Пришельцы из далёких галактик - космические лучи. Часть первая. Открытие КЛ и их природа

Время от времени у многих возникает такой простой вопрос - а что вообще забыло человечество в космосе? Ну преодолели мы земное притяжение, вышли на околоземную орбиту - ура! Пошли дальше, долетели до Луны, убедились, что там ничего полезного нет, слетали к ближайшим соседям - Венере и Марсу, там тоже ничего, что могло бы на данный момент коренным образом повлиять на землян может, не обнаружили. Дальше зонды к Юпитеру и Сатурну запустили - практический результат тот же. И это даже если забыть о всяких там суперсложных (и супердорогих, разумеется) телескопах - Хаббле, Чандре и прочих невероятно сложных (и, ясно дело, дорогих) приборах. Зачем тратятся огромные деньги не только на запуски полезных простому обывателю спутников связи (и разных военных аппаратах, о которых мы (полит)корректно промолчим, ибо речь сейчас не о них), а на всякого рода бесполезные, по крайней мере сейчас? Ведь это колоссальные финансовые и людские ресурсы, а что в результате? Миллиарды долларов улетают в прямом смысле в космос, а человечество все продолжает и продолжает носиться с этой бесполезной сверхдорогой игрушкой.
Вы уже наверное поняли, уважаемые читатели, что я тут решила вас, как теперь принято говорить, потроллить, ну или если выражаться более высокопарным языком поработать «адвокатом дьявола» :). Не буду говорить об очевидном - неизвестно, что из открытого вдруг внезапно окажется полезным для человечества сто или даже 50 лет спустя (тут я для сомневающихся в возможности того, что ненужное вдруг стало непросто нужным, а жизненно необходимым миллиардам людей) обычно привожу высказывание Генриха Герца об открытых ими электромагнитных волнах:

«Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть».

«И что же дальше?» — спросили его, и Герц ответил: «Я предполагаю — ничего». Но вот благодаря этому самому «ничего» наш мир существует сейчас в том виде, в котором мы его знаем.

Но вернемся к космосу. Дело ведь не только в межпланетных перелётах, в поисках других цивилизаций и запасного дома для землян - до этого еще в любом случае как пешком до той самой Луны. Все гораздо ближе к нам, и не когда-то в далеком будущем, а сегодня (и вчера тоже). Да, все мы знаем про фотосинтез, в результат чего мы все зависим от нашей ближайшей звезды, но дело не только в видимом свете. И даже не только в Солнце. Возьмем хотя бы такую для насущную для всех проблему как изменения климата - шутки шутками, а затопленная растаявшими людами Арктики Голландия в случае одного сценария, как и полностью замерзшее Черноземье при другом развитии событий выглядят совсем не смешно.

Так что перейдем наконец-то к понятию, вынесенному в заголовок статьи, а именно к космическим лучам. Ведь именно они, эти самые космические лучи, а не пятна на Солнце в конечном итоге ответственны за связь многих земных процессов с солнечной активностью - начиная от уровня воды в водоемах и урожайности, и заканчивая жизненно важным вопросом - так что же нас ждет в ближайшем будущем - глобальное потепление или новый Малый Ледниковый Период.

Отступление 1. Но что обычно представляют себе люди, когда слышат слово «лучи»? Наверное, закат на морском берегу, или рассвет в горах, в крайнем случае рентгеновский аппарат ( а что, тоже вполне себе лучи, их же так и назвали X-ray). Но космические лучи к этим лучам отношения не имеют, поскольку это вовсе не свет, а элементарные частицы - в основном протоны и ядра. Вот их определение, данное им профессором Николаем Калмыковым (НИИЯФ МГУ):

Под космическими лучами (КЛ) обыкновенно понимаются потоки заряженных релятивистских частиц, начиная от протонов и ядер гелия и кончая ядрами более тяжёлых элементов вплоть до урана, рождённых и ускоренных до высоких и предельно высоких (вплоть до 1020 эВ) энергий вне пределов Земли. При этом в потоке частиц с энергией до 109 эВ доминирует вклад Солнца (это так называемые Солнечные Космические Лучи, или СКЛ), а частицы более высоких энергий имеют галактическое (а, возможно, при самых высоких энергиях экстрагалактическое) происхождение, и называются Галактические космические лучи - ГКЛ.

Человечество узнало о самом существовании КЛ по историческим меркам совсем не так давно - в начале двадцатого века. И как многое другие явления, впервые обнаружены они были практически случайно.

В начале 20 века (1912), австрийский физик Виктор Гесс исследовал ионизацию в газе, находящемся в закрытом сосуде.


_Виктор Гесс источник фото

Изначально ученый предполагал, что источником ионизации является радиоактивное излучение земной поверхности. Но после обнаружения факта, что на вершине Эйфелевой башни скорость ионизации выше, чем у ее подножия, стало ясно, что излучение земной коры тут роли не играет. Гессом были созданы приборы, способные выдержать перепады температуры и давления, которые неизбежно возникают при высотных запусках. Упорство ученого принесло свои плоды, когда при подъеме детектора на аэростате было обнаружено, что скорость ионизации с растет с высотою - на высоте 5 км она выросла в несколько раз по сравнению с уровнем моря.


источник фото

Свое открытие он интерпретировал следующим образом: из космоса к Земле приходит излучение, проникающее через атмосферу Земли (и стенки сосуда), которое и вызывает ионизацию газа. В том, что Солнце не является основным источником обнаруженного излучения Гесс убедился благодаря ночным запускам аэростатов, полученные во время которых результаты также показывали возрастание уровня радиации в верхних слоях атмосферы. Работу Гесса оценили высоко- за открытие космических лучей он был удостоен Нобелевской премии по физике 1936 года. (хотя космическими лучами новое излучение назвал не Виктор Гесс, а Роберт Милликен, изучавший поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения и обнаруживший, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение радиоактивных ядер).


Роберт Милликен источник фото

Отступление 2. Разумеется, протоны и ядра это далеко не все излучения, приходящих на Землю из космоса, еще есть электроны, позитроны, антипротоны, нейтрино, рентген и гамма-кванты, различные электромагнитные излучения. Но их поток существенно меньше, и в данной статье мы сосредоточим свое внимание на ГКЛ - галактических космических лучах.

Галактические космические лучи отличаются от Солнечных Космических Лучей (не путать с просто солнечными лучами) прежде всего происхождением, а еще энергией. Солнце также является источником КЛ, и потоки СКЛ во время солнечных вспышек могут достигать больших значений, однако характерная величина их энергии, как правило, не превосходит нескольких гигаэлектрон-Вольт (ГэВ), тогда как ГКЛ имеют энергии в очень широком диапазоне энергий от одного до миллиардов ГэВ. При энергиях ниже 10 ГэВ/нуклон интенсивность галактических космических лучей в солнечной системе обратно пропорциональна уровню солнечной активности. Такая зависимость вызвана влиянием на ГКЛ меняющимся в течение 11-летнего цикла межпланетного магнитного поля в гелиосфере (данный факт будет для нас весьма важен при рассмотрении КЛ как связующего звена между солнечной активностью и процессами на Земле, а пока просто запомните эту картинку).

11.png
источник

На следующей картинке показана распространенность разных химических элементов в космических лучах (тёмные символы) и в Солнечной системе (светлые символы).

http://www.kosmofizika.ru/abmn/kalmikov/fig/f1.jpg
источник

Не трудно заметить, что в ГКЛ содержание лёгких ядер - литий, бериллий, бор - на много порядков превосходит их распространенность в Солнечной системе. Кроме того, в ГКЛ присутствует значительно больше тяжёлых ядер по сравнению с их естественной распространённостью, что накладывает определенные условия на теории происхождении ГКЛ.

Вообще, вопрос о происхождении КЛ на до сих пор не закрыт. И чем выше их энергия, тем ситуация хуже - если с солнечными космическими лучами все более-менее ясно (хотя точные механизмы, в также локализация областей ускорения частиц во вспышках тоже до сих неясны), есть хотя и не до конца подтвержденные теории ускорения ГКЛ высоких энергий, то с объяснением ускорения ГКЛ сверхвысоких энергий пока плохо.

В конце 1950-х годов прошлого века Виталий Гинзбург и Сергей Сыроватский пришли к выводу, что источником основной части ГКЛ следует считать взрывы сверхновых в нашей Галактике. В итоге теория преобразования энергии взрыва сверхновой в энергию космических лучей при ускорении элементарных частиц ударными волнами в расширяющихся оболочках сверхновых в сегодня стала общепринятой, хотя окончательного экспериментального подтверждения она так и не получила.

Еще хуже обстоят дела с происхождением ГКЛ сверхвысоких энергий. Несмотря на десятилетия исследований, их точное происхождение остается неизвестным. Исследования последних лет показывают, что существенная доля космических лучей сверхвысоких энергий ускоряется в удаленных астрофизических объектах. Каких именно, будем надеяться, покажут дальнейшие исследования.

http://nuclphys.sinp.msu.ru/students/Cosmic%20ray/images/cr08.jpg
Сталкивающиеся галактики Мышки как возможный источник ГКЛ сверхвысоких энергий
источник

Подробнее об известных на сегодняшний день механизмах ускорения космических лучей можно прочесть, например здесь.

Продолжение следует,
с уважением к дочитавшим до конца
Ваша Кошка- @maksina

vp-cosmosкосмические-лучиpsk
801
8284.203 GOLOS
0
В избранное
vp-cosmos
Космос - от атома до Вселенной
801
0

Зарегистрируйтесь, чтобы проголосовать за пост или написать комментарий

Авторы получают вознаграждение, когда пользователи голосуют за их посты. Голосующие читатели также получают вознаграждение за свои голоса.

Зарегистрироваться
Комментарии (5)
Сортировать по:
Сначала старые