космическое излучение

КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Существование космических лучей было обнаружено в начале ХХ века. В 1912 г. австралийский физик В. Гесс, поднимаясь на воздушном шаре, заметил, что разрядка электроскопа на больших высотах происходит значительно быстрее, чем на уровне моря. Стало ясным, что ионизация воздуха, которая снимала разряд с электроскопа, имеет внеземное происхождение. Первым высказал это предположение Милликен, и именно он дал этому явлению современное название – космическое излучение.

В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных направлениях. Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1см2 за 1с.

Оно состоит из:

• протонов – 91%

• α-частиц – 6,6%

• ядер других более тяжелых элементов – менее 1%

• электронов – 1,5%

• рентгеновских и гамма–лучей космического происхождения

• солнечного излучения.

Первичные комические частицы, летящие из мирового пространства, взаимодействуют с ядрами атомов верхних слоев атмосферы и образуют так называемые вторичные космические лучи. Интенсивность космических лучей вблизи магнитных полюсов Земли приблизительно в 1,5 раза больше, чем на экваторе.

По современным представлениям главным источником космического излучения высоких энергий являются взрывы сверхновых звезд. По данным, полученным с помощью принадлежащего NASA орбитального рентгеновского телескопа, были получены новые доказательства того, что значительный объем космического излучения, постоянно бомбардирующего Землю, произведен ударной волной, распространяющейся после взрыва сверхновой звезды, который был зарегистрирован еще в 1572 году. Судя по наблюдениям рентгеновской обсерватории «Чандра», останки сверхновой звезды продолжают разбегаться со скоростью более 10 миллионов км/ч, производя две ударные волны, сопровождаемые массированным выделением рентгеновского излучения. Причем, одна волна движется наружу, в межзвездный газ, а вторая – внутрь, к центру бывшей звезды. Можно также утверждать, что значительная доля энергии «внутренней» ударной волны уходит на ускорение атомных ядер до скоростей, близких к световым.

Частицы высоких энергий приходят к нам из других Галактик. Таких энергий они могут достигнуть, ускоряясь в неоднородных магнитных полях Вселенной.

Естественно, что источником космического излучения является и ближайшая к нам звезда – Солнце. Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном из протонов и α-частиц, имеющих небольшую энергию.

Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолетовые лучи, УФ-излучение) — электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн УФ-излучения лежат в интервале от 10 до 400 нм (7,5·1014—3·1016 Гц). Термин происходит от лат. ultra — сверх, за пределами и фиолетовый. Основной источник ультрафиолетового излучения на Земле — Солнце.

Рентгеновское излучение — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−2 до 102 Å (от 10−12 до 10−8 м). Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются в широкой области энергий. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением и при одинаковой энергии фотонов — эквивалентны. Терминологическое различие лежит в способе возникновения — рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо в атомах, либо свободных) в то время как гамма-излучение испускается в процессах девозбуждения атомных ядер. Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 кэВ, что соответствует излучению с частотой от 3·1016 до 6·1019 Гц и длиной волны 0,005—10 нм (общепризнанного определения нижней границы диапазона рентгеновских лучей в шкале длин волн не существует). Мягкое рентгеновское излучение характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жёсткое рентгеновское излучение обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны).

Реликтовое излучение (лат. relictum — остаток), космическое микроволновое фоновое излучение (от англ. cosmic microwave background radiation) — космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,72548 ± 0,00057 К.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Г. Гамовым в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать эффективную температуру реликтового излучения, остались неизменны. Реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Гамма-всплеск — масштабный космический выброс энергии взрывного характера, наблюдаемый в отдалённых галактиках в самой жёсткой части электромагнитного спектра. Гамма-всплески (ГВ) — наиболее яркие электромагнитные события, происходящие во Вселенной. Продолжительность типичного ГВ составляет несколько секунд, тем не менее он может длиться от миллисекунд до часа. За первоначальным всплеском обычно следует долгоживущее «послесвечение», излучаемое на более длинных волнах (рентген, УФ, оптика, ИК и радио).

Большинство наблюдаемых ГВ предположительно представляет собой сравнительно узкий луч мощного излучения, испускаемого во время вспышки сверхновой, когда быстро вращающаяся массивная звезда коллапсирует, превращаясь либо в нейтронную звезду, либо в кварковую звезду, либо в чёрную дыру. Подкласс ГВ — «короткие» всплески — по-видимому происходят от другого процесса, возможно, при слиянии двойных нейтронных звёзд.

Источники ГВ находятся на расстояниях в миллиарды световых лет от Земли, что означает их чрезвычайную мощность и редкость. За несколько секунд вспышки высвобождается столько энергии, сколько Солнцем выделяется за 10 миллиардов лет. За миллион лет в одной галактике обнаруживаются лишь несколько ГВ. Все наблюдаемые ГВ происходят за пределами галактики Млечный путь, кроме явления родственного класса, мягких повторяющихся гамма-всплесков, которые ассоциируются с магнетарами Млечного пути. Имеется предположение, что ГВ, произошедший в нашей галактике, мог бы привести к массовому вымиранию всего живого на Земле.

ГВ впервые был случайно зарегистрирован 2 июля 1967 года американскими военными спутниками «Vela».

Первый космический гамма-всплеск записанный 2 июля 1967 года спутниками Vela 4a, b.

Чтобы объяснить процессы, которые могут порождать ГВ, были построены сотни теоретических моделей, таких как столкновения между кометами и нейтронными звёздами. Но данных для подтверждения предложенных моделей было недостаточно, пока в 1997 не зарегистрировали первое рентгеновское и оптическое послесвечения, и определили их красное смещение прямым измерением с помощью оптического спектроскопа. Эти открытия и последующие исследования галактик и сверхновых, ассоциированных с ГВ, помогли оценить яркость и расстояния до ГВ, окончательно разместив их в отдалённых галактиках и связав ГВ со смертью массивных звёзд. Тем не менее процесс исследования ГВ ещё далеко не закончен и остаётся одной из самых больших загадок астрофизики. Неполной является даже наблюдательная классификация ГВ на длинные и короткие.

ГВ регистрируются приблизительно раз в день. Как было установлено в советском эксперименте «Конус», который осуществлялся под руководством Е. П. Мазеца на космических аппаратах «Венера-11», «Венера-12» и «Прогноз» в 1970-е годы[6], ГВ с равной вероятностью приходят с любого направления, что, вместе с экспериментально построенной зависимостью Log N — Log S (N — количество ГВ, дающих около Земли поток гамма-излучения больший или равный S), говорило о том, что ГВ имеют космологическую природу (точнее, связаны не с Галактикой или не только с ней, но происходят во всей Вселенной, причём мы их видим из удалённых участков Вселенной). Направление на источник оценивалось с помощью метода триангуляции.