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).

источник

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

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.

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