Когда говорят о космосе, мы в основном представляем себе массивные объекты: звёзды, планеты, туманности. А космические лучи вы видите в этом образе? Нет. А они там есть. Какие частицы движутся к нам сейчас, откуда они держат путь, как рождаются и могут ли навредить людям, рассказала Анна Махалова, студентка ФизМеха Политеха Петра, член университетского сообщества PCPS.
Что такое космические лучи?
Кроме электромагнитного излучения и гравитационных волн, на Землю каждую секунду прилетает множество космических частиц. Их называют космическими лучами.
Они были открыты в 1912 г. австрийским физиком Виктором Гессом с помощью ионизационной камеры на воздушном шаре.
Максимальные энергии космических лучей ~3*10^20 эВ, т.е. на несколько порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителям на встречных пучках. Поэтому изучение космических лучей играет важную роль не только в физике космоса, но также и в физике элементарных частиц. Некоторые элементарные частицы впервые были обнаружены именно в космических лучах (позитрон — К. Д. Андерсон, 1932 г.; мюон (μ) — К. Д. Андерсон и С. Неддермейер, 1937 г.; пион (π) — С. Ф. 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.
Откуда берутся космические лучи?
Частицы с энергией ниже 2·10^10 эВ поставляются Солнцем — они называются солнечными космическими лучами.
Частицы более высоких энергий, вплоть до 10^17–10^18 эВ, рождаются в Галактике во взрывах сверхновых — 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 источник космических лучей ультравысоких энергий до сих пор не обнаружен.
Космические лучи, не искаженные взаимодействием с атмосферой Земли, называют первичными.
Как исследуют космические лучи ультравысоких энергий?
Космические лучи регистрируют детекторы на наземных установках, а затем при помощи пакетов специальных программ определяется энергия частиц, откуда они прилетели и другие характеристики. Теперь, дополнительно к этому способу, данные о космических лучах получают, используя приборы, размещенные на борту спутников.
Откуда у космических частиц столько энергии?
После многолетних исследований выяснилось: во-первых, «природные ускорители» расположены вне Млечного Пути, а во-вторых, их можно изучать астрономическими методами.
Галактики различаются по внешнему виду, размеру, интенсивности звездообразования, по соотношению старых и молодых звезд. По этим признакам их и классифицируют астрономы. Но они различаются еще и характеристиками своей центральной части. Там сосредоточена повышенная концентрация звезд и межзвездного вещества — газа и пыли. Эта часть галактики компактна. Её называют ядром галактики. Причина сгущения вещества в ядре — гравитация.
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. Такие ядра называются активными, или нестационарными. Эти процессы невозможно объяснить высокой плотностью звезд и межзвездного вещества.
Сейчас 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. Граница, отделяющая ту область вокруг черной дыры, из которой ничего не возвращается, называется горизонтом черной дыры, или горизонтом событий. Никакие сигналы или тела, находящиеся внутри горизонта событий, не могут выйти из черной дыры.
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 скорость. Поэтому между слоями газа возникает трение, и оно превращает кинетическую энергию газа в тепло. В результате диск разогревается до такой высокой температуры, что испускает излучение в широком спектре: от радиоволн до рентгеновских и гамма-лучей.
Что происходит с космическими лучами, когда они летят во Вселенной?
Покинув свой «ускоритель» — активное ядро галактики — космические лучи затем вылетают из неё и отправляются в тур по космосу. Те из частиц, которые достигают Земли, преодолевают огромные расстояния в десятки и сотни миллионов световых лет.
Галактики распределены во Вселенной редко, на больших расстояниях друг от друга, и их размеры очень малы по космическим масштабам. Поэтому весь или практически весь путь космических лучей пролегает по межгалактическому пространству.
Глаз, не вооруженный приборами, воспринимает межгалактическое пространство как абсолютно пустое и темное. Но это не так. В межгалактическом пространстве летят фотоны разных энергий. Часть из них — излучение звезд в галактиках. Другие остались от времен рождения Вселенной, и эти фотоны так и называются — реликтовые. Есть в межгалактическом пространстве и молекулы газа и пыли, и магнитные поля, но о них мы рассказывать не будем.
Космические частицы взаимодействуют с фотонами, и это приводит к двум эффектам:
Изменение исходной формы спектра космических лучей. В спектре у Земли по сравнению с исходным спектром не достает частиц самых высоких энергий, около 10^20 эВ и выше. Происходит это по следующей причине: когда космические лучи самых высоких энергий летят на нашу планету 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 в межгалактическом пространстве, частицы ультравысоких энергий переходят в ряды космических лучей с меньшими энергиями. В результате их энергетический спектр изменяется по сравнению с исходным спектром.
Рождение межгалактических каскадов — эффект, появляющийся в результате взаимодействия космических лучей с фотонами в космосе. Элементарные частицы, которые рождаются во взаимодействиях частиц с реликтовыми фотонами, живут недолго и дают начало электронам, позитронам и квантам. 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.
Опасны ли космические лучи для человека?
Хоть частицы из космоса могут выводить из строя технику на орбите, для человека они не представляют особой опасности.
Нас от космических лучей надежно защищает атмосфера Земли и Солнце. Чем выше активность Солнца, тем меньше космических лучей попадает к нам из Галактики и внегалактического пространства.
Впрочем, некоторое количество радиации из космоса попадает на Землю: космические лучи все-таки создают небольшой уровень радиоактивности.
Однако опаснее была бы обратная история: если бы космических лучей вдруг не стало. Это привело бы к эффекту дистиллированной воды, то есть полному исчезновению естественного радиоактивного фона. Такое обстоятельство, конечно, уменьшило бы количество мутаций в нашей ДНК, но, как известно, мутации бывают не только вредными, но и полезными. В конце концов, это важная часть человеческой эволюции.
📌 Источник: журнал политехнического сообщества студентов-физиков (PCPS) Post Script.
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы мыслить в космических масштабах!
Что ещё почитать?
