3. Космические лучи

Космические лучи (излучение) - это частицы, заполняющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Они открыты в 1912 г. австрийским физиком Гессом с помощью ионизационной камеры на воздушном шаре. Максимальные энергии космических лучей 10²¹ эВ, т.е. на много порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителям (10¹² эВ). Поэтому изучение космических лучей играет важную роль не только в физике космоса, но также и в физике элементарных частиц. Ряд элементарных частиц впервые был обнаружен именно в космических лучах (позитрон - Андерсон, 1932 г.; мюон () - Неддермейер и Андерсон, 1937 г.; пион () - Пауэлл, 1947 г.). Хотя в состав космических лучей входят не только заряженные, но и нейтральные частицы (особенно много фотонов и нейтрино), космическими лучами обычно называют заряженные частицы.

При обсуждении космических лучей следует уточнять, о каких именно лучах идет речь. Различают следующие типы космических лучей:

1. Галактические космические лучи - космические частицы, приходящие на Землю из недр нашей Галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем.

2. Солнечные космические лучи - космические частицы, генерируемые Солнцем.

Поток галактических космических лучей, бомбардирующих Землю, примерно изотропен и постоянен во времени и составляет 1 частица/см²сек (до входа в земную атмосферу). Плотность энергии галактических космических лучей 1 эВ/см³, что сравнимо с суммарной энергией электромагнитного излучения звезд, теплового движения межзвездного газа и галактического магнитного поля. Таким образом, космические лучи - важный компонент Галактики.

Состав галактических космических лучей:

1. Ядерная компонента - 93% протонов, 6.5% ядер гелия, <1% более тяжелых ядер (т.е. отвечает распространенности ядер во Вселенной).

2. Электроны. Их число 1% от числа ядер.

3. Позитроны. Их число 10% от числа электронов.

4. Антиадроны составляют меньше 1%.

Энергии галактических космических лучей охватывают огромный диапазон - не менее 15 порядков (10⁶-10²¹ эВ). Их поток для частиц с E>10⁹ эВ быстро уменьшается с ростом энергии. Спектр энергий ядерной компоненты, исключая низкие энергии, подчиняется выражению

n(E) = n_oE^-, (15.5)

ãäå n_o - константа, а 2.7 при E<10¹⁵ ýÂ è 3.1-3.2 ïðè E>10¹⁵ эВ. Энергетический спектр ядерной компоненты показан на рис.15.6.

Поток частиц сверхвысоких энергий крайне мал. Так на площадь 10 км² за год попадает в среднем не более одной частицы с энергией 10²⁰ эВ. Характер спектра для электронов с энергиями >10⁹ эВ аналогичен приведенному на рис.15.6. Поток галактических космических лучей не менялся в течение по крайней мере 1 млрд лет.

Галактические космические лучи, очевидно, имеют нетепловое происхождение. Действительно, максимальные температуры (10⁹K) достигаются в центре звезд. При этом энергия теплового движения частиц 10⁵ эВ. В то же время частицы галактических космических лучей, достигающих окрестности Земли, в основном имеют энергии >10⁸ ýÂ.

Рис. 15.6. Энергетический спектр ядерной компоненты космических

лучей. Энергия дана в системе центра масс.

Есть веские основания полагать, что космические лучи генерируются, главным образом, вспышками сверхновых (другие источники космических лучей - пульсары, радиогалактики, квазары). В нашей Галактике взрывы сверхновых происходят в среднем не реже одного раза в 100 лет. Легко подсчитать, что для поддержания наблюдаемой плотности энергии космических лучей (1 эВ/см³) достаточно им передавать всего несколько процентов мощности взрыва. Выбрасываемые при вспышках сверхновых протоны, более тяжелые ядра, электроны и позитроны далее ускоряются в специфических астрофизических процессах (о них будет сказано ниже), приобретая энергетические характеристики, присущие космическим лучам.

В составе космических лучей практически нет метагалактических лучей, т.е. попавших в нашу Галактику извне. Все наблюдаемые свойства космических лучей можно объяснить исходя из того, что они образуются, накапливаются и длительное время удерживаются в нашей Галактике, медленно вытекая в межгалактическое пространство. Если бы космические частицы двигались прямолинейно, они вышли бы за пределы Галактики через несколько тысяч лет после своего возникновения. Столь быстрая утечка привела бы к невосполнимым потерям и резкому снижению интенсивности космических лучей.

На самом деле наличие межзвездного магнитного поля с сильно запутанной конфигурацией силовых линий заставляет заряженные частицы двигаться по сложным траекториям (это движение напоминает диффузию молекул), увеличивая время пребывания этих частиц в Галактике в тысячи раз. Возраст основной массы частиц космических лучей оценивают в десятки миллионов лет. Космические частицы сверхвысоких энергий отклоняются галактическим магнитным полем слабо и сравни-тельно быстро покидают Галактику. Этим, возможно, объясняется излом в спектре космических лучей при энергии 310¹⁵ ýÂ.

Остановимся очень кратко на проблеме ускорения космических лучей. Частицы космических лучей двигаются в разряженной и электрически нейтральной космической плазме. В ней нет значительных электростатических полей, способных ускорять заряженные частицы за счет разности потенциалов между различными точками траектории. Но в плазме могут возникать электрические поля индукционного и импульсного типа. Так индукционное (вихревое) электрическое поле появляется, как известно, при увеличении напряженности магнитного поля со временем (так называемый, бетатронный эффект). Ускорение частиц может быть также вызвано их взаимодействием с электрическим полем плазменных волн в областях с интенсивной турбулентностью плазмы. Существуют и другие механизмы ускорения, на которых мы не имеем возможности останавливаться в данном курсе. Более детальное рассмотрение показывает, что предложенные механизмы ускорения способны обеспечить рост энергии заряженных частиц, выброшенных при взрывах сверхновых, с 10⁵ äî 10²¹ ýÂ.

Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, - солнечные космические лучи – весьма важный компонент космического излучения, бомбардирующего Землю. Эти частицы ускоряются до высоких энергий в верхней части атмосферы Солнца во время солнечных вспышек. Солнечные вспышки подвержены определенным временным циклам. Самые мощные повторяются с периодом 11 лет, менее мощные – с периодом 27 дней. Мощные солнечные вспышки могут увеличить поток космических лучей, падающих на Землю со стороны Солнца, в 10⁶ раз по сравнению с галактическим.

По сравнению с галактическими космическими лучами в солнечных космических лучах больше протонов (до 98-99% всех ядер) и соответственно меньше ядер гелия (1.5%). В них практически нет других ядер. Содержание ядер с Z2 в солнечных космических лучах отражает состав солнечной атмосферы. Энергии частиц солнечных космических лучей меняются в интервале 10⁵-10¹¹ эВ. Их энергетический спектр имеет вид степенной функции (15.5), где - уменьшается от 7 до 2 по мере уменьшения энергии.

Все приведенные выше характеристики космических лучей относятся к космическим частицам до входа в атмосферу Земли, т.е. к, так называемому, первичному космическому излучению. В результате взаимодействия с ядрами атмосферы (главным образом, кислородом и азотом) высокоэнергичные частицы первичных космических лучей (прежде всего протоны) создают большое число вторичных частиц – адронов (пионов, протонов, нейтронов, антинуклонов и т.д.), лептонов (мюонов, электронов, позитронов, нейтрино) и фотонов. Развивается сложный многоступенчатый каскадный процесс. Кинетическая энергия вторичных частиц расходуется в основном на ионизацию атмосферы.

Толщина земной атмосферы около 1000 г/см². В то же время пробеги высокоэнергичных протонов в воздухе 70-80 г/см², а ядер гелия – 20-30 г/см². Таким образом, высокоэнергичный протон может испытать до 15 столкновений с ядрами атмосферы и вероятность дойти до уровня моря у первичного протона крайне мала. Первое столкновение происходит обычно на высоте 20 км.

Лептоны и фотоны появляются в результате слабых и электромагнитных распадов вторичных адронов (главным образом, пионов) и рождения -квантами e^-e⁺-пар в кулоновском поле ядер:

^o 2,

+,

ÿäðî + ÿäðî + e^- +e⁺.

Таким образом, вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных, которые делят на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты. Лавинообразное нарастание числа частиц может привести к тому, что в максимуме каскада их число может достигать 10⁶-10⁹ (при энергии первичного протона >10¹⁴ эВ). Такой каскад покрывает большую площадь (много квадратных километров) и называется широким атмосферным ливнем (ðèñ.15.7).

После достижения максимальных размеров происходит затухание каскада в основном за счет потери энергии на ионизацию атмосферы. Поверхности Земли достигают в основном релятивистские мюоны. Сильнее поглощается электронно-фотонная компонента и практически полностью “вымирает” адронная составляющая каскада. В целом поток частиц космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей, составляя около 0.01 частицы/см²ñåê.

Ðèñ. 15.7