Галактические космические лучи - Галактические космические лучи
КЛ используются для изучения ядерных взаимодействий частиц. В области высоких энергий, которые пока недостижимы на современных ускорителях, космические частицы являются единственным средством изучения ядерных процессов. Для изучения взаимодействий КЛ высоких энергий ( E?1015 эВ) с веществом используются ионизационные калориметры. Эти приборы, впервые предложенные Н. Л. Григоровым с сотрудниками, представляют собой несколько рядов детекторов - ионизационных камер или сцинтилляционных счетчиков, между которыми расположен поглотитель из свинца или железа. На верхней части калориметра помещается мишень из легкого вещества - углерода или алюминия. Частица, падающая на поверхность ионизационного калориметра, взаимодействует с ядром мишени, образуя вторичные частицы. Их число сначала возрастает, достигая некоторого максимального значения, и затем постепенно убывает по мере продвижения в тело калориметра. Детекторы измеряют ионизацию под каждым слоем поглотителя. По кривой зависимости степени ионизации от номера слоя можно определить энергию попавшей в калориметр частицы. Этими приборами впервые в мире был измерен спектр первичных КЛ в диапазоне энергий от ~1011 до ~1014 эВ. КЛ в диапазоне энергий 1011<E<3-1015 эВ имеют галактическое происхождение, их энергетический спектр можно описать степенным законом J(E)=J0 E-2,75.
Для изучения характеристик ядерных взаимодействий КЛ очень больших энергий необходимы установки с большой площадью регистрации, так как поток высокоэнергичных частиц крайне мал. Их называют рентгеновскими камерами. Это приборы с площадью поверхности до нескольких сотен квадратных метров, состоящие из рядов рентгеновских пленок, перемежающихся слоями свинца. В результате взаимодействия КЛ с частицами воздуха образуются мезоны, часть из которых затем размножается в свинце, оставляя пятна на рентгеновской пленке. По числу и величине этих пятен, плотности их потемнения и по расположению в разных слоях определяется энергия взаимодействующей частицы и направление ее прихода.
Рис. 2. Схема ливня частиц, падающего на установку под углом и к вертикали
Для изучения КЛ с энергиями выше 1014 эВ используется свойство частиц высоких энергий создавать очень много вторичных частиц, в основном протонов и пионов, в результате взаимодействия первичной частицы с ядрами атомов в атмосфере. Обладающие достаточно высокой энергией протоны и пионы в свою очередь являются ядерно-активными частицами и вновь взаимодействуют с ядрами атомов воздуха. Как заряженные ( р±), так и нейтральные ( р0) пионы - это нестабильные частицы со временем жизни t?10-16 с для покоящегося р0 и t?2,6-10-8 с для покоящихся р±. Пионы сравнительно малых энергий не успевают вступить во взаимодействие с ядром атома воздуха и могут распасться на г-кванты, положительные и отрицательные мюоны ( м±), нейтрино ( н) и антинейтрино (н-): р0> г + г ; р±> м± + н +н-. Мюоны также являются нестабильными частицами со временем жизни для покоящегося мюона t?2,2-10-6 с и распадаются по схеме м±> e± + н + н-. Гамма-кванты и электроны (позитроны) за счет электромагнитного взаимодействия с атомами воздуха дают новые гамма-кванты и электроны. Таким образом в атмосфере образуется каскад частиц, состоящий из протонов, нейтронов и пионов (ядерный каскад), электронов (позитронов) и г-квантов (электромагнитный каскад). Впервые ливни наблюдал Д. В. Скобельцын в конце 20-х годов.
Каскады в атмосфере, вызываемые частицами больших энергий и занимающие обширные площади, получили название широких атмосферных ливней. Они были открыты французским физиком П. Оже и его сотрудниками в 1938 году. Высокоэнергичная космическая частица образует ливень с огромным числом вторичных частиц, так, например, частица с E=1016 эВ в результате взаимодействий с атомами воздуха вблизи поверхности Земли порождает примерно 10 млн вторичных частиц, распределенных на большой площади.
Хотя поток высокоэнергичных КЛ, падающих на границу земной атмосферы, крайне мал, широкие атмосферные ливни занимают значительные площади и могут быть зарегистрированы с высокой эффективностью. Для этой цели на поверхности земли размещаются детекторы частиц на площади в десятки квадратных километров, причем регистрируются только те события, в которых срабатывает сразу несколько детекторов. Широкий атмосферный ливень можно упрощенно представить в виде диска частиц, движущегося в атмосфере. На рис. 2 показано, как такой диск частиц широкого атмосферного ливня падает на детекторы регистрирующей установки. В зависимости от энергии космической частицы размер диска (поперечный размер ливня) может составлять от нескольких десятков метров до километра, а его толщина (продольный размер или фронт ливня) - десятки сантиметров. Частицы в ливне движутся со скоростью, близкой к скорости света. Число частиц в ливне существенно уменьшается при переходе от центра диска к его периферии. Поперечный размер широкого атмосферного ливня и число частиц в нем увеличивается с ростом энергии первичной частицы, которая образует этот ливень. Самые большие наблюдаемые на сегодняшний день ливни от первичных частиц с E?1020 эВ содержат несколько миллиардов вторичных частиц. Измеряя многими детекторами пространственное распределение частиц в ливне, можно найти их полное число и определить энергию первичной частицы, которая данный ливень образовала. Поток частиц с энергиями E?1020 эВ очень мал. Например, на 1 м2 на границе атмосферы за 1 млн лет падает лишь одна частица с E?1019 эВ. Для регистрации столь малых потоков необходимо иметь большие площади, покрытые детекторами, чтобы зарегистрировать достаточное количество событий за разумное время. На гигантских установках по регистрации широких атмосферных ливней было "поймано" несколько частиц, имеющих энергии свыше 1020 эВ (максимальная зарегистрированная в настоящее время энергия частицы равна ~3-1020 эВ).
Существуют ли КЛ более высоких энергий? В 1966 году Г. Т. Зацепин, В. А. Кузьмин и американский физик К. Грейзен высказали предположение, что спектр КЛ при энергиях E>3-1019 эВ должен обрезаться из-за взаимодействия высокоэнергичных частиц с реликтовым излучением Вселенной. Регистрация нескольких событий с энергией E?1020 эВ может быть объяснена, если предположить, что источники этих частиц удалены от нас на расстояния не более 50 Мпк. В этом случае взаимодействий КЛ с фотонами реликтового излучения практически не будет из-за малого количества фотонов на пути частицы от источника к наблюдателю.
В области высоких энергий КЛ наблюдается несколько особенностей.
- 1) Спектр КЛ испытывает излом при E?1015 эВ. Показатель наклона спектра КЛ до излома г?2,75, для частиц больших энергий спектр становится круче, г?3,0. Эта важная особенность в спектре КЛ была открыта С. Н. Верновым и Г. Б. Христиансеном при изучении спектра широких атмосферных линий. Наблюдаемый излом в спектре при таких больших энергиях может быть вызван более быстрым выходом КЛ из нашей Галактики по сравнению с частицами меньших энергий или может быть обусловлен изменением природы их источников. Возможно также изменение химического состава КЛ в области излома. 2) При энергии частиц E?1018 эВ спектр КЛ становится еще круче, г?3,3. Это вызвано, по-видимому, тем фактом, что в данном диапазоне энергий КЛ преимущественно метагалактического происхождения, их спектр имеет другой наклон. 3) Спектр частиц с E>1019 эВ становится более пологим, г?3,3. Этот эффект вызван взаимодействием КЛ, имеющих энергии E>1019 эВ, с реликтовыми фотонами, в процессе которого КЛ теряют часть своей энергии и переходят в область меньших энергий, что делает спектр частиц более пологим. 4) Спектр КЛ с энергиями свыше 1020 эВ может быть получен лишь после длительных наблюдений, когда будет зарегистрировано достаточное количество событий с такими экстремальными энергиями. Для того чтобы существенно увеличить число случаев регистрации широких атмосферных ливней от частиц с энергиями E>1019 эВ, в ближайшие годы планируется построить три гигантские установки с детекторами, размещенными на площади более 1000 км2. С их помощью ученые надеются получить ответ на вопрос о спектре КЛ в области сверхвысоких энергий и о максимально возможной энергии космических частиц.
КЛ сверхвысоких энергий будут удерживаться в Галактике ее магнитными полями, если радиус кривизны траектории частицы много меньше размеров Галактики. Используя соотношение между энергией частицы (E, эВ), ее радиусом кривизны ( r?1022 см - размер Галактики) и напряженностью магнитного поля ( H?10-6 Э), E= 300Hr, получим максимальную энергию КЛ, которые могут удерживаться в нашей Галактике: EMax?1018 эВ.
Похожие статьи
-
Гамма-астрономия высоких и сверхвысоких энергий - Галактические космические лучи
КЛ образуются не только при взрывах сверхновых звезд. Источниками КЛ могут быть и другие космические объекты (пульсары, квазары и пр.). Можно с большой...
-
Галактические космические лучи
Космические лучи, которые постоянно регистрируются на Земле, поступают из источников в нашей Галактике, пока энергии ниже 1015-1018 эВ. Это вытекает из...
-
Космический мусор - это все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить...
-
Сущность метеоритов и комет - Чрезвычайные ситуации космического характера
Метеорит -- твердое тело космического происхождения, упавшее на поверхность Земли. Большинство найденных метеоритов имеют вес от нескольких граммов до...
-
Основные требования, предъявляемые планетарным карантином (ПК) к космическим полетам, заключается в максимальном снижении вероятности загрязнения планеты...
-
Температура - Факторы космического полета
Влиянию на человека низких и высоких температур посвящено много исследований в нашей стране и за рубежом. При умеренных колебаниях температуры внешней...
-
Звезды, у которых масса в 1,5-3 раза больше, чем у Солнца не смогут в конце жизни остановить свое сжатие на стадии белого карлика. Мощные силы гравитации...
-
Около семи тысяч лет назад в отдаленном уголке космического пространства внезапно взорвалась звезда, сбросив с себя наружные слои вещества. Сравнительно...
-
Классификация, объемы и области накопления космического мусора - Экология космоса. Космический мусор
Объектами риска называются все объекты, которые могут доставить массу неприятностей. Основной мусор летает на орбитах значительно выше, чем МКС. Именно...
-
Введение - Галактические космические лучи
Конец XIX - начало XX века ознаменовались новыми открытиями в области микромира. После открытия рентгеновских лучей и радиоактивности были обнаружены...
-
Примерно 70% галактик имеет спиральную структуру [10,11]. Спиральная структура галактик образуется образуется спиральными волнами плотности, возникающими...
-
Третья группа факторов - Факторы космического полета
Третью группу составляют факторы, которые связаны с пребыванием человека в герметической кабине космического корабля в полете: искусственная атмосфера...
-
Более 20 лет работают на околоземных орбитах специализированные спутники с УФ телескопами на борту, проводя астрономические наблюдения. Их инструменты...
-
Космическое излучение - Факторы космического полета
Верхние слои атмосферы нашей планеты непрерывно бомбардируются потоками атомных ядер, движущимися с огромными скоростями и носящими название космического...
-
Математическое описание модели Модель "Radiocity" Расчет излучения в результате переотражения элементами космического аппарата друг на друга выполнятся с...
-
Влияние ракет на озоновый слой - Влияние пусков ракет космического назначения на экологию Земли
Озон разрушается под воздействием водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания ракетных топлив, и вследствие других процессов, происходящих под...
-
Итак, чем же грозит космос? - Чрезвычайные ситуации космического характера
В числе природных катастроф особое место принадлежит космогенным катастрофам, учитывая их крупные масштабы и возможность тяжелых экологических...
-
Сценарий Большого взрыва - Космические тела
Как и любая схема, претендующая на объяснение данных о спектре микроволнового космического излучения, химического состава догалактического вещества и...
-
Солнечные космические лучи - Галактические космические лучи
Солнце само также является источником солнечных космических лучей (СКЛ). СКЛ - это заряженные частицы, ускоренные во вспышечных процессах на Солнце до...
-
Эволюция звезд - Космические тела
Как и все тела в природе, звезды не остаются неизменными, они рождаются, эволюционируют, и, наконец "умирают". Чтобы проследить жизненный путь звезд и...
-
Опасность, исходящая от космического мусора - Опасности космоса
Если раньше космическое пространство будоражило землян исключительно романтикой приключений с волнующим ощущением непознанности, то в наше время космос...
-
. Более 20 лет работают на околоземных орбитах специализированные спутники с УФ телескопами на борту, проводя астрономические наблюдения. Их инструменты...
-
Зависимость направления неустойчивости от координат X, Y КА образует поверхность, проекции которой представлены на рис. 36-38. Рис. 36. Точки, для...
-
Космические лучи, Межзвездное магнитное поле - Газопылевые комплексы. Межзвездная среда
Космимческие лучим -- элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве. Их основным (но не единственным)...
-
Государство Описание разработки Принцип работы США Для решения проблемы вывода с орбиты Это -- электродинамический фал. Он Отработавшего Спутника...
-
Подсистема связи КА, Общие сведения о подсистеме связи - Космические аппараты
Общие сведения о подсистеме связи Подсистема связи, иначе именуемая командно-траекторно-телеметрической подсистемой является интерфейсом между...
-
При полете в ионосфере основным продуктом сгорания тяжелых ракет-носителей, работающих обычно на кислородно-водородном топливе, является вода. Учитывая...
-
Интерполяция направления неустойчивости - Космический аппарат
Зависимость направления неустойчивости от координат X, Y КА образует поверхность, проекции которой представлены на рис. 36-38. Рис. 36. Точки, для...
-
Радиоинтерферометры с угловым разрешением в тысячные доли секунды дуги "заглянули" в самые внутренние области наиболее мощных "радиомаяков" Вселенной --...
-
Наблюдаемыми объектами радиоинтерферометрической сети являются естественные и искусственные космические радиоисточники. Научные задачи подразумевают...
-
В отличие от других природных катастроф (землетрясений, извержений вулканов, наводнений и др.) падение крупных тел на Землю можно заранее предвычислить...
-
Квазары и пульсары - Космические тела
Во Вселенной существует не малое количество объектов, заслуживающих к себе внимания своим необычным поведением. Дело в том, что в середине XX века с...
-
Черные дыры - Космические тела
Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося после...
-
Космические характеристики, Магнитосфера - Планета Сатурн
Сатурн гексагон планета кольцо При пролете около Сатурна АМС "Вояджер-1" обнаружила явления, которые, по-видимому, представляют собой интенсивные...
-
" Наука совершенствуется опытом " Фрэнсис Бэкон (1561 - 1626) Все существующие космические летательные аппараты передвигаются за счет инерции,...
-
Работы над многоразовым орбитальным кораблем были начаты в 1974 году в рамках подготовки "Комплексной программы НПО "Энергия". Это направление работ было...
-
Опасность, исходящая от космических лучей - Опасности космоса
Космический опасность астероид земля Космические лучи - это элементарные заряженные частицы, с колоссальной скоростью движущиеся в магнитных и...
-
Космический лифт Идею космического лифта впервые описал в своих трудах русский ученый - Константин Циолковский. В 1895 г. он предложил возвести...
-
Здесь рассматривается межорбитальная транспортная система по своему построению аналогичная той, что исследована в работах [1, 2], однако дополнительно...
-
Необходимость разработки принципиально новых средств межорбитальной транспортировки (СМТ) связана со следующими причинами: размещением значительной части...
Галактические космические лучи - Галактические космические лучи