Магнитное поле космические лучи и радиоизлучение кратко

Обновлено: 05.07.2024

Откуда берутся космические лучи?

Частицы с энергией ниже 2·10 10 эВ поставляются Солнцем, и они называются солнечными космическими лучами. Частицы более высоких энергий, вплоть до 10 17 –10 18 эВ, рождаются в Галактике во взрывах сверхновых, и они называются галактическими космическими лучами. Частицы еще больших энергий, выше 10 19 эВ, называются космическими лучами ультравысоких энергий. В этом названии нет информации о происхождении частиц, а только указывается их энергетический диапазон. Причина в том, что происхождение космических лучей ультравысоких энергий до сих пор не выяснено.

Как исследуют космические лучи ультравысоких энергий? Их регистрируют детекторы на наземных установках, а затем при помощи пакетов специальных программ определяются энергии частиц, направления их прихода и другие характеристики. Теперь, дополнительно к этому способу, данные о космических лучах получают, используя приборы, размещенные на борту спутников.

Где же находятся те природные ускорители, в которых частицы космических лучей получают такую огромную энергию? После многолетних исследований выяснилось следующее. Во-первых, природные ускорители расположены вне нашей галактики Млечный Путь, а во-вторых, их можно исследовать астрономическими методами.

За пределами Млечного Пути. Активные ядра галактик

Млечный Путь — лишь одна из многочисленных галактик нашей Вселенной. Галактики различаются по внешнему виду, по размеру, по интенсивности звездообразования, по соотношению старых и молодых звезд. По этим признакам их и классифицируют астрономы. Но галактики различаются еще и характеристиками своей центральной части (это тоже важный признак для классификации галактик). Центральная часть отличается от других областей галактики повышенной концентрацией звезд и межзвездного вещества — газа и пыли. Эта часть галактики компактна. Ее называют ядром галактики. Причиной сгущения вещества в ядре галактики является гравитация. Однако не у всех галактик есть ядра. Их нет у небольших по массе галактик, так как там недостаточно гравитации для сгущения вещества в центре.

В большинстве галактик основная часть энергии излучается звездами, и излучение галактического ядра — это тоже излучение составляющих его звезд. Такие галактические ядра называются стационарными или неактивными.

Но существует небольшое количество галактик, в которых из ядра вырывается огромный поток энергии, как если бы в центре галактики светило сто миллионов или даже сто миллиардов Солнц. Излучение из ядра переменное — оно резко уменьшается и потом резко возрастает, причем за короткий промежуток времени (часы, месяцы, годы). При этом энергия ядра излучается в различных диапазонах — радио-, рентгеновском, ультрафиолетовом, инфракрасном и гамма-диапазоне. Из ядра выбрасываются порции плазмы, вблизи него быстро движутся облака газа. Эти процессы невозможно объяснить высокой плотностью звезд и межзвездного вещества. Такие ядра называются активными или нестационарными.

Галактик с активными ядрами немного, примерно 1% от общего количества галактик. Их подразделяют на несколько типов в зависимости от того, как проявляется активность ядра. Например, самым мощным излучением обладают квазары, галактики с мощным радиоизлучением из ядра называются радиогалактиками.

Мы не будем касаться классификации активных ядер, так как она не важна для нашего исследования. А суть его состоит в следующем. Поскольку в активных галактических ядрах выделяется огромное количество энергии, то там, возможно, и протекают процессы, в которых космические лучи приобретают ультравысокие энергии. Вылетев из области, где частицы ускорялись, космические лучи покидают пределы своей галактики и, преодолев огромные расстояния в космосе, достигают Земли. Можно ли исследовать активные ядра, регистрируя на Земле эти космические лучи, пусть частицы и проделали гигантский путь в космосе?

В этом исследовании важно ответить на такие вопросы: откуда в активных галактических ядрах берется колоссальная энергия; как там ускоряются частицы; что происходит с частицами, когда они летят в межгалактическом пространстве.

Что является источником энергии активного галактического ядра

В настоящее время доминирует гипотеза, что активность ядра обусловлена сверхмассивной черной дырой в центре галактики.

Черная дыра — это объект с такой сильной гравитацией, что из него не может вырваться даже свет. Как это может быть? Для того чтобы преодолеть силу притяжения небесного тела, тела должны иметь вторую космическую скорость. Для черных дыр вторая космическая скорость больше скорости света. Но в природе ничто не движется быстрее света, поэтому из черных дыр ничего не выходит наружу. Так как из них не выходит даже свет, черные дыры — темные, они невидимы для наблюдателя.

Если масса \(M\) черной дыры составляет не менее 10 5 масс Солнца \(M_<\odot>\), то такая дыра называется сверхмассивной. В ядрах галактик наблюдаются признаки черных дыр с \(M\approx\left(10^5\unicode 10^\right)\cdot M_<\odot>\).

Аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры

Под действием тяготения на черную дыру падает вещество из окружающего пространства. Это вещество составляют звезды, оказавшиеся слишком близко от черной дыры и затянутые ее гравитационным полем, газ и пыль из межзвездной среды, а также вещество, захваченное с поверхности соседних звезд.

В гравитационном поле черной дыры потенциальная энергия падающего вещества преобразуется в кинетическую, и вещество разгоняется до огромных скоростей, сравнимых со скоростью света. Из-за того, что звезды обращаются по орбитам, вещество падает на черную дыру не вертикально, а закручиваясь, образуя вокруг черной дыры плотный и горячий диск — так называемый аккреционный диск.

Слои газа в диске движутся вокруг центра в одном направлении, но с разными скоростями — чем ближе к центру, тем выше скорости. Поэтому между слоями газа возникает трение, и оно превращает кинетическую энергию газа в тепло. В результате диск разогревается до такой высокой температуры, что светится в радио-, инфракрасном и оптическом диапазонах, в рентгеновском свете и гамма-лучах.

Ускорение частиц вблизи сверхмассивных черных дыр

А можно ли определить, в какой зоне были ускорены космические лучи?

Ускоренные частицы имеют разную энергию. Определив количество частиц, имеющих одинаковую энергию, и построив график зависимости числа частиц от энергии, мы получим энергетический спектр частиц — число частиц \(dN\) с энергией \(\mathscr\) в единичном интервале энергии \(d\mathscr\). Энергетический спектр можно получить и аналитически (в виде формулы). Теоретический анализ показывает, что в каждой зоне ускорения энергетический спектр частиц будет разным.

Когда частицы ускоряются в джете, их энергетический спектр описывается формулой \(\dfrac\propto\mathscr^\), показатель степени \(\alpha\approx(22\unicode25)\). Спектр такого вида называется степенным (или экспоненциальным). Чем выше энергия, тем быстрее уменьшается число частиц с ростом энергии.

Когда частицы ускоряются в аккреционном диске, их энергетический спектр тоже степенной, но показатель степени другой: \(\alpha\approx(0\unicode21)\). Показатель степени 0 — это вариант ускорения, когда при любых энергиях число частиц в одинаковых интервалах энергии одинаковое.

Степенные энергетические спектры с разными показателями \(\alpha_1\) и \(\alpha_2\) (\(\alpha_1 20 эВ и выше. Происходит это по следующей причине.

Когда космические лучи самых высоких энергий летят на Землю с достаточно больших расстояний, они на длинном пути успевают взаимодействовать с реликтовыми фотонами. В этих взаимодействиях космические лучи теряют энергию на рождение других элементарных частиц. А космические лучи меньших энергий практически не взаимодействуют с реликтовыми фотонами, так как их энергии недостаточно для производства других частиц. Потратив часть энергии во Вселенной, частицы ультравысоких энергий переходят в ряды космических лучей с меньшими энергиями. В результате их энергетический спектр изменяется по сравнению с исходным спектром.

Значит, чтобы ответить на вопрос, где вблизи сверхмассивной черной дыры ускоряются частицы, недостаточно сопоставлять измеренный спектр космических лучей с теоретическими исходными спектрами.

Но пролет космических лучей по межгалактическому пространству приводит к еще одному эффекту. Он состоит в следующем. Элементарные частицы, которые рождаются во взаимодействиях частиц с реликтовыми фотонами, живут недолго и дают начало электронам, позитронам и квантам. Они в свою очередь взаимодействуют с фотонами, порождая новые и новые электроны, позитроны и кванты. Число частиц растет лавинообразно, и в космосе возникает гигантский каскад из частиц, которые продолжают взаимодействовать с межгалактическими фотонами. Частицы в каскаде расходятся настолько далеко друг от друга, что расстояние между ними превышает размеры Солнечной системы. (Рожденные элементарные частицы дают начало и нейтрино, но они летят по Вселенной, не взаимодействуя.)

Рождение межгалактических каскадов — это второй эффект, появляющийся в результате взаимодействий космических лучей с фотонами в космосе.

Для нашего исследования наибольший интерес представляют каскадные кванты. Кроме них в межгалактическом пространстве существуют фотоны различных энергий, и все эти фотоны и кванты составляют внегалактический фон. Его измеряют приборами, размещенными на борту спутников. Основная часть внегалактического фона — это излучение отдельных источников, которые находятся так далеко от нас или же так слабы, что не видны приборами. Возможно, что во внегалактический фон вносят вклад и другие процессы. Например, частицы темной материи, распадаясь, тоже дают начало квантам. Исследуя внегалактический фон, можно определить его компоненты и долю в нем каскадного излучения.

Оказывается, что доля каскадного излучения зависит от того, в какой зоне сверхмассивной черной дыры ускорялись космические лучи. А зная и каскадное излучение, и спектр космических лучей на Земле, можно выяснить, где и как были ускорены частицы. (Напомним, что в каждой зоне они ускоряются своим способом.)

Теперь физики исследуют частицы ультравысоких энергий на Земле и в космосе. Спектр космических лучей измеряют на Земле, а внегалактический фон — в космосе. Анализируя данные этих измерений, физики исследуют процессы в окрестности сверхмассивных черных дыр.

Заключение

Космические лучи были открыты более ста лет назад, в 1910-х годах. Много лет ушло на понимание взаимодействий космических лучей с земной атмосферой, понимание того, что частицы разных энергий имеют разное происхождение: космические лучи низких энергий выбрасываются Солнцем, более энергичные рождаются в нашей Галактике.

Ученые предполагают, что источники космических лучей ультравысоких энергий — это активные ядра галактик. В их центрах находятся сверхмассивные черные дыры, в окрестности которых частицы приобретают огромную энергию.

Исследование этих источников космических лучей требует создания новых приборов для измерений в космосе. Оно требует понимания, какие процессы возможны в активных ядрах галактик и в межгалактическом пространстве. Для моделирования этих процессов требуются усовершенствованные компьютеры.

Мы не сможем попасть в окрестность сверхмассивной черной дыры и непосредственно исследовать протекающие там процессы. Уточнить понимание того, что там происходит, помогает изучение космических лучей и внегалактического излучения, компьютерное моделирование того, как ускоряются частицы и как они летят в межгалактическом пространстве, и сопоставление полученных результатов.

Приложения

Магнитное поле аккреционного диска

Межзвездный газ пронизан магнитным полем, оно присутствует во всех звездах. Почти все вещество в звездах и в межзвездной среде ионизовано и состоит преимущественно из заряженных частиц. Вследствие этого в космосе магнитное поле вморожено в среду: силовая линия магнитного поля как бы прикреплена к тем заряженным частицам, которые находились на ней в начальный момент, и когда частицы перемещаются, они увлекают линию за собой.

Газ, падающий на черную дыру и формирующий аккреционный диск, увлекает за собой магнитное поле, поэтому диск намагничивается. А если плотность газа возрастает, т. е. газ сжимается, то силовые линии сгущаются и магнитное поле усиливается. Поэтому поле аккреционного диска может быть намного больше, чем поле, пронизывающее межзвездный газ и вещество звезд.

Способы ускорения частиц вблизи сверхмассивных черных дыр

Из школьного курса физики известно, что заряженные частицы приобретают энергию в электрическом поле. (Простейший случай: частица с зарядом \(q\), пройдя расстояние \(L\) в однородном электростатическом поле с напряженностью \(E\), приобретает энергию \(\mathscr=qEL\).) Этот механизм ускорения работает и в космосе. Магнитное поле в аккреционном диске неоднородно из-за неоднородной плотности газа. Диск вращается, и его магнитное поле индуцирует электрические поля как в самом диске, так и в магнитосфере черной дыры. Они и ускоряют заряженные частицы. При некоторых условиях индуцированное электрическое поле может ускорять частицы до ультравысоких энергий.

Еще один механизм ускорения частиц в космосе связан с неоднородностями магнитного поля, и в нем не участвует электрическое поле. Впервые возможность такого ускорения частиц понял и рассмотрел итальянский физик Ферми, поэтому этот механизм называется механизмом Ферми. Вблизи сверхмассивных черных дыр механизм Ферми работает в джете, который вырывается из аккреционного диска. Частицы в джете ускоряются так.

Джет сформирован из вещества аккреционного диска. В джете сгустки плазмы выбрасываются из диска по двум воронкообразным каналам вдоль его оси вращения. Толщина аккреционных дисков вокруг сверхмассивных черных дыр неодинакова, она зависит от характеристик черной дыры. В зависимости от толщины диска сгустки летят сквозь него месяцы и годы. Все это время сгустки взаимодействуют с боками канала (с веществом диска) и с излучением диска (ведь аккреционный диск ярко светится в разных диапазонах, он наполнен тепловыми, оптическими, радио- и другими фотонами). В результате взаимодействия с веществом и излучением на поверхности сгустка возбуждаются волны разных типов, в том числе ударные волны. Поясним, что это такое.

Участок поверхности сгустка испытывает удар и получает толчок. Под действием толчка участок плазмы начинает двигаться по сгустку, приводя в движение лежащие впереди плазменные слои. Граница между плазмой, движущейся вдоль сгустка, и неподвижной относительно сгустка — резкая. Она называется фронтом ударной волны. На этой границе скачком возрастают плотность, давление, температура и скорость плазмы. Ударная волна заставляет плазму в сгустке упорядоченно двигаться, а на фронте происходит интенсивное превращение энергии упорядоченного движения плазмы в энергию хаотического движения частиц. И если частица оказалась на фронте ударной волны, она приобретает энергию, т. е. ускоряется.

Рис. 3. Блуждания частицы вблизи фронта ударной волны. Фронт показан вертикальной пунктирной линией, частица изображена черным кружком, линии со стрелками — это векторы скорости частицы. Отклонения в неоднородном магнитном поле дают возможность частице многократно пересекать ударный фронт и ускоряться

В сгусток плазмы вморожено магнитное поле, оно неоднородно из-за неоднородной плотности сгустка. В некоторых областях неоднородное магнитное поле направлено так, что отклоняет летящую частицу по направлению к фронту ударной волны, и частица возвращается на фронт. Отклонение частицы пропорционально величине поля и обратно пропорционально энергии частицы — чем она больше, тем слабее отклонение. Поэтому частица возвращается на фронт ударной волны до тех пор, пока не наберет такую энергию, когда магнитные поля в сгустке уже не отклонят ее назад. Движение частицы в неоднородном магнитном поле вблизи фронта ударной волны схематически показано на рисунке 3.

При любом из этих способов ускорения частица одновременно и набирает, и теряет энергию. Энергетические потери возникают, когда частица находится в области, пронизанной магнитным полем с искривленными силовыми линиями. Дело в том, что если силовая линия изгибается, то у частицы появляется составляющая скорости, перпендикулярная магнитному полю. И тогда траектория частицы искривляется под действием силы Лоренца. Частица, которая движется по искривленной траектории, излучает энергию, и энергия самой частицы уменьшается.

Силовые линии могут быть прямолинейными, но лишь на ограниченных отрезках. И даже если частица двигалась вдоль прямой силовой линии, потери энергии все равно будут, и вот почему. Участок, где линия прямолинейна, кончается, и дальше силовая линия изгибается. А в поле с такими силовыми линиями траектория частицы искривляется, частица, двигаясь, излучает энергию и ее энергия падает.

Вблизи сверхмассивных черных дыр частицы все-таки ускоряются до ультравысоких энергий. Это показал теоретический анализ процессов, в которых частица одновременно набирает и теряет энергию.

Космическое пространство, космос — относительно пустые участки Вселенной, которые лежат вне границ атмосфер небесных тел. Космос не является абсолютно пустым пространством: в нём есть, хотя и с очень низкой плотностью, межзвёздное вещество, кислород в малых количествах (остаток после взрыва звезды), космические лучи и электромагнитное излучение, а также гипотетическая тёмная материя.

Космические лучи — это поток заряженных частиц, движущихся в Галактике с чудовищными скоростями.

К космическим лучам относятся главным образом ядра обычных химических элементов, по-видимому, возникающие в результате взрывов сверхновых звезд, движение которых по галактическим маршрутам регулируется слабыми магнитными полями, пронизывающими нашу Галактику. Космические лучи — это неотъемлемая часть межзвездной среды, и в них заключена значительная доля общей ее энергии.

В наши дни космические лучи — это единственные известные частицы, пришедшие из-за пределов Солнечной системы, с которыми мы можем иметь прямой контакт. По одной лишь этой причине они заслуживают тщательного исследования.

Открытие космических лучей

Видимый свет, в котором мы наблюдаем Вселенную невооруженным глазом, представляет собой лишь узкую полосу волн электромагнитного спектра. Космос же излучает много других волн, включая инфракрасные, рентгеновские, гамма-лучи и даже частицы, названные нейтрино. Для их обнаружения требуется специальная техника.

Полеты космических аппаратов открыли перед астрономами невиданные ранее возможности, которыми наземная астрономия никогда не располагала, да и не могла располагать. Для изучения небесных тел Солнечной системы, нашей Галактики и многочисленных внегалактических объектов теперь в космос запускаются специализированные астрономические станции-обсерватории, оснащенные новейшими физическими приборами. Они улавливают невидимые излучения, которые поглощаются атмосферой и не достигают земной поверхности.

В результате стали доступны для исследований все виды электромагнитного излучения, приходящего из космических глубин.

Как было обнаружено космическое излучение?

Около века назад ученые начали измерять заряды в атмосфере. В то время, хотя некоторые из них действительно обнаруживали явления ионизации в атмосфере, они полагали, что заряды испускаются Землей, а не из космоса. В 1912 году немецкий ученый Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре на 5000 метров и измерил изменения в атмосфере.

Обнаружение инфракрасных лучей

Галактика в инфракрасном диапазоне

С появлением более чувствительных методов наблюдений инфракрасная астрономия развивалась все активнее. К 1960-м годам инфракрасные телескопы стали запускать на воздушных шарах в верхние слои атмосферы, где космические инфракрасные лучи было легче обнаружить. Чуть позже начали применять специальные самолеты, как, например, воздушная обсерватория им. Койпера НАСА, работающая с 1975 по 1995 год.

Большинство наземных инфракрасных телескопов располагается на вершинах гор. Крупнейший в мире британский инфракрасный телескоп (UKIRT) установлен близ гавайской вершины Мауна-Кеа. Такие приборы используются для изучения межзвездного газа и пыли, из которых образуются новые звезды.

Рентгеновские лучи из космоса

В 1898 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, экспериментируя с катодными лучами, обнаружил, что их сопровождают какие-то невидимые лучи. Он назвал их Х-лучами из-за их загадочной природы, однако теперь уже понятно, что они формируют часть электромагнитного спектра.

Большая часть рентгеновских лучей блокируется в атмосфере. Поэтому до появления спутников детекторы космических рентгеновских лучей крепили на воздушных шарах и исследовательских ракетах, которые могли подниматься вверх в разреженный воздух.

Открытие гамма-лучей

В 1900 году французский физик Поль Виллар, экспериментируя с ураном и радием, установил, что они испускают новый тип лучей, проходящих сквозь плотные материалы, через которые не удается проникать рентгеновским лучам.

К тому моменту уже были обнаружены радиоактивные частицы альфа и бета, поэтому британский физик Эрнест Резерфорд назвал их гамма-лучами.

Как и рентгеновские, гамма-лучи блокируются атмосферой, именно поэтому детекторы первых поколений также крепились на борту воздушных шаров и ракет. Правда, гамма-лучи можно обнаружить на Земле непрямым путем благодаря открытию, сделанному в 1934 году выдающимся советским физиком Павлом Черенковым.

Черенков проводил опыт с бомбардировкой воды гамма-лучами, когда обнаружил луч тусклого голубого света, который впоследствии стали называть эффектом/излучением Вавилова — Черенкова. Вызывает его оптическая ударная волна, поскольку энергетические лучи или частицы путешествуют в одной и той же среде быстрее, чем фотоны света — и не только в воде, но и сквозь атмосферу.

Приборы — черенковские счетчики — измеряют скорость и направление света, что позволяет астрономам, отслеживая обратно траекторию света, определять источники излучения гамма-лучей.

К мощным космическим источникам гамма-лучей относят:

радиогалактики;
пульсары;
черные дыры.

24 февраля 1987 года благодаря гамма-лучам была обнаружена сверхновая, вспыхнувшая в Большом Магеллановом облаке.

Снимок сверхновой в большом Магеллановом Облаке

Всесторонние научные исследования позволили изучать свойства заряженных частиц, входящих в состав космических лучей. Легко были отождествлены самые распространенные их компоненты: ядра атомов водорода, протоны, и ядра атомов гелия, альфа частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Но вскоре стало ясно, что присутствуют также ядра более тяжелых элементов, в частности ядра атомов железа.

Нейтринная астрономия

Появление сверхновой SN1987A было также зафиксировано опытным путем в США и Японии. Правда, в ходе этих опытов велся поиск не гамма-лучей, а нейтрино — трудно обнаруживаемых элементарных частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, и не знающих никаких преград.

Первые солнечные нейтрино открыл в 1968 году американский физик Раймонд Дэвис (1914-2006) с помощью емкости с перхлорэтиленом. Во взаимодействие с атомами хлора в этой жидкости вступили всего несколько нейтрино, сформировав радиоактивные изотопы аргона, которые Дэвис и нашел. Его открытие дало толчок к развитию нейтринной астрономии.

Несколькими годами позже в Японии провели эксперимент для изучения солнечных нейтрино, в ходе которого также нашли частицы сверхновой SN1987A. Нейтрино достигли Земли за 150 минут до того, как удалось увидеть сверхновую. Сейчас созданы самые современные детекторы для получения данных о нейтрино.

Природа космического излучения

Ученые выяснили, что наибольшая часть космических лучей, причем с наименьшими энергиями, имеет солнечное происхождение, но главный вклад вносят космические лучи, приходящие из нашей Галактики и обладающие высокими энергиями. Возможно, что некоторая доля космических лучей — это посланцы других галактик.

Сейчас считают, что наиболее вероятным источником космических лучей в Галактике являются взрывы сверхновых.

Космические лучи состоят в основном из высокоэнергетических протонов: 85% ядер водорода, 12% α-частиц, с небольшой долей электронов и некоторыми более тяжелыми атомными ядрами. Космические лучи движутся в пространстве почти со скоростью света, некоторые из которых достигают Земли.

В рентгеновских лучах Вселенная представляется совершенно иной, чем она видна в оптические телескопы:

С одной стороны, наблюдается увеличение концентрации ярких источников излучения по мере приближения к средней плоскости Млечного Пути — они принадлежат нашей Галактике;
С другой — равномерное распределение многочисленных внегалактических рентгеновских источников по всему небу.

Многие небесные тела, украшающие небо Земли,— Луна и планеты — в рентгеновских лучах не видны.

В нашей Галактике диффузное (рассеянное) гамма-излучение сосредоточено главным образом в галактическом диске; оно усиливается в направлении к центру Галактики.

Гамма излучение пульсаров

Кроме того, обнаружены дискретные (точечные) гамма-источники, такие как Краб (Крабовидная туманность в Тельце), Геркулес Х-1, Гемннга (в созвездии Близнецов) и некоторые другие. Сотни дискретных источников внегалактического гамма-излучения разбросаны буквально по всему небу.

Удалось принять гамма-излучение, исходящее из активных областей Солнца во время солнечных вспышек.

Наблюдения с искусственных спутников в периоды минимума солнечной активности позволяют получить наилучшие данные о свободных электронах в межзвездном и межпланетном пространстве. Результаты исследования космических лучей позволили нам узнать много нового и интересного об относительном распределении химических элементов и их распространенности в межзвездном пространстве.

Источники космических лучей

Наибольшее внимание привлекла гипотеза, согласно которой космические лучи возникают при взрывах сверхновых звезд в нашей Галактике.

Вспышка сверхновой звезды

В галактиках подобных нашей, происходит 2— 3 взрыва сверхновых в столетие. Энергия, освобождающаяся при каждом таком взрыве, колоссальна, и тот факт, что известные остатки вспышек сверхновых, например Крабовидная туманность, являются источниками радиоизлучения, указывает на присутствие вокруг них крупномасштабных магнитных полей.

Ядра атомов, выбрасываемые в космическое пространство в качестве побочных продуктов взрыва сверхновых звезд, ускоряются этими магнитными полями, что позволяет понять высокие энергии частиц космических лучей.

Можно не сомневаться в том, что космические лучи в больших количествах не могут приходить к нам от далеких галактик, находящихся на расстояниях нескольких миллиардов парсек. Гипотеза сверхновых обеспечивает постоянный приток частиц с примерно требуемой энергией. Именно поэтому представляется вполне разумным искать источник космических лучей в самых грандиозных явлениях, происходящих в нашей Галактике — взрывах сверхновых.

Взаимодействие магнитного поля Земли и заряженные частиц из космоса

Магнитное поле Земли и ее атмосфера — это надежный щит, защищающий нас от космических лучей!

Огромную помощь в изучении космических лучей до их вторжения в атмосферу Земли и до воздействия на них земного магнитного поля оказывают искусственные спутники. Чрезвычайно важная задача будущего — проводить исследование на космических аппаратах за пределами внутренней области Солнечной системы.

Влияние космического излучения на технику

Электронные гаджеты и компьютеры могут выйти из строя из-за космического излучения, выяснили исследователи. Оно способно вызывать сбои в работе электронных устройств, что не может не беспокоить — ведь сложной техники вокруг становится все больше. В сбоях электронных устройств могут быть виноваты субатомные частицы родом из-за пределов нашей галактики, считают исследователи из Университета Вандербильта.

На атмосферу Земли воздействуют космические лучи, движущиеся со скоростью света, образуя различные частицы. Ежесекундно миллионы образовавшихся частиц бомбардируют тела людей. Это воздействие незаметно и не оказывает вреда для организма. Но часть этих частиц способна создавать помехи в интегральных схемах электронных устройств. В результате это взаимодействие может изменить данные, хранящиеся в памяти устройства.

При этом трудно определить, когда и где появятся такие частицы. Кроме того, никаких физических признаков повреждения не возникает. Также нельзя сразу сказать, виновато в сбое космическое излучение, аппаратный дефект или ошибка программного обеспечения.

Так в бельгийском городке Схарбек, где в 2003 году во время выборов в парламент один из кандидатов благодаря излучению получил 4096 дополнительных голосов. Ошибка была замечена, потому что кандидат набрал количество голосов, превышающее возможное. Расследование причин произошедшего привело к выводу, что ошибка возникла именно из-за воздействия космических лучей, которые вызвали сбой в реестре электронного устройства для подсчета голосов.

В 2004 году компания Cypress Semiconductor, занимающаяся разработкой и производством полупроводников, приводила следующие данные по количеству вызываемых космическим излучением ошибок:

мобильный телефон с 500 Кб памяти должен совершать одну потенциальную ошибку в 28 лет;
сеть маршрутизаторов с памятью в 25 Гб допускает одну ошибку, приводящую к сбою в сети, каждые 17 часов;
находясь в самолете на высоте 10,6–10,7 км, ноутбук с памятью в 500 Кб может совершать одну ошибку каждые пять часов.

Производители полупроводников очень обеспокоены этой проблемой, потому что она становится все серьезнее из-за того, что мощность электронных устройств растет, да и их количество значительно увеличивается

Воздействие космических лучей на организм человека

Пока мы живем на поверхности Земли, нет необходимости принимать какие-либо меры предосторожности против воздействия космического излучения. Это потому, что у Земли есть два механизма, чтобы защитить нас от вреда космических лучей:

Магнитное поле Земли — когда космические лучи приближаются к Земле, магнитное поле будет отклонять заряженные частицы. Конечным результатом является то, что они в основном сосредоточены на двух полюсах Земли, которые очень малочисленны, если вообще населены. Видимым проявлением влияния магнитного поля Земли является сияние, наблюдаемое на полюсах.
Другим механизмом является защитная атмосфера Земли. Атмосфера не только может поглощать большую часть инфракрасного и ультрафиолетового света, но и взаимодействовать с космическими лучами. Частицы высоких энергий так называемого первичного космического луча столкнутся с атомами кислорода или азота в атмосфере и затем превратятся во вторичные частицы космического луча. Космические лучи проходят через атмосферу, ослабляются и в конечном итоге достигают земли.Эти вторичные частицы имеют достаточную энергию для производства частиц следующего поколения.

Одна вещь, которую мы должны знать, — то, что заряд высокоэнергетических частиц космических лучей может достигать 100 МэВ. Они могут нарушать нормальную функцию клетки, вызывать заболевания, а значит, представлять угрозу для космонавтов. Если космические лучи проникают в капсулу космических кораблей, они могут также подорвать точность прибора, влияя на их работу. Таким образом, тщательное планирование должно быть принято в каждой космической миссии.

Большая часть космического излучения не может достичь поверхности Земли. Энергии частиц, которые проникают на поверхность Земли, будут дополнительно уменьшаться при приближении к земле. Следовательно, атмосфера действует как барьер для блокирования частиц высоких энергий. Когда космические лучи достигают поверхности Земли, потенциальные вредные воздействия значительно уменьшаются.

Видео

Название: Квазар 3C 279
Описание: Художественное представление квазара 3C 279
Каталог/Раздел: Квазары

Голосование

Космические лучи

рис. Космические лучи

Космические лучи — это поток заряженных частиц, движущихся в Галактике с чудовищными скоростями. Это главным образом ядра обычных химических элементов, по-видимому, возникающие в результате взрывов сверхновых звезд, движение которых по галактическим маршрутам регулируется слабыми магнитными полями, пронизывающими нашу Галактику. Космические лучи — это неотъемлемая часть межзвездной среды, и в них заключена значительная доля общей ее энергии. Когда мы прослеживаем пути космических лучей, регистрируя их с помощью специальных толстослойных фотографических эмульсий, мы действительно регистрируем захват частицы, дошедшей до нас из межзвездного пространства. В наши дни космические лучи — это единственные известные частицы, пришедшие из-за пределов Солнечной системы, с которыми мы можем иметь прямой контакт. По одной лишь этой причине они заслуживают тщательного исследования.

фото: наземная гамма обсерватория VERITAS для регистрации космического излучения

Магнитное поле Земли воздействует на частицы космических лучей в такой степени, что становится очень трудно проследить первоначальное направление до входа в магнитосферу Земли всех частиц, кроме тех, которые обладают наибольшими энергиями. Кроме того, взаимодействие частиц космических лучей и газов верхних слоев атмосферы создает вторичные эффекты в виде ливней ионизованных частиц. Магнитное поле Земли и ее атмосфера — это надежный щит, защищающий нас от космических лучей! Огромную помощь в изучении космических лучей до их вторжения в атмосферу Земли и до воздействия на них земного магнитного поля оказывают искусственные спутники. Чрезвычайно важная задача будущего — проводить исследование на космических аппаратах за пределами внутренней области Солнечной системы.

Ученые выяснили, что наибольшая часть космических лучей, причем с наименьшими энергиями, имеет солнечное происхождение, но главный вклад вносят космические лучи, приходящие из нашей Галактики и обладающие высокими энергиями. Возможно, что некоторая доля космических лучей — это посланцы других галактик. Сейчас считают, что наиболее вероятным источником космических лучей в Галактике являются взрывы сверхновых.

фото: Вспышка сверхновой - источник галактического излучения

Как мы отмечали, главными компонентами космических лучей являются протоны и альфа-частицы. За ними идут элементы с атомными номерами Z = 30 и больше, особенно группа железа. Интересно также, что среди частиц космических лучей встречаются и электроны. Нелегко отделить истинные космические электроны от электронов, образовавшихся в солнечном ветре и в результате вторичных эффектов в земной атмосфере. Наблюдения с искусственных спутников в периоды минимума солнечной активности позволяют получить наилучшие данные о свободных электронах в межзвездном и межпланетном пространстве. Результаты исследования космических лучей позволили нам узнать много нового и интересного об относительном распределении химических элементов и их распространенности в межзвездном пространстве.

В последние годы специалисты по космическим лучам много спорили о том, возникают ли космические лучи в нашей Галактике или за ее пределами. В целом представляется, что одерживают верх сторонники галактического происхождения космических лучей. Наибольшее внимание привлекла гипотеза, выдвинутая советскими учеными В. Л. Гинзбургом, В. Н. Сыроватским и поддержанная И. С. Шкловским, согласно которой космические лучи возникают при взрывах сверхновых звезд в нашей Галактике. В галактиках подобных нашей , происходит 2— 3 взрыва сверхновых в столетие. Энергия, освобождающаяся при каждом таком взрыве, колоссальна, и тот факт, что известные остатки вспышек сверхновых, например Крабовидная туманность, являются источниками синхротронного радиоизлучения, указывает на присутствие вокруг них крупномасштабных магнитных полей. Ядра атомов, выбрасываемые в космическое пространство в качестве побочных продуктов взрыва сверхновых звезд, ускоряются этими магнитными полями, что позволяет понять высокие энергии частиц космических лучей.

Главная /
Обучение /
Астрономия /
Космические лучи, галактическая корона и магнитное поле Галактики

Смотрите также

Кому они нужны?

ТАРКР "Нахимов" 43 дрк 7 ОпЭск

Приложение 2 (к ст. 7, к ст. 67) Определение поправок к измеренным пеленгам

Добавить комментарий

Самое читаемое

Изолирующий дыхательный аппарат ИДА-59М

Устройство ИДА-59М Изолирующий дыхательный аппарат ИДА-59М (рис. 9) представляет собой автономный дыхательный аппарат регенеративного типа с замкнутым циклом дыхания. Аппарат изолирует органы…

Методика проведения искусственной вентиляции легких и закрытого массажа сердца

При различных несчастных случаях, когда у пострадавшего отсутствуют дыхание и признаки сокращения сердца, необходимо как можно раньше приступить к искусственной вентиляции легких и к закрытому…

ДЭПЛ "Волхов" провела в Японском море пуск из подводного положения крылатой ракеты "Калибр" по наземной цели

Атомная подлодка "Братск" признана непригодной к ремонту и восстанавливать ее не будут

Головную многоцелевую атомную подлодку усовершенствованного проекта 885М (шифр "Ясень-М") "Казань", передадут Военно-Морскому Флоту России осенью 2020 года

115 лет подводным силам Тихоокеанского флота

Россия отметила 115-ую годовщину со Дня образования подводных сил Тихоокеанского флота. Во Владивостоке в 1905 году появился первый отряд подлодок "миноносцев"

Экипаж дизель-электрической подводной лодки Балтийского флота "Дмитров" приступил к выполнению учебно-боевых задач и отработке нормативов

Люди всегда стремились как можно лучше узнать Вселенную. Но, поскольку полеты к звездам долго оставались чем-то из разряда фантастики, человечество научилось пользоваться подсказками, которые нам дает сам космос

Что такое космические лучи?

Кроме электромагнитного излучения и гравитационных волн, на Землю каждую секунду прилетает множество космических частиц. Их называют космическими лучами. Северное сияние, охота на которое в последние годы стала настоящим трендом — тоже частицы, прилетевшие из космоса, а именно от Солнца.

Однако ученым интересно изучать те лучи, которые достигают планеты из-за пределов Солнечной системы.

Любое вещество состоит из протонов, электронов и нейтронов. Нейтрон — весьма нестабильная частица, поэтому в тех космических лучах, которые проделали долгий путь, нейтронов нет: они распадаются по дороге к Земле. Остаются только протоны и электроны. Однако кроме единичных электронов и протонов в потоках космических лучей могут быть и позитроны (античастицы электронов), и антипротоны. Таким образом, на Землю из космоса постоянно прилетают:

протоны;
электроны;
позитроны;
антипротоны;
ядра элементов.

Как ученые открыли космические лучи

Ученые далеко не сразу поняли, что является источником это излучения, земная кора или космос. Чтобы ответить на этот вопрос, была проведена серия экспериментов.

Первый эксперимент провел австрийский и американский физик Виктор Гесс, получивший за открытие космических лучей Нобелевскую премию в 1936 году. Его идея была проста: сесть в гондолу воздушного шара и лететь вверх, периодически замеряя количество загадочных частиц. Если их будет становиться все больше, значит, эти частицы прилетают из космоса.

Второй эксперимент менее известен и был проведен немного позже, в Италии. Его идея такова: чтобы понять, является ли источником загадочных частиц земная кор, необходимо от нее удалиться на некое расстояние и также замерить количество частиц. При этом необязательно лететь вверх, достаточно сесть в лодку и уплыть на ней как можно дальше от берега. Чем глубже больше будет толща воды, тем дальше земная кора.

В результате серии таких экспериментов ученые пришли к выводу, что поток частиц не изменяется, как бы глубоко ни находилось дно. Значит, чем бы ни являлись эти частицы, их точно излучает не земная кора.

Откуда у космических частиц столько энергии?

К примеру, самые сильные космические лучи обладают такой же энергией, как теннисный мяч при подаче профессионального теннисиста. Для микрочастицы это очень много. Этой энергии вполне хватает, чтобы выводить из строя приборы на земной орбите.

Откуда прилетают космические лучи?

Казалось бы, задача простая: зарегистрировать вспышку в небе — свидетельство о прилете космической частицы, — посмотреть на нее через телескоп и понять, что является ее источником. Но оказалось, что это далеко не так просто.

Преодолевая миллиарды световых лет, даже частицы очень высокой энергии оказываются чувствительными к влиянию магнитных полей различных космических объектов и потому немного сбиваются со своей траектории. Поэтому нельзя узнать точно, откуда они прилетают.

Впрочем, ученые нашли способ решить эту задачу: они стали наблюдать за другими частицами — нейтрино. Их особенность заключается в том, что они совсем не чувствительны к влиянию магнитного поля. И вполне вероятно, что нейтрино рождаются в тех же местах, где и ускоряются космические лучи сверхвысокой энергии.

Нейтрино высоких энергий регистрируют с помощью детекторов:

Байкальского нейтринного детектора (Baikal-GVD) — на дне озера Байкал, — в Средиземном море.

Каждая галактика имеет в центре черную дыру. Эта черная дыра притягивает вещество. Вещество, попадая в черную дыру, часто образует диск вокруг. Лишнее вещество из внутренней части этого диска выбрасывается в виде двух струй — джетов. Теоретически они могут быть очень хорошим источником частиц высокой энергии и космических лучей.

Как космические лучи помогают изучать Солнце

Поскольку интенсивность потока космических лучей тесно связана с солнечной активностью, с их помощью ученые могут изучать Солнце на масштабе многих сотен световых лет. Для этого есть два способа:

Космические лучи провоцируют появление новых химических элементов (например, бора и бериллия) — они образуются в результате реакции скалывания из ядер других элементов, прилетевших на Землю.
Частицы космических лучей взаимодействуют с веществом атмосферы и рождают редкие изотопы. Эти изотопы оседают на поверхность, и ученые могут обнаруживать их во льду или в спилах деревьев.

Опасны ли космические лучи для человека?

Хоть частицы из космоса могут выводить из строя технику на орбите, для человека они не представляют особой опасности.

Человечество от космических лучей надежно защищает атмосфера Земли и Солнце. Чем выше активность Солнца, тем меньше космических лучей попадает к нам из Галактики и внегалактического пространства.

Впрочем, некоторое количество радиации из космоса попадает на Землю: космические лучи все-таки создают небольшой уровень радиоактивности. Однако даже регулярные авиаперелеты, если вы не член экипажа и не летаете ежедневно, не слишком вредят здоровью. Более того, краткосрочное радиоактивное облучение не нанесет существенный урон даже космическим туристам.

Скорее, опаснее была бы обратная история: если бы космических лучей вдруг не стало. Это привело бы к эффекту дистиллированной воды, то есть полному исчезновению естественного радиоактивного фона. Такое обстоятельство, конечно, уменьшило бы количество мутаций в нашей ДНК, но, как известно, мутации бывают не только вредными, но и полезными. В конце концов, это важная часть человеческой эволюции.

Читайте также: