Космические лучи. Космические лучи — физика и их состав

Космические лучим -- элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве. Другое определение: космические лучи (космическое излучение) - частицы, заполняющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие Землю.

Классификация по происхождению космических лучей:

· вне нашей Галактики
· в Галактике
· на Солнце
· в межпланетном пространстве

Различают первичные космические лучи - это космические лучи до входа в атмосферу и вторичные космические лучи, образовавшиеся в результате процессов взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой 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.

По количеству частиц космические лучи на 90 процентов состоят из протонов, на 7 процентов -- из ядер гелия, около 1 процента составляют более тяжелые элементы, и около 1 процента 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.

В результате взаимодействия с ядрами атмосферы первичные космические лучи (в основном протоны) создают большое число вторичных частиц? пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. Таким образом вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных частиц, которые делятся на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты.

Такой каскад покрывает большую территорию и называется широким атмосферным ливнем.

В одном акте взаимодействия протон обычно теряет ~50% своей энергии, а в результате взаимодействия возникают в основном пионы. Каждое последующее взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые адроны, которые летят примущественно по направлению первичной частицы, образуя адронный кор ливня.

Мюомн (от греческой буквы м, использующейся для обозначения) в стандартной модели физики элементарных частиц -- неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1?2.

Пион, пи-мезон -- три вида субатомных частиц из группы мезонов. Обозначаются р0, р+ и р?. Имеют наименьшую массу среди мезонов.

Позитрон -- античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд?1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже -- трёх и более) гамма-квантов.

Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами атмосферы, а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную компоненты ливня. Адронная компонента до поверхности Земли практически не доходит, превращаясь в мюоны, нейтрино и г-кванты.

Образующиеся при распаде нейтральных пионов г-кванты вызывают каскад электронов и г-квантов, которые в свою очередь образуют электрон-позитронные пары. Заряженные лептоны теряют энергию на ионизацию и радиационное торможение. Поверхности Земли в основном достигают релятивистские мюоны. Электронно-фотонная компонента поглощается сильнее. Один протон с энергией > 1014 эВ может создать 106-109 вторичных частиц. На поверхности Земли адроны ливня концентрируются в области порядка нескольких метров, электронно-фотонная компонента? в области ~100 м, мюонная? нескольких сотен метров. Поток космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей (~0.01 см-2·с-1).

Основными источниками первичных космических лучей являются взрывы сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце. Большие энергии (до 1016 эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением частиц на ударных волнах, образующихся взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации. Интенсивность космических лучей на больших интервалах времени была постоянна в течение ~109 лет. Однако, появились данные, что 30-40 тыс. лет тому назад интенсивность космических лучей заметно отличалась от современной. Пик интенсивности связывают со взрывом близким к Солнечной системе.

луч космический первичный

Список информационных источников

http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/039.htm

http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e083.htm

https://ru.wikipedia.org/wiki/Космические_лучи

https://ru.wikipedia.org/wiki/Пион_(частица)

https://ru.wikipedia.org/wiki/Мюон

https://ru.wikipedia.org/wiki/Андрон

https://ru.wikipedia.org/wiki/Позитрон

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


Элемент	Солнце	Звёзды













15 P- 21 SC
16 S - 20 Ca
22 Ti - 28 Ni

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Мюонная и нейтринная компоненты образуются при распаде заряженных-мезонов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Физика космических лучей изучает:

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

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

Классификация по происхождению космических лучей:

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

Первичными принято называть внегалактические, галактические и солнечные космические лучи.

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

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

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

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

История физики космических лучей

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

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

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

Космические лучи ультравысоких энергий

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

Регистрация космических лучей

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

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

Значение для космических полётов

Визуальный феномен космических лучей (англ. )

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

Радиация

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

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Космические лучи: что это такое?

✪ NASA: изучаем КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

✪ Космические лучи сверхвысоких энергий - Сергей Троицкий

✪ ТАЙНА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

✪ Великое в малом. Эксперимент космических лучей

Субтитры

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.

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.

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) , α (Z = 2) , L (Z = 3 − 5) , M (Z = 6 − 9) , H (Z ⩾ 10) , V H (Z ⩾ 20) {\displaystyle 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

Космические лучи

Что такое космические лучи?

Путешествуя по нескончаемым просторам вселенной, встречая на своём пути много неожиданностей и всяческих внешних влияний. И одним из этих влияний оказываются лучи из космоса.
Космические лучи — это имеющие и не имеющие заряда частички, прилетающие из вселенских просторов к поверхности Земли, задерживаясь в воздушной оболочке нашей планеты. Физика космических лучей стала областью, имеющей очень перспективное будущее. Потому что исследуя космолучи, учёные могут лучше разобраться в процессах, происходящих в Звёздах , в нашей и не только Галактиках . Такие огромные возможности смогут предоставить нам космические лучи .

Физика космических лучей и история открытия

Космические лучи стали известны случайно в 1900 г. при замерах количества ионизации и электропроводимости газа, посредством электроскопов. Немецкие физики Юлиус Эльстер и Ганс Гейтель автономно друг от друга сделали открытие неизвестного природного происхождения ионизации воздуха.

Шотландский физик Чарльз Вильсон , находясь в Британии и работая с ионизационной камерой , сделал вывод, что приходящее излучение имеет внеземную причину. С помощью экранированной камеры, Вильсон выяснил, что проникающее свойство незнакомого излучения сильнее, чем у лучей рентгеновского и гамма-диапозона, и дал название ему ультра-гамма ионизация .

К сожалению, последующее изучение космических лучей немного затормозило процесс изучения физики в этой области. Эрнест Резерфорд , в то же время, произвёл много экспериментов по защите детектора свинцом и дал объяснение этому, как гамма-активностью материала конструкции. Позже, наичувствительнейший электрометр дал результаты, которые показывали, что над водоёмами ионизация делалась меньше и предположили, что эта ионизация, есть следствие радиоактивности литосферы в гамма-спектре. Как мне кажется, это очень смешно — то, что пришло из космоса интерпретировали, будто источник в земле.
Очень долго учёные собирали экспериментальные данные. Экспериментировали, как непосредственно на земле, так и на высоте, например, на Эйфелевой башне и на аэростате. И по прошествию 25 лет, в 25 -ом году прошлого столетия учёный физик Роберт Милликен из Америки провёл ряд замеров водопоглощения высотного излучения в водоёмах, расположенных на высоте 3.6 и около 2 -х км. В результате замеров, выяснилось, что излучение направлено вниз, через воздух.
Милликен первый раз называет это явление космическими лучами . Это будем рассматривать как настоящий прорыв в изучении этого явления. Но всё же, происхождение космолучей учёным было не понятно. Огромную лепту в понимание лучей внес советский физик Дмитрий Скобельцин . Он посредством опытов он установил, что космические лучи это частицы, имеющие электрический заряд и вызывают в воздухе ливни частиц. В последствии теорию ливней этих частиц прорабатывает физик Лев Ландау .
В 36 году прошлого столетия Виктору Гессу присудили Нобелевскую награду за выявление космических лучей . 24 года прошло прежде, чем осознали фундаментальную ценность этого явления. К тому моменту уже было понятно, что космические лучи это, в большинстве случаев, частицы с плюсовым зарядом и с очень высокой энергией.
Период изучения с 30 -х до 55 -х годов, стал эпохой фундаментальных частиц в космических лучах . В то время обнаружили шаг за шагом: позитроны, мюоны, би-мезоны и т.д. Чем мощнее становились ускорители, тем выше поднималась действующая область энергии в физике, что позволяло детально изучить явления в космических лучах . Впрочем, верхние пределы энергии, которые в космических лучах составляют сейчас 3х10 20 электрон-вольт, прежнему, на порядок превосходят результаты, воплощаемые в лабораториях.

Например, для понимания превосходства: в БАК (Большом Адронном Коллайдере ) частички разгоняют до энергии в 14х10 12 степени электрон-вольт, что примерно в 10 млн раз меньше. Кстати, вспомните период времени, когда твердили, что БАК станет причиной возникновения чёрных дыр, что приведёт к гибели человечества. Как следует из вышесказанного, в атмосфере уже очень давно происходят события энергитически мощнее, чем создаются в БАК . И развитию человечества это ни помешало. Космолучи как бы являются «природными ускорителями «.
Очевидно, что большая часть космических лучей прилетает к нам от Солнца . Но в 1960 году В.Л. Гинзбург и С. И. Сыроватский высказали мнение, что космолучи рождаются в галактике при вспышке сверхновых. И уже спустя 8 лет обнаруживается гамма-излучение высокой энергии, прилетевшее из галактики. В дальнейшем теории учёных развивались на рассмотрение внегалактических следов космолучей и частичек из молодой Вселенной.
Достаточно истории космических лучей , давайте обсудим из чего же состоят космолучи .

Состав космических лучей и происхождение

Как уже говорилось ранее, посредством космических лучей , опытным путём зафиксировали такие частички, как позитрон, мюон, би-мезон . Однако в составе космолучей этих частиц крайне мало. Большую часть космических лучей составляют протоны , это около 90% от всех лучей, приходящих с космоса. Около 7% составляют альфа-частицы , т.е. ядра гелия , и только маленькая часть примерно 1% это ядра на порядок тяжелее, например, углерод и железо . Удивительно, но эти «тяжеленные» ядра прилетают именно из галактики .
Космические лучи прилетающие с нашей звезды имеют составе, в большинстве случаев, это протоны 98% . То, что космолучи из галактики состоят из тяжелых ядер, элементарно объясняется, что рождаются они в следствии образования (взрыва) сверхновых .
Кстати, космолучи подтвердили ТО (Теорию Относительности ). Что ещё больше придаёт значимости космическим лучам .
Когда протон взаимодействует с земной атмосферой, возникает ливень частичек . Это явление рассмотрим по-подробнее. При воздействии космических лучей на атомарные ядра воздушных газов, в большинстве случаев с ядрами N 2 и O 2 , первичные космолучи , как правило, рождают огромное количество вторичных частичек ионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов . Этот поток имеет огромную зону и носит имя большой атмосферный ливень . За одно взаимодействие протончик, как правило, отдаёт примерно половину своего энергетического потенциала. В итоге этого акта рождаются в большинстве случаев пионы . Всякий следующий акт первичной частицы создаёт поток новых частиц, которые придерживаются траектории первичной частицы, создавая ливень . Созданные пионы как правило воздействуют на атомарные ядра воздуха, но и могут разрушаться, создавая мюонные и электронно-фотонные составляющие потока. Ядра частицы в итоге до земли в конечном счёте не долетают «перевоплощаясь» в мюоны, нейтрино и гамма-кванты .

Обнаружение космических лучей

Как же обнаруживаются лучи из космоса и какие данные желают получить учёные от этого явления?

Т.к. энергетический спектр космолучей огромен от 10 6 до 10 20 электрон-вольт , способы их детектирования и мониторинга крайне многообразны. Например, это наземные сооружения огромной территории для детектирования больших воздушных каскадов (ливней ). Эти сооружения могут обнаруживать следы космических лучей , при чем наблюдается широкая часть небосвода. Эти детекторы способны работать более 90% времени. К сожалению эти сооружения очень чувствительны к фоновому излучению , и порой различить частицы, прилетевшие из космоса и земные частицы очень затруднительно.

Черенковское излучение
Другой способ регистрации это использование черенковского излучения . Когда некие частицы, например, космические частицы, двигаются быстрее скорости света в некоторой среде, появляется излучение , называемое черенковским , которое и детектируется. Данные телескопы хоть и отлично могут отличить фоновую радиоактивность и космолучи , но функционируют они лишь в ясную ночную погоду, когда нет Луны на небе и у них малюсенькое поле зрения. И могут иследовать такие телескопы непродолжительное время.

Телескоп Veritas
Самый популярный телескоп, регистрирующий черенковское излучение, это Veritas и Has . Телескопы детектируют гамма-излучения , т.е. черенковское. Они смогли внести огромнейший вклад в исследование пульсаров, квазаров, звездных скоплений, гамма-всплесков, и в исследование происхождения космолучей , находящихся за пределами галактики и сверхмассивной чёрной дыры, являющейся центром Млечного Пути.
Есть и иные способы регистрации космических лучей , а также последствий, вызванных ими, но все они имеют связь лишь с их воздействием с некой материалов, будь то пластмасса, азот или перенасыщенные водные пары и т.д.

Применение космолучей

А есть ли практическое применение космических лучей?!

Египетские пирамиды
Однозначно, да. К примеру, исследование сооружений Египетских пирамид . В процессе воздействия космолучей на атмосферу, как было отмечено выше, появляются мюоны . И с помощью мюонной рентгенографии или, как говорится в «Natural « , учёные смогли «увидеть» ещё неизведанные пустоты в пирамидах. В общем, это говорит о том, что сегодняшняя физика фундаментальных частиц и космических лучей , сможет сделать новые открытия в археологии.

Нейтрино
Но давайте-ка взглянем пошире на это явление. Собственно, космические лучи служат источниками этих «неуловимых» нейтрино , будоражащие научный мир. Скорее всего, космолучи могут дать нам информацию, о таких «теоретических » частицах, как магнито-монополи или гравитоны , исследовать которые, мы пока что не в силах, по причине не способности создания нужных условий нашими современными ускорителями. К тому же, реликтовое излучение это одно из разновидностей космолучей . И северное сияние тоже следствие проявления космических лучей .