мундирах и лентах из дверей собора. «Ура! Ура! – опять закричала толпа.
– Который? Который? – плачущим голосом спрашивал вокруг себя Петя, но никто не отвечал ему; все были слишком увлечены, и Петя, выбрав одного из этих четырех лиц, которого он из за слез, выступивших ему от радости на глаза, не мог ясно разглядеть, сосредоточил на него весь свой восторг, хотя это был не государь, закричал «ура!неистовым голосом и решил, что завтра же, чего бы это ему ни стоило, он будет военным.
Толпа побежала за государем, проводила его до дворца и стала расходиться. Было уже поздно, и Петя ничего не ел, и пот лил с него градом; но он не уходил домой и вместе с уменьшившейся, но еще довольно большой толпой стоял перед дворцом, во время обеда государя, глядя в окна дворца, ожидая еще чего то и завидуя одинаково и сановникам, подъезжавшим к крыльцу – к обеду государя, и камер лакеям, служившим за столом и мелькавшим в окнах.
За обедом государя Валуев сказал, оглянувшись в окно:
– Народ все еще надеется увидать ваше величество.
Обед уже кончился, государь встал и, доедая бисквит, вышел на балкон. Народ, с Петей в середине, бросился к балкону.
– Ангел, отец! Ура, батюшка!.. – кричали народ и Петя, и опять бабы и некоторые мужчины послабее, в том числе и Петя, заплакали от счастия. Довольно большой обломок бисквита, который держал в руке государь, отломившись, упал на перилы балкона, с перил на землю. Ближе всех стоявший кучер в поддевке бросился к этому кусочку бисквита и схватил его. Некоторые из толпы бросились к кучеру. Заметив это, государь велел подать себе тарелку бисквитов и стал кидать бисквиты с балкона. Глаза Пети налились кровью, опасность быть задавленным еще более возбуждала его, он бросился на бисквиты. Он не знал зачем, но нужно было взять один бисквит из рук царя, и нужно было не поддаться. Он бросился и сбил с ног старушку, ловившую бисквит. Но старушка не считала себя побежденною, хотя и лежала на земле (старушка ловила бисквиты и не попадала руками). Петя коленкой отбил ее руку, схватил бисквит и, как будто боясь опоздать, опять закричал «ура!», уже охриплым голосом.
Государь ушел, и после этого большая часть народа стала расходиться.
– Вот я говорил, что еще подождать – так и вышло, – с разных сторон радостно говорили в народе.
Как ни счастлив был Петя, но ему все таки грустно было идти домой и знать, что все наслаждение этого дня кончилось. Из Кремля Петя пошел не домой, а к своему товарищу Оболенскому, которому было пятнадцать лет и который тоже поступал в полк. Вернувшись домой, он решительно и твердо объявил, что ежели его не пустят, то он убежит. И на другой день, хотя и не совсем еще сдавшись, но граф Илья Андреич поехал узнавать, как бы пристроить Петю куда нибудь побезопаснее.

15 го числа утром, на третий день после этого, у Слободского дворца стояло бесчисленное количество экипажей.
Залы были полны. В первой были дворяне в мундирах, во второй купцы с медалями, в бородах и синих кафтанах. По зале Дворянского собрания шел гул и движение. У одного большого стола, под портретом государя, сидели на стульях с высокими спинками важнейшие вельможи; но большинство дворян ходило по зале.
Все дворяне, те самые, которых каждый день видал Пьер то в клубе, то в их домах, – все были в мундирах, кто в екатерининских, кто в павловских, кто в новых александровских, кто в общем дворянском, и этот общий характер мундира придавал что то странное и фантастическое этим старым и молодым, самым разнообразным и знакомым лицам. Особенно поразительны были старики, подслеповатые, беззубые, плешивые, оплывшие желтым жиром или сморщенные, худые. Они большей частью сидели на местах и молчали, и ежели ходили и говорили, то пристроивались к кому нибудь помоложе. Так же как на лицах толпы, которую на площади видел Петя, на всех этих лицах была поразительна черта противоположности: общего ожидания чего то торжественного и обыкновенного, вчерашнего – бостонной партии, Петрушки повара, здоровья Зинаиды Дмитриевны и т. п.
Пьер, с раннего утра стянутый в неловком, сделавшемся ему узким дворянском мундире, был в залах. Он был в волнении: необыкновенное собрание не только дворянства, но и купечества – сословий, etats generaux – вызвало в нем целый ряд давно оставленных, но глубоко врезавшихся в его душе мыслей о Contrat social [Общественный договор] и французской революции. Замеченные им в воззвании слова, что государь прибудет в столицу для совещания с своим народом, утверждали его в этом взгляде. И он, полагая, что в этом смысле приближается что то важное, то, чего он ждал давно, ходил, присматривался, прислушивался к говору, но нигде не находил выражения тех мыслей, которые занимали его.

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ, поток заряженных частиц высокой энергии, которые приходят к Земле со всех направлений космического пространства и постоянно бомбардируют её атмосферу. В составе космических лучей преобладают протоны, имеются также электроны, ядра Не и более тяжёлых химических элементов (вплоть до ядер с зарядом Z ≈ 30; смотри таблицу). Наиболее многочисленны в космических лучах ядра Н и Не (около 85% и около 10% соответственно); доля других ядер невелика (не превышает 5%). Небольшую часть космических лучей составляют электроны и позитроны (менее 1%). Космическое излучение, падающее на границу земной атмосферы, содержит все стабильные заряженные частицы и ядра с временами жизни порядка 10 6 лет и более. По существу, истинно «первичными» космическими лучами можно называть только частицы, ускоренные в далёких астрофизических источниках, а «вторичными» - частицы, образовавшиеся в процессе взаимодействия первичных К. л. с межзвёздным газом. Так, электроны, протоны и ядра Не, С, О, Fe и др., синтезированные в звёздах, являются первичными. Напротив, ядра Li, Ве и В следует считать вторичными. Антипротоны и позитроны частично, если не полностью, являются вторичными.

История исследования космических лучей. В начале 20 века в опытах с электроскопами и ионизационными камерами была обнаружена постоянная остаточная ионизация газов, вызываемая каким-то проникающим излучением. В отличие от излучения радиоактивных веществ окружающей среды, проникающее излучение не могли задержать даже толстые слои свинца. Внеземная природа обнаруженного проникающего излучения установлена в 1912 году (В. Гесс, Нобелевская премия, 1936) в экспериментах с ионизационными камерами на воздушных шарах. Было найдено, что с увеличением расстояния от поверхности Земли ионизация, вызываемая проникающим излучением, растёт. Его внеземное происхождение окончательно доказал Р. Милликен в 1923-26 в экспериментах по поглощению излучения атмосферой (именно он ввёл термин «космические лучи»).

Природа космических лучей вплоть до 1940-х годов оставалась неясной. В течение этого времени интенсивно развивалось ядерное направление исследований космических лучей (ядерно-физический аспект) - изучение взаимодействия космических лучей с веществом, образования вторичных частиц и их поглощения в атмосфере. Эти исследования, проводимые при помощи телескопов счётчиков, камер Вильсона и ядерных фотоэмульсий (поднимаемых на шарах-зондах в стратосферу), привели, в частности, к открытию новых элементарных частиц - позитрона (1932), мюона (1937), π-мезона (1947).

Систематические исследования влияния геомагнитного поля на интенсивность и направление прихода первичных космических лучей показали, что подавляющее большинство космических лучей имеет положительный заряд.

С этим связана восточно-западная асимметрия космических лучей: из-за отклонения заряженных частиц в магнитном поле Земли с запада приходит больше частиц, чем с востока. Применение фотоэмульсий позволило установить ядерный состав первичных космических лучей (1948): были обнаружены следы ядер тяжёлых элементов, вплоть до железа. Первичные электроны в составе космических лучей впервые зарегистрированы в стратосферных измерениях лишь в 1961 году.

С конца 1940-х годов на передний план выдвинулись проблемы происхождения и временных вариаций космических лучей (космофизический аспект).

Общая характеристика космических лучей. Космические лучи напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы которого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвёздной и межпланетной сред и подвергаются воздействию космических магнитных полей. Частицы космических лучей обладают огромной кинетической энергией (вплоть до Е к порядка 10 21 эВ). Вблизи Земли подавляющую часть космических лучей составляют частицы с энергией от 10 6 эВ до 10 9 эВ, с дальнейшим ростом энергии поток космических лучей резко ослабевает. Так, при энергии 10 12 эВ на границу атмосферы падает не более 1 частицы/(м 2 ·с), а при Е к =10 15 эВ - всего 1 частица/(м 2 ·год). Этим обусловлены определённые трудности в изучении космических лучей высоких и сверхвысоких энергий. Хотя суммарный поток космических лучей у Земли невелик [всего около 1 частицы/(см 2 ·с)], плотность их энергии (около 1 эВ/см 3) в пределах нашей Галактики сравнима с плотностью энергии суммарного электромагнитного излучения звёзд, энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетической энергии его турбулентных движений, а также с плотностью энергии магнитного поля Галактики. Отсюда следует, что космические лучи должны играть большую роль во многих астрофизических процессах.

Другая важная особенность космических лучей - нетепловое происхождение их энергии. Действительно, даже при температуре 10 9 К, по-видимому близкой к максимальной для звёздных недр, средняя энергия теплового движения частиц ≈ 3·10 5 эВ. Основное количество частиц космических лучей, наблюдаемых у Земли, имеет энергии свыше 10 6 эВ. Это означает, что космические лучи приобретают энергию путём ускорения в специфических астрофизических процессах плазменной и электромагнитной природы.

По своему происхождению космические лучи можно разделить на несколько групп:

1) космические лучи галактического происхождения (галактические космические лучи, ГКЛ); их источником является наша Галактика, в которой происходит ускорение частиц до энергий около 10 18 эВ;

2) космические лучи метагалактического происхождения; они образуются в других галактиках и имеют самые большие, ультрарелятивистские энергии - свыше 10 18 эВ;

3) солнечные космические лучи (СКЛ), генерируемые на Солнце или вблизи него во время солнечных вспышек и корональных выбросов массы; их энергия составляет от 10 6 до более 10 10 эВ;

4) аномальные космические лучи (АКЛ), образующиеся в Солнечной системе на периферии гелиосферы; энергии частиц АКЛ находятся в пределах 1-100 МэВ/нуклон.

По содержанию ядер Li, Ве и В, которые образуются в результате взаимодействий ГКЛ с атомами межзвёздной среды, можно определить количество вещества Х, через которое прошли космические лучи, блуждая в межзвёздной среде. Величина Х примерно равна 5·10 г/см 2 . Время блуждания космических лучей в межзвёздной среде (или время их жизни) и величина Х связаны соотношением Х ≈ ρνt, где ρ - средняя плотность межзвёздной среды (порядка 10 -24 г/см 3), t - время блуждания космических лучей в этой среде, ν - скорость частиц. Величина ν для ультрарелятивистских космических лучей практически равна скорости света, и время их жизни составляет около 3·10 8 лет. (Время жизни ГКЛ определяется их выходом из Галактики либо поглощением за счёт неупругих взаимодействий с веществом межзвёздной среды.)

Попадая в атмосферу Земли, первичные космические лучи разрушают ядра наиболее распространённых в атмосфере химических элементов - N и О - и порождают каскадный процесс, в котором участвуют все известные элементарные частицы, в частности такие вторичные частицы, как протоны (р), нейтроны (n), мезоны (μ), электроны (е), а также γ-кванты и нейтрино (ν). Принято характеризовать путь, пройденный частицей космических лучей в атмосфере до столкновения, количеством вещества в граммах, заключённого в столбе сечением 1 см 2 , т. е. выражать пробег частиц в г/см 2 вещества атмосферы. Это значит, что после прохождения толщи атмосферы х (г/см 2) пучком протонов с первоначальной интенсивностью I 0 количество протонов, не испытавших столкновения, будет равно I = I 0 ехр(-х/λ), где λ - средний пробег частицы. Для протонов, составляющих основную часть первичных космических лучей, пробег λ в воздухе равен примерно 70 г/см 2 ; для ядер Не λ≈25 г/см 2 , для более тяжёлых ядер - ещё меньше. Первое столкновение с частицами атмосферы протоны испытывают в среднем на высоте 20 км (х≈70 г/см 2). Толщина атмосферы на уровне моря эквивалентна 10 30 г/см 2 , т. е. соответствует примерно 15 ядерным пробегам для протонов. Отсюда следует, что вероятность достичь поверхности Земли, не испытав столкновений, для первичной частицы ничтожно мала. Поэтому на поверхности Земли космические лучи обнаруживаются лишь по слабым эффектам ионизации, создаваемым вторичными частицами.

Методы изучения космических лучей . Поскольку по своим энергиям частицы космических лучей различаются в 10 15 раз, то для их изучения приходится применять весьма разнообразные методы и приборы. При этом широко используется, например, аппаратура, установленная на спутниках и космических ракетах. В атмосфере Земли измерения проводятся с помощью малых шаров-зондов и больших высотных аэростатов, на её поверхности - с помощью наземных установок. Некоторые из них достигают размеров в сотни квадратных километров и расположены либо высоко в горах, либо глубоко под землёй, либо на больших глубинах в океане, куда проникают вторичные мюоны высоких энергий. Непрерывную регистрацию космических лучей на поверхности Земли в течение более 50 лет осуществляет мировая сеть станций для изучения вариаций космических лучей - стандартные нейтронные мониторы и мюонные телескопы. Ценную информацию о ГКЛ и СКЛ дают наблюдения на специальных установках типа Баксанского комплекса для изучения широких атмосферных ливней (ШАЛ).

Основные типы детекторов, которые используются при изучении космических лучей, - фотоэмульсии и рентгеновские плёнки, ионизационные камеры, газоразрядные счётчики, счётчики нейтронов, черенковские и сцинтилляционные счётчики, твердотельные полупроводниковые детекторы, искровые и дрейфовые камеры.

Ядерно-физические исследования космических лучей проводятся в основном при помощи счётчиковых установок большой площади для регистрации ШАЛ. Ливни содержат огромное количество вторичных частиц, которые образуются при вторжении одной первичной частицы с энергией свыше 10 15 эВ. Основная цель таких наблюдений - изучение характеристик элементарного акта ядерного взаимодействия при высоких энергиях. Наряду с этим, они дают информацию об энергетическом спектре космических лучей при энергиях 10 15 -10 20 эВ, что очень важно для поиска источников и механизмов ускорения космических лучей.

Поток частиц с энергией около 10 20 эВ, изучаемый методами ШАЛ, очень мал. Например, на 1 м 2 на границе атмосферы за 1 миллион лет падает лишь одна частица с Ε ≈ 10 19 эВ. Для регистрации столь малых потоков необходимо иметь большие площади, покрытые детекторами. На гигантских установках по регистрации ШАЛ было зарегистрировано, по разным оценкам, от 10 до 20 событий, порождённых частицами с максимальными энергиями до 3·10 20 эВ.

Вариации космических лучей с энергиями порядка 10 9 -10 12 эВ изучаются по данным мировой сети нейтронных мониторов, мюонных телескопов и других детекторов. Однако наземные установки из-за атмосферного поглощения нечувствительны к частицам с энергией менее 500 МэВ. Поэтому приборы для регистрации таких частиц поднимают на шарах-зондах в стратосферу до высот 30-35 км.

Внеатмосферные измерения потока космических лучей с энергией 1-500 МэВ осуществляют при помощи геофизических ракет, ИСЗ и космических зондов. Прямые наблюдения космических лучей в межпланетном пространстве, начатые в 1960-х годах на орбите Земли (вблизи плоскости эклиптики), с 1994 проводятся над полюсами Солнца (КА «Улисс»). Космические зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенные в 1977, уже достигли пределов Солнечной системы. Так, первый из этих КА пересёк границу гелиосферы в 2004, второй - в 2007. С 2008 оба КА, по-видимому, движутся в облаке межзвёздной пыли, в которое погружена Солнечная система.

Ряд ценных результатов дал метод космогенных изотопов, образующихся при взаимодействии космических лучей с метеоритами и космической пылью, с поверхностью Луны, планет, с атмосферой или веществом Земли. Космогенные изотопы несут информацию о вариациях космических лучей в прошлом и о солнечно-земных связях. Например, по содержанию радионуклида 14 С в годичных кольцах деревьев можно изучать вариации интенсивности космических лучей на протяжении последних нескольких тысяч лет. По другим долгоживущим нуклидам (10 Ве, 26 Al, 53 Мn и др.), содержащимся в метеоритах, лунном грунте, в глубоководных морских отложениях, можно восстановить картину изменений интенсивности космических лучей за миллионы лет.

Происхождение космических лучей. Из-за высокой изотропии космических лучей наблюдения у Земли не позволяют установить, где они образуются и как распределены во Вселенной. На эти вопросы впервые ответила радиоастрономия в связи с открытием космического синхротронного излучения в диапазоне частот 10 7 -10 9 Гц. Это излучение создаётся электронами очень высокой энергии (порядка 10 9 -10 10 эВ) при их движении в магнитных полях Галактики. Такие электроны, являющиеся одним из компонентов космических лучей, занимают протяжённую область, охватывающую всю Галактику и называемую галактическим гало. В межзвёздных магнитных полях электроны движутся подобно другим заряженным частицам высокой энергии - протонам и более тяжёлым ядрам. Разница состоит лишь в том, что благодаря малой массе электроны, в отличие от более тяжёлых частиц, интенсивно излучают радиоволны и тем самым обнаруживают себя в удалённых частях Галактики, являясь индикатором космических лучей.

Кроме общего галактического синхротронного радиоизлучения, были обнаружены его дискретные источники: оболочки сверхновых звёзд, ядро Галактики, радиогалактики, квазары, активные ядра галактик и т.д. Естественно считать, что все эти объекты могут быть источниками космических лучей. Основным источником космических лучей внутри Галактики считаются взрывы сверхновых звёзд. Космические лучи ускоряются ударными волнами, образующимися при этих взрывах. Максимальная энергия, которую могут приобрести частицы в таких процессах, составляет порядка 10 16 эВ. Кроме того, часть космических лучей может ускориться до таких же энергий ударными волнами, распространяющимися в межзвёздной среде Галактики. Космические лучи ещё больших энергий образуются в Метагалактике; одним из их источников могут быть ядра активных галактик.

В 1966 К. Грейзен (США), а также Г. Т. Зацепин и В. А. Кузьмин (СССР) высказали предположение, что спектр космических лучей при энергиях свыше 3·10 19 эВ должен «обрезаться» (резко загибаться вниз) из-за взаимодействия высокоэнергетичных частиц с реликтовым излучением (так называемый GZK-эффект). Регистрация нескольких частиц с энергией порядка 10 20 эВ может быть объяснена, если предположить, что источники этих частиц удалены от нас на расстояния не более 50 Мпк. В этом случае взаимодействие космических лучей с фотонами реликтового излучения практически не происходит из-за малого количества фотонов на пути частицы от источника к наблюдателю. Данные, полученные в 2007 в рамках международного проекта «Оже», по-видимому, впервые указывают на существование GZK-эффекта при энергиях свыше 3·10 19 эВ.

В начале 1970-х годов изучение ГКЛ малых энергий, проводимое с помощью КА, привело к открытию аномальной компоненты космических лучей. Её составляют не полностью ионизованные атомы Не, С, N, О, Ne и Ar. В области энергий от нескольких единиц до нескольких десятков МэВ/нуклон спектр частиц АКЛ существенно отличается от спектра ГКЛ: 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, распространённость элементов АКЛ значительно отличается от соответствующих величин для ГКЛ.

По данным на июнь 2008 года, полученным с борта КА «Вояджер-1», поток космических лучей по мере удаления от Солнечной системы постоянно растёт. Эти первые сведения о космических лучах непосредственно из межзвёздной среды поднимают новые вопросы об источниках и природе (механизмах генерации) аномальной компоненты космических лучей.

Механизмы ускорения космических лучей . Основным источником ГКЛ считаются взрывы сверхновых звёзд. Требования к энергетической мощности источников, генерирующих космические лучи, весьма высоки (мощность генерации космических лучей должна быть порядка 3·10 33 Вт), так что обычные звёзды Галактики не могут им удовлетворять. Однако такая мощность может быть получена от взрывов сверхновых звёзд (В. Л. Гинзбург и С. И. Сыроватский, 1963).

Если во время взрыва выделяется энергия порядка 10 44 Дж, а взрывы происходят с частотой 1 раз в 30-100 лет, то их суммарная мощность составляет порядка 10 35 Вт, и для обеспечения необходимой мощности космических лучей достаточно лишь нескольких процентов энергии вспышки сверхновой.

Наиболее вероятный механизм ускорения ГКЛ до энергий порядка 10 15 эВ (а возможно, и выше) - движение оболочки, сброшенной при взрыве сверхновой звезды, которое порождает в окружающей межзвёздной среде ударную волну. Диффузионное распространение заряженных частиц, захваченных в процесс ускорения, позволяет им многократно пересекать фронт ударной волны (Г. Ф. Крымский, 1977). Каждая пара последовательных пересечений увеличивает энергию частицы пропорционально уже достигнутой энергии, что и приводит к ускорению частиц. С увеличением числа пересечений фронта ударной волны растёт и вероятность покинуть область ускорения, так что по мере роста энергии количество частиц падает примерно по степенному закону, причём ускорение оказывается весьма эффективным, а спектр ускоренных частиц - весьма жёстким (~Е -2). При некоторых модельных допущениях предложенная схема даёт величину максимальной энергии порядка 10 17 Z эВ, где Z - заряд ускоренного ядра.

Среди других механизмов ускорения обсуждается, в частности, ускорение стоячей ударной волной при вращении нейтронной звезды с мощным магнитным полем (порядка 10 12 Гс); максимальная энергия частиц при этом может достигать (10 17 - 10 18)Z эВ, а время эффективного ускорения - 10 лет. Ускорение частиц возможно также в ударных волнах при столкновении галактик. Такое событие может осуществляться с частотой примерно 1 раз в 5·10 8 лет; максимально достижимая энергия оценивается как 3·10 19 Z эВ. К аналогичной оценке приводит и процесс ускорения ударными волнами в струях, генерируемых активными ядрами галактик. Наибольшие оценки (до энергий порядка 10 21 эВ) можно получить в рамках модели космологического происхождения гамма-всплесков. Обсуждаются также сценарии, в которых космические лучи образуются в результате распадов или аннигиляции так называемых топологических дефектов (космической струны, монополи и т.д.), возникших в первые мгновения расширения Вселенной.

Проблемы и перспективы. Изучение космических лучей даёт ценные сведения об электромагнитных полях в различных областях космического пространства. Информация, «записанная» и «переносимая» частицами космических лучей на их пути к Земле, расшифровывается при исследовании вариаций космических лучей - пространственно-временных изменений потока космических лучей под влиянием динамических, электромагнитных и плазменных процессов в межзвёздном пространстве, внутри гелиосферы (в потоке солнечного ветра) и в окрестности Земли (в земной магнитосфере и атмосфере).

Космические лучи имеют важное значение для изучения далёкого прошлого Земли (изменений климата, эволюции биосферы и т.д.), а также для решения некоторых практических задач (например, мониторинг и прогноз космической погоды, и обеспечение радиационной безопасности космонавтов).

В конце 20 - начале 21 века всё большее внимание привлекает возможная роль космических лучей в атмосферных и климатических процессах. Хотя плотность энергии космических лучей мала по сравнению с энергией различных атмосферных процессов, в некоторых из них космические лучи, по-видимому, играют решающую роль. В земной атмосфере на высотах менее 30 км космические лучи являются главным источником образования ионов. От плотности ионов во многом зависят процессы конденсации и образования водяных капель. Так, во время понижений интенсивности ГКЛ в области возмущений солнечного ветра в межпланетном пространстве, вызванных вспышками (так называемый эффект Форбуша), уменьшаются 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 случае составляют не менее 10%. После вторжения в полярные области Земли больших потоков ускоренных частиц от Солнца наблюдается изменение температуры верхних слоёв атмосферы. Космические лучи активно участвуют также в образовании грозового электричества. В настоящее время усиленно изучается влияние космических лучей на концентрацию озона и на другие процессы в атмосфере.

Все перечисленные эффекты детально исследуются в рамках более общей проблемы солнечно-земных связей. Особый интерес представляет изучение механизмов этих связей, в частности триггерного механизма, при котором энергетически слабое первичное воздействие на неустойчивую систему приводит к многократному усилению вторичных эффектов (например, к развитию мощного циклона).

Лит.: Мирошниченко Л. И. Космические лучи в межпланетном пространстве. М., 1973; он же. Солнечная активность и Земля. М., 1981; Дорман Л. И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М., 1975; Дорман И. В. Космические лучи: Исторический очерк. М., 1981; она же. Космические лучи, ускорители и новые частицы. М., 1989; Топтыгин И. Н. Космические лучи в межпланетных магнитных полях. М., 1983; Мурзин В. С. Введение в физику космических лучей. 3-е изд. М., 1988; Астрофизика космических лучей / Под редакцией В. Л. Гинзбурга. 2-е изд. М., 1990; Клапдор-Клайнгротхаус Г. В., Цюбер К. Астрофизика элементарных частиц. М., 2000; Капитонов И. М. Введение в физику ядра и частиц. 3-е изд. М., 2006; Черепащук А. М., Чернин А. Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино, 2007.

Л. И. Мирошниченко.

Космические лучи

поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные элементарные частицы.

К. л. - уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий, позволяющих изучать процессы превращения элементарных частиц и их структуру. Наряду с этим К. л. дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы большого масштаба, связанные с ускорением и распространением частиц космического излучения в межпланетной, межзвёздной, а возможно, и в межгалактической среде.

Большинство частиц первичного космического излучения имеет энергию больше 10 9 эв (1 Гэв ), а энергия отдельных частиц достигает 10 20 -10 21 эв (а может быть, и выше). До создания мощных ускорителей заряженных частиц (См. Ускорители заряженных частиц) К. л. были единственным источником частиц высоких энергий. В К. л. были впервые обнаружены многие неизвестные ранее элементарные частицы и получены первые данные об их распадах и взаимодействиях с атомными ядрами. Хотя современные ускорители (в особенности ускорители на встречных пучках) позволяют проводить тщательное изучение процессов взаимодействия частиц вплоть до энергий 10 11 -10 12 эв, К. л. по-прежнему являются единственным источником сведений о взаимодействиях частиц при ещё более высоких энергиях.

Подавляющая часть первичных К. л. приходит к Земле извне Солнечной системы - из окружающего её галактического пространства (Галактики), т. н. галактические К. л., и лишь небольшая их часть, преимущественно умеренных энергий (Гэв), связана с активностью Солнца, т. н. солнечные К. л. Однако в периоды высокой солнечной активности могут происходить кратковременные сильные возрастания потоков солнечных К. л. в межпланетном пространстве. Частицы самых высоких энергий (>10 17 эв ) имеют, возможно, внегалактическое происхождение (приходят из Метагалактики (См. Метагалактика)).

Общий поток энергии, приносимой К. л. на Землю (Космические лучи0,01 эрг на 1 см 2 в 1 сек ), чрезвычайно мал по сравнению с излучаемым на Землю потоком солнечной энергии и сравним с энергией видимого излучения звёзд. Однако не исключено, что в далёком прошлом К. л. сыграли определённую роль в ускорении эволюции жизни на Земле.

В масштабах всей Галактики средняя плотность энергии К. л. велика (Космические лучи 1 эв/см 3 ) - порядка плотностей всех других видов энергии: энергии тяготения (См. Тяготение) (гравитации), магнитных полей, кинетической энергии движения межзвёздного газа, энергии электромагнитного излучения звёзд. Поэтому К. л. могут оказывать заметное влияние на эволюцию Галактики в целом.

В физике К. л. четко выделяются 2 основных направления исследований: ядерно-физическое (взаимодействие К. л. с веществом; генерация, свойства и взаимодействия элементарных частиц) и космо-физическое (состав и энергетический спектр первичных К. л.; генерация и распространение солнечных и галактических К. л.; изменение во времени интенсивности К. л. и взаимодействие К. л. с магнитосферой Земли (См. Магнитосфера Земли), с солнечным ветром (См. Солнечный ветер) и ударными волнами в межпланетном пространстве и др.). По мере развития техники ускорителей область исследований на первом направлении постепенно сдвигается в сторону высоких энергий. Всё более глубокое изучение ближнего космоса прямыми методами с помощью спутников и космических ракет перемещает центр тяжести второго направления на более далёкие космические объекты. Поэтому научные результаты, получаемые с помощью К. л., носят, как правило, разведывательный, первооткрывательский, характер и имеют фундаментальное значение как для развития физики микромира (в области характерных размеров ≤10 -13 см ), так и для развития физики космоса (10 8 -10 28 см ).

Открытие и основные этапы исследования К. л. Существование К. л. было установлено в 1912 В. Гесс ом по производимой ими ионизации молекул воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение. Наблюдения следов частиц К. л. в Вильсона камере (См. Вильсона камера), помещенной в поле лабораторного магнита (Д. В. Скобельцын , 1927), и отклонения их в магнитном поле Земли с помощью газоразрядных счётчиков, поднимаемых в стратосферу (См. Стратосфера) на баллонах (С. Н. Вернов и Р. Милликен , 1935-37), доказали, что первичные К. л. представляют собой поток заряженных частиц, в основном протонов (ядер атомов водорода). При этом были измерены и энергии большей части К. л. (до 15 Гэв ). С помощью ядерных фотографических эмульсий (См. Ядерная фотографическая эмульсия), поднятых на высоту Космические лучи 30 км (Б. Питерс и др., 1948), в составе первичных К. л. были обнаружены следы ядер более тяжёлых элементов, чем водород, вплоть до ядер железа (рис. 1 ).

Детальное изучение зарядов и масс частиц вторичных К. л. привело к открытию многих новых элементарных частиц, в частности Позитрон а, мюона (См. Мюоны), пи-мезона (См. Пи-мезоны), К-мезона (См. К-мезоны), Λ- гиперона (См. Гипероны) (1932-49). В 1932 П. Блэкетт и Дж. Оккиалини впервые обнаружили в камере Вильсона группы близких по направлению генетически связанных частиц космического излучения - т. н. ливни. В опытах 1945-49 на высокогорных станциях К. л. (В. И. Векслер , Н. А. Добротин и др.) и в стратосфере (С. Н. Вернов и др.) было установлено, что вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия первичных К. л. с ядрами атомов воздуха. Позднее Г. Т. Зацепин показал, что тот же механизм, но при более высоких энергиях (≥10 14 эв ) объясняет развитие открытых ранее в К. л. (П. Оже , 1938) широких атмосферных ливней - потоков из многих миллионов частиц, покрывающих на уровне моря площади порядка 1 км 2 и более.

Для правильного подхода к проблеме происхождения К. л. большую роль сыграли успехи радиоастрономии (См. Радиоастрономия). Связанное с К. л. нетепловое космическое радиоизлучение позволило обнаружить их возможные источники. В 1955 В. Л. Гинзбург и И. С. Шкловский на основе радио-астрономических наблюдений и энергетических оценок впервые количественно обосновали гипотезу о сверхновых звёздах (См. Сверхновые звёзды) как одном из основных галактических источников К. л.

Базой для космофизического направления исследований явилась созданная в 50-60-е гг. обширная мировая сеть станций К. л. (свыше 150), на которых проводится непрерывная регистрация космического излучения. Многие станции находятся высоко в горах, на некоторых станциях проводятся подземные наблюдения, регулярно посылаются в стратосферу баллоны с приборами автоматической регистрации К. л.

Новые возможности прямого изучения первичных К. л. в очень широком диапазоне энергий открылись в связи с подъёмом регистрирующей аппаратуры на искусственных спутниках Земли и межпланетных автоматических станциях. В частности, с помощью калориметра ионизационного (См. Калориметр ионизационный) на спутниках серии «Протон» был впервые непосредственно измерен энергетический спектр первичных К. л. до энергии Космические лучи10 15 эв (советский физик Н. Л. Григоров и др., 1965- 1969). Позднее с помощью искусственных спутников Луны и Марса, а также на советском «Луноходе-1» (1970-71) были проведены длительные измерения вариаций состава и интенсивности К. л, за пределами магнитосферы Земли,

Первичные галактические К. л. Геомагнитные эффекты . Все экспериментальные данные согласуются с тем, что поток первичных К. л., летящих к Земле из Галактики, с высокой степенью точности (Космические лучи0,1%) изотропен, т. е. не зависит от направления. Попадая в магнитное поле Земли, заряженные частицы космического излучения отклоняются от первоначального направления (в результате действия на них Лоренца силы (См. Лоренца сила)). Поэтому интенсивность К. л. и их энергетический спектр в околоземном пространстве зависят как от геомагнитных координат места наблюдения, так и от направления прихода К. л. Отклоняющее действие геомагнитного поля проявляется тем сильнее, чем больше угол ϑ между направлением движения частицы и направлением силовой линии поля, т. е. чем меньше геомагнитная широта φ места наблюдения. Т. о., при одной и той же энергии частиц отклонение максимально в экваториальных областях и минимально вблизи магнитных полюсов. У экватора этот «геомагнитный барьер» не пропускает к Земле летящие перпендикулярно её поверхности протоны с энергией меньше Космические лучи15 Гэв и ядра с энергией Космические лучи7,5 Гэв на нуклон (протон пли нейтрон). С увеличением геомагнитной широты пороговая энергия частиц быстро уменьшается (Космические лучиcos 4 φ ), и в полярных областях геомагнитный барьер практически отсутствует. Наряду с регулярной широтной зависимостью на интенсивности К. л. заметно сказываются аномалии геомагнитного поля (особенно в районе Южной Атлантики). В результате распределение интенсивности К. л. по земному шару имеет довольно сложный характер (рис. 2 ). В полярных областях (φ≥ 60°) интенсивность К. л. у границы атмосферы составляет в годы минимума солнечной активности около 0,4 частицы на 1 см 2 в 1 сек в единице телесного угла.

С ростом энергии К. л. их интенсивность сначала медленно, а затем всё более резко уменьшается (рис. 3 , а). При энергиях 10 10 -10 15 эв поток частиц с энергией выше некоторой заданной энергии E (интегральный спектр) падает по закону Космические лучи E -1,7 (рис. 3 , б). В области энергий > 10 15 эв единственным источником сведений об энергетическом спектре К. л. (рис. 3 , е) являются данные по широким атмосферным ливням (см. ниже): этот спектр уже нельзя представить единым степенным законом, что может объясняться примесью метагалактических К. л.

Более 90% частиц первичных К. л. всех энергий составляют протоны, примерно 7% - α -частицы и лишь небольшая доля (Космические лучи 1%) приходится на ядра элементов более тяжёлых, чем водород и гелий. Несмотря на это, ядра с Z > 1 несут около 50% всей энергии К. л. Уменьшение распространённости с ростом атомного номера элемента в К. л. идёт медленнее, чем для вещества небесных тел во Вселенной вообще. Особенно велико в К. л. содержание ядер лёгких элементов Li, Be, В, естественная распространённость которых чрезвычайно мала (≤ 10 -7 %). Имеется также избыток тяжёлых ядер (Z ≥ 6). Из этого следует, что в источниках К. л. преобладает ускорение тяжёлых ядер, а более лёгкие ядра возникают за счёт расщепления тяжёлых ядер (фрагментации) при их взаимодействии с межзвёздным веществом. В период 1966-71 с помощью ядерных фотоэмульсий и твердотельных детекторов заряженных частиц в К. л. обнаружены ядра значительно тяжелее железа - вплоть до урана, а возможно и ещё более тяжёлые, причём их потоки падают с ростом Z примерно как Z -7 - Z -8 . В наиболее изученной области энергий (>2,5 Гэв на нуклон) ядерный состав К. л. таков: протоны - около 92%, α-частицы - около 7%, ядра с Z = 3-5 - около 0,1-0,15%, с Z = 6-9 - около 0,5% с Z = 10-15 - около 0,1-0,15%, с Z = 16-25- около 0,04%, с Z = 26 (железо) - 0,025%, с Z > 30- Космические лучи10 -5 %.

По содержанию в К. л. Li, Be, В, которых нет в источниках (эти элементы быстро выгорают в результате протекающих в звёздах термоядерных реакций) и которые образуются только в результате фрагментации, было оценено среднее количество вещества, через которое проходят К. л. на пути от источников до Земли; оно оказалось равным 3-5 г/см 2 . Отсюда, если известна средняя плотность вещества в Галактике, можно оценить путь, проходимый К. л. в Галактике, и среднее время жизни К. л. (см. ниже).

В состав первичных К. л. входят также электроны и позитроны (Космические лучи1%) и фотоны высоких энергий - γ -кванты (Космические лучи0,01% при энергиях > 100 Мэв ). Несмотря на незначительную долю в К. л., γ -кванты представляют особый интерес, поскольку, не отклоняясь магнитными полями межзвёздного пространства, они позволяют обнаруживать отдельные квазиточечные источники К. л. Найдено уже около 20 таких источников. Из них наиболее интересен пульсар (См. Пульсары) NP 0532 в Крабовидной туманности, дающий поток γ -квантов 0,1-0,5 на 1 м 2 в 1 сек и являющийся одновременно мощным пульсирующим источником рентгеновского излучения. Кроме того, обнаружен диффузный поток -λ квантов из центра Галактики с интенсивностью Космические лучи 1 частица на 1 м 2 в 1 сек в расчёте на единицу телесного угла.

Внутри магнитосферы Земли, на высотах ≥ 1000 км от земной поверхности, помимо потока К. л., присутствуют гораздо более интенсивные потоки протонов и электронов, захваченные геомагнитным полем и образующие радиационный пояс Земли (См. Радиационные пояса Земли). Происхождение внутренней области радиационного пояса объясняется в основном обратным потоком (альбедо) нейтронов, выбиваемых К. л. из ядер атомов, составляющих атмосферу Земли: нейтроны распадаются на протоны и электроны, которые удерживаются в естественной магнитной ловушке (См. Магнитные ловушки) магнитосферы Земли.

Солнечные К. л. Наиболее сильные возрастания интенсивности К. л. в виде нерегулярных кратковременных всплесков связаны с хромосферными вспышками (См. Хромосферные вспышки) на Солнце. При таких вспышках происходит ускорение заряженных частиц. солнечной плазмы (См. Плазма) электромагнитными полями (по-видимому, у границ солнечных пятен), т. е. генерация солнечных К. л. Предложен, в частности, весьма вероятный механизм ускорения частиц электрическими полями, индуцируемыми при быстром сближении областей солнечной плазмы с противоположно направленными магнитными полями (советский физик С. И. Сыроватский, 1965).

Потоки солнечных К. л. во время некоторых хромосферных вспышек в сотни раз превышают потоки галактических К. л. Так, при рекордном всплеске 23 февраля 1956 наблюдалось 300-кратное возрастание потока К. л. с энергией > 3 Гэв, что могло бы представлять серьёзную угрозу безопасности космических полётов. Поэтому очень важны систематические наблюдения хромосферных вспышек, всплесков радио- и рентгеновского излучения и др. проявлений солнечной активности, позволяющие в тесной связи с измерениями интенсивности К. л. прогнозировать радиационную обстановку на трассах космических полётов.

В среднем вклад солнечных К. л. в общую интенсивность космического излучения составляет несколько процентов.

Химический состав солнечных К. л. очень близок к составу солнечной атмосферы. В отличие от галактич. К. л., в них отсутствуют ядра Li, Be, В. Это показывает, что количество вещества, проходимое солнечными К. л., чрезвычайно мало (г/см 2) и что их генерация не может происходить в глубине солнечной атмосферы, где плотность вещества слишком велика (вероятнее всего ускорение происходит в верхней хромосфере и нижней короне Солнца).

Частицы солнечных К. л. по сравнению с галактическими обладают более низкими энергиями (их энергетический спектр более мягкий). Энергии протонов обычно ограничиваются долями Гэв, и лишь при очень редких мощных хромосферных вспышках генерируются протоны с энергиями до 100 Гэв; нижняя граница энергии регистрируемых электронов солнечных К. л. составляет десятки кэв (т. е. близка к энергии частиц солнечного ветра). Солнечные К. л. малой энергии оказывают существенное воздействие на состояние ионосферы (См. Ионосфера) Земли в высоких широтах, вызывая дополнительную ионизацию её нижних слоев. Это приводит к ослаблению радиоволн, а в некоторых случаях - к полному прекращению радиосвязи на коротких волнах. Данные о распространении солнечных К. л., их энергетическом спектре и угловой анизотропии позволяют получить информацию о структуре магнитного поля в межпланетном пространстве. Изучение пространственных и временных вариаций (изменений) потоков солнечных К. л. помогает лучше понять такие геофизические явления, как геомагнитные бури, полярные сияния и пр.

Характер возрастания потока солнечных К. л. на Землю показывает, что в начальный период после вспышки поток существенно анизотропен, причём его максимум направлен под углом примерно 45° к западу от направления на Солнце. Это явилось первым прямым доказательством изогнутости силовых линий межпланетного магнитного поля в виде спиралей Архимеда (см. рис. 4 ).

Модуляция галактических К. л. солнечным ветром. Среди периодических временных вариаций интенсивности галактич. К. л. главную роль играют модуляции интенсивности, совпадающие с 11-летним циклом солнечной активности. Эти модуляции связаны с рассеянием и «выметанием» К. л. галактического происхождения неоднородно намагниченными регулярными потоками плазмы, выбрасываемой из Солнца со скоростями 300-500 км/сек. Такие потоки, получившие название солнечного ветра, распространяются далеко за пределы орбиты Земли [на десятки астрономических единиц (См. Астрономическая единица) (а. е.); 1 а. е. ≈ 150 млн. км ], постепенно переходя в турбулентное движение плазмы в слое, пограничном с невозмущённым галактическим магнитным полем (рис. 4 ). Согласно данным о двух последних циклах (1948-59 и 1959-70), интенсивность К. л. вблизи границы земной атмосферы во время максимума солнечной активности снижается в 2-2,5 раза по сравнению с величиной, характерной для минимума. На уровне моря, куда частицы малой энергии не доходят, амплитуда 11-летних вариаций К. л. оказывается гораздо меньшей (рис. 5 ).

Существуют и другие, менее ярко выраженные типы модуляций галактич. К. л., обусловленные различными причинами. Это, в частности, 27-суточные вариации, связанные с периодом вращения Солнца вокруг своей оси, а также солнечно-суточные вариации, связанные с вращением Земли и с анизотропией электромагнитных свойств среды, в которой распространяются К. л. Совокупность сведений о модуляционных эффектах приводит большинство исследователей к выводу, что эффективные размеры области модуляции К. л. солнечным ветром составляют 2-5 а. е.

Происхождение и возраст галактических К. л . Основным источником К. л. считаются взрывы сверхновых звёзд. При каждом таком взрыве происходит расширение с огромной скоростью оболочки звезды и возникают ударные волны в плазме, приводящие к ускорению заряженных частиц до энергий Космические лучи 10 15 эв и выше. Главным экспериментальным доводом в пользу гипотезы происхождения К. л. от взрывов сверхновых явилось впервые прямое радиоастрономическое наблюдение частично поляризованного радиоизлучения от Крабовидной туманности (1957), возникшей в результате взрыва в 1054 сверхновой, сравнительно близкой к Солнечной системе. Свойства этого излучения таковы, что его следует приписать синхротронному излучению (См. Синхротронное излучение) (магнитотормозному излучению) - излучению быстрых электронов в магнитных полях, «вмороженных» в потоки звёздной плазмы, выброшенной при взрыве этой сверхновой. Позднее удалось наблюдать магнитотормозное радиоизлучение и от других, более далёких туманностей, рожденных взрывами сверхновых. Дальнейшие наблюдения показали, что спектр магнитотормозного излучения электронов простирается до оптического, рентгеновского и даже γ-диапазонов, и это связано с очень высокими энергиями электронов (до Космические лучи 10 12 эв ). Естественно, что наряду с электронами в расширяющихся оболочках сверхновых происходит интенсивное ускорение и тяжёлых заряженных частиц - протонов и ядер (однако вследствие своей большой массы они не испытывают заметных потерь энергии на излучение в магнитных полях). При этом чем тяжелее ядро, тем благоприятнее могут быть начальные условия ускорения (т. н. инжекция): тяжёлые ядра могут находиться в неполностью ионизованном состоянии и поэтому сравнительно слабо отклоняться в магнитных полях, что облегчает их «утечку» за пределы плотной оболочки звезды (в которой магнитное поле велико). Если учесть среднюю частоту взрывов сверхновых в Галактике вообще (1 раз в 30-50 лет) и полное энерговыделение в каждом взрыве (10 51 -10 52 эрг, или 10 63 -10 64 эв ) и предположить, что Космические лучи 1% этой энергии тратится на ускорение заряженных частиц, то можно объяснить как среднюю плотность энергии К. л. (Космические лучи 1 эв/см 3 ), так и отсутствие заметных колебаний потока К. л.

Методами радиоастрономии были зарегистрированы и ещё более мощные источники К. л. (точнее, их электронной компоненты), находящиеся далеко за пределами нашей Галактики. Такими источниками являются, в частности, интенсивно излучающие квазизвёздные объекты малой протяжённости - Квазары , ядра некоторых галактик (См. Галактики), испытывающие резкое расширение взрывного типа, а также Радиогалактики с характерными для них мощными выбросами вещества (сопровождающимися радиоизлучением в масштабе целых галактик).

Ускоренные в галактических источниках тяжёлые заряженные частицы распространяются затем по сложным траекториям в межзвёздном пространстве, где на них действуют слабые [(3-6)10 -6 гс ] нерегулярные и неоднородные магнитные поля облаков межзвёздной плазмы. Заряженные частицы «запутываются» в этих магнитных полях (напряжённость которых значительно повышается в областях спиральных рукавов Галактики, одновременно с увеличением концентрации межзвёздной плазмы). При этом движение К. л. носит характер диффузии, при которой частицы с энергиями до 10 17 -10 18 эв могут удерживаться в пределах нашей Галактики в течение десятков млн. лет. Диффузионное движение частиц К. л. обусловливает практически полную изотропию их потока. Лишь при более высоких энергиях радиусы кривизны траекторий частиц (особенно протонов) становятся сравнимыми с размерами галактик и происходит интенсивная «утечка» К. л. в метагалактическое пространство. Несмотря на высокую степень разреженности вещества, длительные странствия частиц в Метагалактике приводят к потерям энергии в новых процессах - фотоядерных реакциях на фоновом электромагнитном излучении (оно называется реликтовым излучением (См. Реликтовое излучение)), оставшемся от ранних стадий расширения некогда горячей Вселенной. Наличие этого процесса сильно снижает вероятность того, что наиболее энергичная часть спектра К. л. обусловлена метагалактической компонентой.

Принципиально новые возможности экспериментального изучения источников наиболее энергичной части спектра К. л. (вплоть до энергий 10 20 -10 21 эв ) открылись после обнаружения уникальных астрофизических объектов - пульсаров. По современным представлениям, пульсары - это небольшие (Космические лучи 10 км в диаметре) нейтронные звёзды, возникшие в результате быстрого гравитационного сжатия (коллапса гравитационного (См. Коллапс гравитационный)) неустойчивых звёзд типа сверхновых. Гравитационный коллапс приводит к колоссальному увеличению плотности вещества звезды (до ядерной плотности и выше), магнитного поля (до 10 13 гс ) и скорости вращения (до 10 3 оборотов в сек ). Всё это создаёт благоприятные условия для ускорения тяжёлых заряженных частиц до исключительно высоких энергий Космические лучи 10 21 эв и электронов до энергий Космические лучи 10 12 эв. И действительно, наблюдения показали, что наряду с радиоизлучением пульсары испускают (с тем же периодом) световое, рентгеновское, а иногда и γ- излучение, которые можно объяснить только процессом магнитотормозного излучения очень быстрых электронов. Т. о., синхротронное излучение электронов К. л., обусловленное сильными магнитными полями, локализованными вблизи неустойчивых «горячих» объектов - источников К. л., позволяет решать проблему происхождения К. л. методами наблюдательной астрономии (радиоастрономии, рентгеновской астрономии (См. Рентгеновская астрономия), гамма-астрономии (См. Гамма-астрономия)).

Важную дополнительную информацию об источниках и возрасте К. л. дают исследования ядерного состава К. л. Из небольшого относительного содержания в К. л. ядер Be следует, что радиоактивный изотоп 10 Ве (среднее время жизни которого около 2 млн. лет) успевает практически полностью распасться, откуда получается оценка верхнего предела возраста К. л. 20-50 млн. лет. Примерно того же порядка (10-30 млн. лет) оценки получаются из относительного содержания группы лёгких ядер (Li, Be, В) в целом, а также по среднему времени, которое требуется электронам К. л. для диффузного распространения от внутригалактических источников до границ Галактики. Анализ состава сверхтяжёлой ядерной компоненты (Z > 70) даёт средний возраст К. л. не более 10 млн. лет.

Ещё один способ проверки различных гипотез происхождения К. л. - измерение интенсивности К. л. в далёком прошлом, в частности в периоды известных вспышек ближайших сверхновых (например, вспышки в 1054). Существуют два метода, с помощью которых можно было бы обнаружить эффекты возрастания интенсивности К. л. в прошлом не только в результате взрыва сравнительно недалёких от Солнечной системы сверхновых звёзд, но и в результате возможных гораздо более мощных взрывных процессов в ядре Галактики. Это радиоуглеродный метод, в котором по концентрации изотопа 14 С в различных годичных кольцах очень старых деревьев определяют темп накопления в атмосфере 14 C, образующегося в результате ядерных реакций под действием К. л., и метеоритный метод, основанный на изучении состава стабильных и радиоактивных изотопов метеоритного вещества, подвергавшегося длительному воздействию К. л Эти методы свидетельствуют о том, что средняя интенсивность К. л. сравнительно мало отличалась от современной в течение десятков тысяч и миллиарда лет соответственно. Постоянство интенсивности К. л. в течение миллиарда лет делает маловероятной гипотезу о происхождении всех К. л. в процессе взрыва ядра нашей Галактики, который считается ответственным за образование галактического гало (пока не доказанного прямыми наблюдениями).

Взаимодействие К. л. с веществом.

1. Ядерно-активная компонента К- л. и множественная генерация частиц . При взаимодействии протонов и др. ядер первичных К. л. высокой энергии (Космические лучи несколько Гэв и выше) с ядрами атомов земной атмосферы (главным образом азота и кислорода) происходит расщепление ядер и рождение нескольких нестабильных элементарных частиц (т. н. Множественные процессы), в основном π-мезонов (пионов) - заряженных (π + , π -) и нейтральных (π 0) с временами жизни 2,5․10 -8 сек и 0,8․10 -16 сек соответственно. Со значительно меньшей вероятностью (в 5-10 раз) рождаются К-мезоны и с ещё меньшей - гипероны и практически мгновенно распадающиеся Резонансы . На рис. 6 приведена фотография множественного рождения частиц, зарегистрированного в ядерной фотоэмульсии; частицы вылетают из одной точки в виде узкого пучка. Среднее число вторичных частиц, образующихся в одном акте взаимодействия протона (или π-мезона) с лёгким ядром пли одним нуклоном такого ядра, возрастает с ростом энергии E сначала по степенному закону, близкому к E 1/3 (вплоть до E ≈ 20 Гэв ), а затем (в области энергий 2․10 10 -10 13 эв ) этот рост замедляется и лучше описывается логарифмической зависимостью. В то же время косвенные данные по широким атмосферным ливням указывают на процессы значительно более высокой множественности при энергиях ≥ 10 14 эв.

Угловая направленность потока рожденных частиц в широком интервале энергии первичных и рожденных частиц такова, что составляющая импульса, перпендикулярная направлению первичной частицы (т. н. поперечный импульс), составляет в среднем 300-400 Мэв/с, где с - скорость света в вакууме (при очень высоких энергиях E частицы, когда энергией покоя частицы mc2 можно пренебречь по сравнению с её кинетической энергией, импульс частицы р = E/c ; поэтому в физике высоких энергий импульс обычно измеряют в единицах Мэв/с ).

Первичные протоны при столкновении теряют в среднем около 50% начальной энергии (при этом они могут испытывать перезарядку, превращаясь в нейтроны).

Образующиеся при расщеплении ядер вторичные нуклоны (протоны и нейтроны) и рожденные в столкновениях заряженные пионы высокой энергии будут также (вместе с потерявшими часть энергии первичными протонами) участвовать в ядерных взаимодействиях и вызывать расщепление ядер атомов воздуха и множественное образование пионов. Средний пробег, на котором осуществляется одно ядерное взаимодействие, принято измерять удельной массой пройденного вещества он составляет для первичных протонов Космические лучи 90 г/см 2 воздуха, т. е. Космические лучи9% всей толщи атмосферы. С ростом атомного веса вещества А средний пробег постепенно возрастает (примерно как А 1/3 ), достигая Космические лучи 160 г/см 2 для свинца. Рождение пионов происходит в основном на больших высотах (20-30 км ), но продолжается в меньшей степени по всей толще атмосферы и даже на глубине нескольких м грунта.

Вылетающие при ядерных столкновениях нуклоны ядер и не успевшие распасться заряженные пионы высокой энергии образуют ядерно-активную компоненту вторичных К. л. Многократное повторение последовательных, каскадных взаимодействий нуклонов и заряженных пионов с ядрами атомов воздуха, сопровождающихся множественной генерацией новых частиц (пионов) в каждом акте взаимодействия, приводит к лавинообразному возрастанию числа вторичных ядерно-активных частиц и к быстрому уменьшению их средней энергии. Когда энергия отдельной частицы становится меньше 1 Гэв, рождение новых частиц практически прекращается и остаются (как правило) только процессы частичного (а иногда полного) расщепления атомного ядра с вылетом нуклонов сравнительно небольших энергий. Общий поток частиц ядерно-активной компоненты по мере дальнейшего проникновения в глубь атмосферы уменьшается (рис. 7 , кривая 1), и на уровне моря (Космические лучи1000 г/см 2 ) остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

2. Электронно-фотонные ливни и мягкая компонента вторичных К. л. Образующиеся при взаимодействиях частиц ядерно-активной компоненты с атомными ядрами нейтральные пионы практически мгновенно распадаются (вследствие их очень малого времени жизни) на два фотона (γ ) каждый: π°→2γ . Этот процесс даёт начало электронно-фотонной компоненте К. л. (она называется также мягкой, т. е. легко поглощаемой, компонентой).

В сильных электрических полях атомных ядер эти фотоны рождают электронно-позитронные пары e - e + (γ →e - +e +), а электроны и позитроны, в свою очередь, путём тормозного излучения (См. Тормозное излучение) испускают новые фотоны (е ± →е ± + γ ) и т. д. Такие процессы, носящие каскадный характер, приводят к лавинообразному нарастанию общего числа частиц - к образованию электронно-фотонного ливня. Развитие электронно-фотонного ливня приводит к быстрому дроблению энергии π 0 на всё большее число частиц, т. е. к быстрому уменьшению средней энергии каждой частицы ливня. После максимального развития мягкой компоненты, достигаемого на высоте около 15 км (Космические лучи 120 г/см 2 ), происходит её постепенное затухания (рис. 7 , кривая 2). Когда энергия каждой частицы становится меньше некоторого критического значения (для воздуха критическая энергия составляет около 100 Мэв ), преобладающую роль начинают играть потери энергии на ионизацию (См. Ионизация) атомов воздуха и комптоновское рассеяние (см. Комптона эффект); увеличение числа частиц в ливне прекращается, и его отдельные частицы быстро поглощаются. Практически полное поглощение электронно-фотонной компоненты происходит на сравнительно небольших толщах вещества (особенно большой плотности); в лабораторных условиях для этого достаточно иметь свинцовый экран толщиной 10-20 см (в зависимости от энергии частиц). Электронно-фотонный ливень, зарегистрированный в камере Вильсона, приведён на рис. 8.

Основной характеристикой электронно-фотонного ливня является изменение числа частиц с увеличением толщины пройденного вещества - т. н. каскадная кривая (рис. 9 ). В соответствии с теорией этого процесса число частиц в максимуме каскадной кривой примерно пропорционально энергии первоначальной частицы. Углы отклонения частиц от оси ливня определяются рассеянием электронов и позитронов, а средний поперечный импульс составляет около 20 Мэв/с.

Наряду с π°-мезонами в К. л. существуют и др. источники образования электронно-фотонных ливней. Это электроны и γ -кванты высокой энергии (> 100 Мэв ) первичных К. л., а также δ -электроны, т. е. атомарные электроны, выбиваемые за счёт прямого электрического взаимодействия проходящих сквозь вещество быстрых заряженных частиц К. л.

При очень высоких энергиях (≥ 10 14 эв ) электронно-фотонные ливни в земной атмосфере приобретают специфические черты широких атмосферных ливней. В таких ливнях очень большое число последовательных каскадов размножения приводит к сильному росту общего потока частиц (исчисляемого в зависимости от энергии многими миллионами и даже миллиардами) и к их широкому пространственному расхождению - на десятки и сотни м от оси ливня. В широких атмосферных ливнях у поверхности Земли одна частица ливня приходится примерно на несколько (2-3 ) Гэв энергии первичной частицы, вызвавшей ливень. Это даёт возможность оценивать по полному потоку частиц в ливне энергию приходящих на границу земной атмосферы «предков» этих ливней, что невозможно сделать непосредственно из-за крайне малой вероятности их прямого попадания в точку наблюдения.

Вследствие большой плотности потока частиц в широком атмосферном ливне испускается сравнительно интенсивное направленное электромагнитное излучение как в оптической области спектра, так и в радиодиапазоне. Оптическая часть свечения определяется процессом Черенкова - Вавилова излучения (См. Черенкова-Вавилова излучение), поскольку скорости большинства частиц превышают фазовую скорость распространения света в воздухе. Механизм радиоизлучения более сложен; он связан, в частности, с тем, что магнитное поле Земли вызывает пространственное разделение потоков отрицательно и положительно заряженных частиц, что эквивалентно возникновению переменного во времени электрич. диполя (См. Диполь).

3. Космические мюоны и нейтрино. Проникающая компонента вторичного излучения. Возникающие в атмосфере под действием К. л. заряженные пионы участвуют в развитии ядерного каскада лишь при достаточно больших энергиях - до тех пор, пока не начинает сказываться их распад на лету. В верхних слоях атмосферы процессы распада становятся существенными уже при энергиях ≤ 10 12 эв.

Заряженный пион (с энергией ≤ 10 11 эв ) распадается на мюон μ ± (заряженную нестабильную частицу с массой покоя m μ ≈207 me, где me - масса электрона, и средним временем жизни τ 0 ≈ 2․10 -6 сек ) и нейтрино ν (нейтральную частицу с нулевой массой покоя). В свою очередь, мюон распадается на позитрон (или электрон), Нейтрино и Антинейтрино . Т. к. скорости мюонов (как и всех остальных частиц К. л.) очень близки к скорости света с, то, в соответствии с теорией относительности, среднее время до их распада τ достаточно велико - пропорционально полной энергии E, τ = Электромагнитные взаимодействия)) и теряют свою энергию в основном на ионизацию атомов (Космические лучи 2 Мэв на толщине 1 г/см 2 ). Поэтому поток мюонов представляет собой проникающую компоненту К. л. Даже при сравнительно умеренной энергии Космические лучи 10 Гэв мюон может не только пройти сквозь всю земную атмосферу (см. рис. 7 , кривая 3), но и проникнуть далеко в глубь Земли на расстояния порядка 20 м грунта (рис. 10 ). Максимальная глубина, на которой регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, составляет около 8600 м в переводе на водный эквивалент. Благодаря своей большой проникающей способности именно мюоны образуют «скелет» широких атмосферных ливней на больших (сотни м ) расстояниях от их оси.

Т. о., одновременно с развитием описанного выше ядерного каскада происходит (за счёт распада π 0) его «обрастание» электронно-фотонной компонентой, а также (за счёт распадов π + и π -) - проникающей мюонной компонентой (рис. 11 ).

Высокая проникающая способность в сочетании с прямо пропорциональным плотности вещества коэффициент поглощения при умеренных энергиях (десятки и сотни Гэв ) делает проникающую компоненту К. л. очень удобным средством для подземной геофизической и инженерной разведки (рис. 12 ). Измеряя интенсивность К. л. телескопом счётчиков (См. Телескоп счётчиков) в штольнях и сравнивая полученные данные с известными кривыми поглощения К. л. в воде или грунте, можно обнаруживать или уточнять положения рудных пластов и пустот, а также измерять весовую нагрузку на грунт от стоящих на нём сооружений.

При энергиях порядка 10 12 эв и выше наряду с ионизационными потерями энергии мюонов становятся всё более существенными потери энергии на образование электронно-позитронных пар и тормозное излучение, а также на прямые взаимодействия с атомными ядрами вещества. Вследствие этого на глубинах ≥ 8 км водного эквивалента под углами ≥ 50° к вертикали поток космических мюонов оказывается ничтожно малым. Эксперименты, проводившиеся с 1964 в шахтах Индии и Южной Африки с установками огромной площади, позволили обнаружить на этих глубинах под углами > 50° дополнительный поток мюонов, единственным источником которых могли быть только взаимодействия нейтрино с атомными ядрами вещества. Эти опыты представили собой уникальную возможность изучения свойств самой проникающей - нейтринной - компоненты К. л. Наиболее важной проблемой при этом является изучение взаимодействия нейтрино сверхвысоких энергий с веществом; в частности, для выяснения структуры элементарных частиц особый интерес представляет исследование увеличения поперечного сечения взаимодействия (уменьшения «прозрачности» вещества) с ростом энергии нейтрино. Такое возрастание сечения взаимодействия нейтрино установлено на ускорителях до энергий 10 10 эв. Очень важно исследовать, будет ли продолжаться этот рост сечения вплоть до энергий 10 15 эв (соответствующих характерному расстоянию слабых взаимодействий 6․10 -17 см ).

Проблемы и перспективы. Дальнейшее изучение К. л. в лабораториях и на космических станциях продолжается в двух направлениях. На космофизическом направлении выясняется природа тех основных процессов, в которых может происходить ускорение частиц до высоких и сверхвысоких энергий (в сверхновых звёздах, пульсарах, отчасти на Солнце), а также свойства межпланетной и межзвёздной среды по вариациям интенсивности К. л., особенностям их состава, углового и энергетического распределения. Особенно большие надежды возлагаются на исследования в области рентгеновской и гамма-астрономии в тесной связи с радиоастрономическими и астрономическими наблюдениями возможных источников К. л.

Интересен также вопрос о роли нейтрино как одной из компонент первичных К. л. при энергиях ≥ 10 20 эв. Возникновение широких атмосферных ливней столь высоких энергий уже трудно объяснить заряженными частицами, ускоряемыми в пределах нашей Галактики, а частицы межгалактического происхождения не могут набрать таких энергий из-за столкновений с фотонами реликтового излучения, заполняющего Метагалактику. Поэтому приходится учитывать возможность непрерывного роста непрозрачности вещества (в частности, атмосферного воздуха) для потоков космического нейтрино, которые в этом случае смогли бы стать «предками» самых мощных широких ливней.

Делаются попытки окончательно решить неясную пока проблему существования файрболов - гипотетических частиц (с массами Космические лучи 3-5 Гэв, а иногда и значительно выше), почти мгновенно распадающихся после своего рождения на отдельные частицы (в основном пионы) по законам статистической физики. Далеко не закончены дискуссии о степени применимости описания множественного рождения частиц моделями гидродинамических и термодинамических типов, в которых образуемая при ядерных столкновениях высоковозбуждённая «адронная материя» с неопределённым числом частиц расширяется вплоть до её распада на отдельные свободные частицы.

Лит.: Гинзбург В. Л., Сыроватский С. И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Дорман Л. И., Вариации космических лучей и исследование космоса, М.. 1963; Дорман Л. И., Мирошниченко Л. И., Солнечные космические лучи, М., 1968; Дорман Л. И., Смирнов В. С., Тясто М. И., Космические лучи в магнитном поле Земли, М., 1971; Мурзин В. С., Сарычева Л. И., Космические лучи и их взаимодействие, М., 1968; Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, М., 1970; Бондаренко В. М., Использование космических лучей в геологии, М., 1965. Популярная лит.: Росси Б., Космические лучи, пер. с англ., М., 1966; Добротин Н. А., Космические лучи, М., 1963; Жданов Г. Б., Частицы высоких энергии, М., 1965; Гинзбург В. Л., Происхождение космических лучей, М., 1968.

Космические лучи - потоки быстрых заряженных частиц - протонов, электронов, ядер различных химических элементов, летящих в различных направлениях в космическом пространстве со скоростью более 100 000 км/с. Попадая в земную атмосферу, частицы космических лучей сталкиваются в ней с ядрами атомов азота и кислорода и разрушают их. В результате возникают потоки новых элементарных частиц. Такие частицы, рожденные в атмосфере, называются вторичными космическими лучами. Вторичные космические лучи регистрируются специальными приборами - счетчиками ионизующих частиц или с помощью особых ядерных фотоэмульсий. Первичные космические лучи практически не достигают Земли, и лишь небольшое их количество регистрируется высоко в горах. Исследования этих частиц проводятся в основном за пределами земной атмосферы с использованием современной космической техники.

Основная масса космических лучей, приходящих к Земле, имеет энергию более эВ (1 эВ равен Дж). Для сравнения укажем, что в недрах Солнца, где вещество нагрето до температуры 15 000 000 К, средняя энергия частиц плазмы лишь немногим превышает 103 эВ, т. е. она во много раз меньше, чем у космических лучей.

Космические лучи ежесекундно пронизывают буквально каждый квадратный сантиметр межпланетного и межзвездного пространства. На площадку с поверхностью в 1 м2 попадает в среднем около 10 000 частиц в секунду. В основном это частицы сравнительно невысоких энергий. Чем больше энергия космических частиц, тем реже они встречаются. Так, частицы с очень высокой энергией, превышающей эВ, попадают на площадь в 1 м2 в среднем раз в год.

Крайне редко встречаются частицы с фантастической энергией в эВ. Где они смогли получить столь большую энергию, пока остается неизвестным.

Более 90% первичных космических лучей всех энергий составляют протоны, около 7% приходится на -частицы (ядра атомов гелия), около 2% - на ядра атомов, более тяжелых, чем у гелия, и примерно 1 % - на электроны.

По своей природе космические лучи делятся на солнечные и галактические.

Солнечные космические лучи имеют сравнительно небольшую энергию и образуются главным образом при вспышках на Солнце (см. Солнечная активность). Ускорение частиц этих космических лучей происходит в хромосфере и короне Солнца. Потоки солнечных космических лучей после особенно сильных вспышек на Солнце могут представлять серьезную радиационную опасность для космонавтов.

Первичные космические лучи, приходящие извне в Солнечную систему, называются галактическими. Они движутся в межзвездном пространстве по довольно запутанным траекториям, постоянно меняя направление полета под действием магнитного поля, существующего между звездами нашей Галактики.

Рисунок (см. оригинал)

Электроны, входящие в состав космических лучей, постепенно тормозятся в магнитном поле, теряя энергию на излучение радиоволн. Такое излучение называется синхротронным. Оно регистрируется радиотелескопами. Наблюдая его, можно выявить области повышенной концентрации космических лучей. Оказалось, что космические лучи сконцентрированы в основном в диске нашей Галактики, толщиной в несколько тысяч световых лет (вблизи плоскости Млечного Пути). Полная энергия всех космических лучей в этом слое измеряется гигантской цифрой - Дж.

Основным источником космических лучей в межзвездном пространстве являются, по-видимому, взрывы сверхновых звезд. Не случайно остатки сверхновых обладают мощным синхротронным излучением. Вносят свою лепту и быстро вращающиеся намагниченные нейтронные звезды. Они способны сообщать заряженным частицам большие энергии. Очень мощными источниками космических лучей могут быть активные ядра галактик, а также радиогалактики с характерными для них выбросами вещества, сопровождающимися очень мощным радиоизлучением.

Получив большую энергию, частицы космических лучей десятки миллионов лет блуждают по Галактике в различных направлениях, прежде чем потеряют свою энергию при столкновениях с атомами разреженного межзвездного газа.

Изучение космических лучей - один из увлекательнейших разделов астрофизики. Наблюдения космических лучей (непосредственная регистрация их, анализ синхротронного излучения или эффектов их взаимодействия со средой) позволяют глубже понять механизмы выделения энергии при различных космических процессах, выяснить физические свойства межзвездной среды, находящейся под непрерывным воздействием космических лучей. Наблюдения важны также для изучения физики тех элементарных частиц, которые возникают при взаимодействии космических лучей с веществом. Существенным вкладом в этот раздел физики явились исследования, выполненные с помощью космических аппаратов, в том числе запущенных в 60-е гг. в СССР четырех тяжелых спутников «Протон».