В каких объектах образуются космические лучи кратко
Обновлено: 30.06.2024
Как найти источники космических лучей
Соотношение теории и эксперимента
Как уже отмечалось, наиболее тщательные измерения могут быть произведены в лабораторных экспериментах. К сожалению, в силу ряда причин моделирование процесса ускорения космических лучей в лаборатории невозможно. Главным препятствием здесь является то обстоятельство, что межзвездная среда, в которой протекают эти процессы, чрезвычайно разрежена: типичная ее концентрация — 1 частица/см 3 (в атмосфере D10 19 частиц/см 3 ). В то же время размер объектов — остатков сверхновых — огромен: средний их радиус составляет несколько парсек (пк), при этом 1 пк = 3·10 18 см (сравните с расстоянием от Земли до Солнца — 1,5·10 13 см).
С другой стороны, большая удаленность изучаемых объектов от наблюдателя (ближайшие остатки сверхновых расположены на расстояниях 100-1000 пк от Земли) делает невозможным проведение измерений в самом объекте. Такая ситуация является типичной для астрофизики. В этом, как и в других аналогичных случаях, экспериментальная проверка теоретических построений состоит в регистрации излучения, порождаемого космическими лучами, и сравнении его свойств с теоретически предсказанными.
Космические лучи производят электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн — от радио- до гамма-диапазона включительно. Это излучение, которое принято именовать нетепловым, по своим свойствам и механизму формирования существенно отлично от теплового, исходящего от любого нагретого тела, в частности, от звезд.
Особый интерес представляет наиболее коротковолновая часть спектра нетеплового излучения — гамма- излучение, высокая энергия которого, согласно расчетам, достигает энергии фотонов (ε = 10 12 эВ) и даже выше. Факт регистрации такого излучения от того или иного объекта уже говорит о содержании в нем большого количества космических лучей с энергией ε I 10 13 эВ, что само по себе представляет ценную информацию.
Следует отметить, что возможность регистрации гамма-излучения высоких энергий появилась сравнительно недавно благодаря созданным в ряде стран сложным детектирующим устройствам, называемым гамма- телескопами. Лишь отдаленно они напоминают по устройству своих старших собратьев — обычные оптические телескопы. Гамма-телескоп, как и оптический, имеет зеркало большого диаметра (около 10 метров) с той разницей, что оно не сплошное, а состоит из сегментов размером 0,5 м. Зеркало служит для регистрации короткой световой вспышки, которую одиночный гамма-квант создает в ночной атмосфере. Сами гамма-кванты до поверхности Земли не доходят, поглощаясь в верхних слоях атмосферы.
Потоки гамма-излучения, исходящие от астрофизических источников, относительно невелики, поэтому их можно надежно фиксировать устройствами только большого размера. Для повышения чувствительности и точности регистрации на практике используют систему, состоящую из нескольких идентичных гамма-телескопов.
Рис. 2. Стереоскопическая система гамма-телескопов HESS (High Energy Stereoscopic System — стереоскопическая система высоких энергий). Намибия.
Одна из подобных установок показана на рис. 2. Она находится в Намибии (Африка) и принадлежит международной коллаборации, в которую входят более десяти исследовательских центров западноевропейских стран. Аналогичная система телескопов CANGAROO японско-австралийской коллаборации работает в Австралии.
Необходимость международной кооперации для создания и эксплуатации таких устройств диктуется их сложностью и высокой стоимостью (порядка 100 млн. долларов).
Гамма-телескопы — приборы узконаправленные. Поэтому их использование предполагает заблаговременное определение конкретных объектов, наиболее интересных для наблюдения. Выявление потенциальных источников гамма-излучения — задача теории. Поскольку наш институт является исследовательским центром, в котором могут быть выполнены наиболее надежные теоретические предсказания ожидаемых потоков нетеплового излучения из остатков сверхновых, осуществляется тесное сотрудничество между Институтом космофизических исследований и аэрономии СО РАН и упомянутыми выше коллаборациями.
Заключительные замечания
Космические лучи были открыты в 1912 г. В. Гессом. Различают первичные космические лучи - космические лучи до входа в атмосферу и вторичные космические лучи, образовавшиеся в результате процессов взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли.
Мюоны в свою очередь могут распадаться
Образующиеся при распаде нейтральных пионов γ-кванты вызывают каскад электронов и γ-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 > 10 14 эВ может создать 10 6 -10 9 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 10 16 эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением частиц на ударных волнах, образующихся взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации. На рис. 5 показан спектр всех частиц первичных галактических лучей. В широком диапазоне энергий спектр апроксимируется соотношением dN/dE ~ E -2.7 . Особый интерес представляют области энергий 10 15 -10 16 эВ так называемое "колено" (knee) и 10 18 -10 19 - "лодыжка" (ankle), в которых наблюдаются аномалии.
Интенсивность космических лучей на больших интервалах времени была постоянна в течение ~10 9 лет. Однако, появились данные, что 30-40 тыс. лет тому назад интенсивность космических лучей заметно отличалась от современной (см. рис.6). Пик интенсивности связывают со взрывом близкой к Солнечной системе (~50 пк) Сверхновой.
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
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 излучение представляет собой поток атомных ядер и частиц высоких энергий (то есть сказать , релятивистскими ) , которые циркулируют в межзвездной среде . Космическое излучение в основном состоит из заряженных частиц: протонов (88%), ядер гелия (9%), антипротонов , электронов , позитронов и нейтральных частиц ( гамма-лучей , нейтрино и нейтронов ). Источник этого излучения в зависимости от случая на солнце, на внутренней или внешней части галактики . Некоторые из астрочастиц , составляющих космическое излучение, имеют энергию, превышающую 10 20 эВ, и не объясняются никакими идентифицированными физическими процессами.
Открытие космического излучения происходит в начале XX - го века с наблюдениями Виктора Фрэнсис Гесса , сделанные в 1912 году на воздушном шаре. Первоначально он определяется по его роли в ионизации атмосферы Земли. Прямое наблюдение с земли наиболее энергичных компонентов космического излучения невозможно, поскольку оно взаимодействует с атмосферой, когда проникает в нее, и производит вторичные частицы. Только в конце 1950-х годов появилась возможность проводить первые прямые наблюдения с использованием инструментов на борту искусственных спутников или стратосферных аэростатов . Космическое излучение высоких энергий , как и электромагнитное излучение, является уникальным источником информации о явлениях галактического и внегалактического происхождения. Но его характеристики (энергия, дефицит) затрудняют точное наблюдение. Кроме того, важные взаимодействия с галактической и внегалактической средой усложняют интерпретацию собранных данных, чтобы определить их источник и природу.
Часть космических лучей низкой энергии (относительно остальных космических лучей: порядка МэВ ), захваченные магнитным полем Земли , участвуют в образовании поясов Ван Аллена . Галактические или внегалактические лучи могут проходить через нас, вмешиваться в ДНК , проходить через скалы и здания и глубоко проникать в почвы и недра планет. На их долю приходится 14% общей естественной радиоактивности на поверхности Земли.
Резюме
Исторический
Первое наблюдение, приведшее к открытию космических лучей, произошло в 1900 году, когда физик Чарльз Томсон Рис Вильсон обнаружил, что атмосфера непрерывно ионизируется. Затем он предполагает, что это явление связано с естественным излучением Земли . Его исследования атмосферного электричества, ионизации и конденсации привели его к созданию первой камеры тумана .
Но быстро ученые того времени были заинтригованы избытком ионов сверх того количества, которое обычно возникает из-за естественной радиации от земли. В 1912 году австрийский физик Виктор Франц Гесс измерил скорость ионизации как функцию высоты с помощью электрометра с золотым листом на борту воздушного шара . Ионизация снижается до 700 м , затем увеличивается. Между днем и ночью нет большой разницы. Гесс заключает, что излучение имеет космическое происхождение, то есть исходит извне Солнечной системы . Эти результаты подтверждает Роберт Эндрюс Милликен, который работает с метеозондами .
Гесс также считает, что это излучение электрически нейтрально. Эта гипотеза была поставлена под сомнение в 1928 году, когда было обнаружено, что большая часть излучения, достигающего поверхности Земли, состоит из заряженных частиц. Затем Милликен предполагает, что последние являются результатом взаимодействия нейтральных лучей в космосе ( гамма-излучение ) и молекул в атмосфере. Артур Комптон демонстрирует, что излучение на самом деле меняется в зависимости от широты, на которой оно измеряется (слабее на экваторе, чем на полюсах) из-за влияния магнитного поля Земли , тем самым доказывая, что оно связано с загруженными частицами.
Состав космического излучения
Он в основном заряжен протонами (88%), ядрами гелия (9%), остальное состоит из электронов , различных нуклонов (атомных ядер), а также крошечных количеств антивещества ( антипротонов и позитронов ). Нейтральная часть состоит из гамма-лучей, а также нейтрино . Последнее не всегда учитывается в космическом излучении.
Самая распространенная частица на уровне моря - мюон , потому что он мало взаимодействует с веществом: в среднем одна частица на квадратный сантиметр в минуту. Несмотря на время жизни 2,2 мкс , что соответствует максимальному расстоянию 660 м со скоростью света , мюон преодолевает гораздо большие расстояния благодаря эффекту замедления времени, предсказанному специальной теорией относительности .
Первичные частицы (попадающие в атмосферу) имеют энергию, которая может достигать 10 20 эВ . Помимо нейтрино , частицы, обнаруженные на земле, по сути являются вторичными частицами атмосферных ливней с гораздо меньшей энергией.
Спектр
Чтобы улучшить его, добавьте проверяемые ссылки [ как это сделать? ] или шаблон > для отрывков, требующих источника.
Спектр первичного космического излучения: поток астрочастиц в верхней части атмосферы Земли, выраженный в количестве частиц на единицу площади (м²), времени (с), телесном угле ( ср ) и энергии ( ГэВ ).
Частицы низкой энергии (желтая область) исходят в основном от Солнца, частицы средней энергии (синие) - из нашей галактики, а частицы высокой энергии (фиолетовые) - внегалактические.
Спектр излучения - это функция, связывающая падающий поток частиц с их энергией. Цифры напротив имеют логарифмический масштаб для интегрирования очень большой амплитуды значений энергий и потоков. Приведенный здесь спектр является спектром первичного излучения , то есть до взаимодействия этого излучения с атмосферой.
Однако есть два заметных перерыва в наклоне, хотя и незаметных невооруженным глазом:
Источник
Наиболее энергичные частицы приходят из межзвездного и межгалактического пространства . Некоторые из этих частиц отклоняются солнечным ветром - источником полярных сияний, - который, в свою очередь, приносит с собой в основном ионы и электроны . Таким образом, солнечная активность оказывает ощутимое влияние на количество получаемой радиации галактического происхождения.
В 2017 году первые подтверждения географического происхождения излучения высоких энергий были даны публикацией результатов 12 - летних измерений, проведенных с 2004 года в обсерватории Пьера-Оже в Маларгуэ в Аргентине : это излучение явно внегалактическое, исходит от галактики, расположенные в части космоса за пределами Млечного Пути. Обсерватория действительно зафиксировала и изучила около 30 000 лучей с энергией, превышающей 8 × 10 18 электрон-вольт. Изучение углового распределения их входов в атмосферу закончилось тем, что на небесной сфере была выявлена закономерность (слегка диполярная) . Этот узор был расположен напротив Млечного Пути . Следовательно, этот поток будет исходить от множества галактик, расположенных на расстоянии ста миллионов световых лет от нас . Осталось разобраться в механизме его производства; Специалисты склоняются к явлениям, возникающим в окружающей среде огромных черных дыр и / или коллапсу сверхмассивных звезд .
Космология и астрочастицы
Big Bang , бариогенезис , темная материя являются рамки исследования , которые используют экспериментальные методы , разработанные в физике элементарных частиц для выполнения высокой и очень высокой энергии астрономии.
Основные темы исследования:
- Поиск темной материи
- Нейтрино (солнечные, космические, сверхновые).
- Распад протона .
- В гравитационных волн .
Методы обнаружения
В настоящее время используются несколько методов обнаружения космических лучей с земли. Черенковские телескопы обнаруживают космические лучи низкой энергии ( (in) и Робертом Уокером (in) для использования на воздушных шарах на большой высоте. Листы прозрачного пластика (например, поликарбоната толщиной 0,25 мм ) накладываются друг на друга и подвергаются прямому воздействию космических лучей, которые вызывают разрывы химических связей или ионизацию пластика. В верхней части стопки эффект меньше из-за высокой скорости частиц, но по мере уменьшения скорости ионизация увеличивается по мере прохождения через разные листы; растворяя пластик, мы выкапываем конические полости, которые измеряются (с помощью микроскопа с большим увеличением). Эти полости различны для каждой траектории, что позволяет измерять заряд и энергию космических лучей, прошедших через устройство: этот метод также используется для обнаружения ядер, образующихся при делении ядер .
Для измерения низкоэнергетического космического излучения ( 450 МэВ - 15 ГэВ ) Джон А. Симпсон в 1948 году разработал нейтронный монитор. Эти мониторы, использующие принцип, аналогичный принципам счетчиков Гейгера , иногда особенно разрабатывались в рамках Международного геофизического года 1957 г. Счетчик типа МГГ). Их преемники, супермониторы NM64, в настоящее время наиболее широко используются. Глобальная сеть мониторов, используемая в основном для изучения протонов солнечных вспышек (GLE для улучшения наземного уровня), выбросов корональной массы (CME), приводящих к эффекту Форбуша (in) , или для оценки доз радиации, получаемых летным составом. С 2007 года большинство нейтронных мониторов распределяют свои данные в режиме реального времени благодаря всемирной сети нейтронных мониторов ( NMDB (en) ), которая в 2017 году объединила около сорока станций.
Последний метод использует камеры тумана или пузырьковые камеры для обнаружения вторичных мюонов, образовавшихся при распаде пиона . В частности, туманные камеры легко сделать даже в простой школьной лаборатории.
Приложения
Способность космических мюонов проходить сквозь материю может быть использована в томографии . Фактически, ослабление потока частиц зависит от плотности среды, через которую проходит. Этот метод был использован, в частности, лауреатом Нобелевской премии по физике Луисом Вальтером Альваресом для поиска скрытых комнат в пирамиде Хафра в Египте , но в данном случае не дал убедительных результатов. Недавняя работа, проведенная на вулкане Суфриер в Гваделупе, также предлагает применение в геофизике . Космические лучи также используются для измерения высоты снежного покрова: EDF использует NRC ( снегомер космического излучения) .
Эффекты
Воздействие на здоровье
Влияние на электронику
Чтобы противостоять этим эффектам в микроэлектронике, существуют методы радиационной защиты .
Влияние на образование облаков
Космические лучи влияют на формирование определенных облаков путем образования новых аэрозолей (крошечных частиц, взвешенных в воздухе, которые образуют зародыши облачных капель). Космические лучи воздействуют на органические пары деревьев (биогены) и увеличивают скорость образования аэрозолей в 10-100 раз. В рамках эксперимента CLOUD в ЦЕРН в настоящее время изучается влияние космических лучей на формирование облаков.
Читайте также: