Космические лучи

      Земля постоянно бомбардируется заряженными частицами высокой энергии, приходящими из межзвёздного пространства — Космические лучи. Космические лучи напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы которого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвёздной и межпланетной сред и воздействие космических магнитных полей.

      Космические лучи, поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами (вторичное излучение), в котором встречаются практически все известные элементарные частицы.

      Космические лучи — уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий, позволяющих изучать процессы превращения элементарных частиц и их структуру. Наряду с этим космические лучи дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы большого масштаба, связанные с ускорением и распространением частиц космического излучения в межпланетной, межзвёздной, а возможно, и в межгалактической среде. Большинство частиц первичного космического излучения имеет энергию больше 10⁹эв (1 Гэв), а энергия отдельных частиц достигает 10²⁰—10²¹эв (а может быть, и выше). До создания мощных ускорителей заряженных частиц Космические лучи были единственным источником частиц высоких энергий. В Космические лучи были впервые обнаружены многие неизвестные ранее элементарные частицы и получены первые данные об их распадах и взаимодействиях с атомными ядрами.

      Подавляющая часть первичных космических  лучей приходит к Земле извне Солнечной системы — из окружающего её галактического пространства (Галактики), т. н. галактические Космические лучи, и лишь небольшая их часть, преимущественно умеренных энергий (<1 Гэв), связана с активностью Солнца, т. н. солнечные космические лучи Однако в периоды высокой солнечной активности могут происходить кратковременные сильные возрастания потоков солнечных космических лучей в межпланетном пространстве.

      В составе космических лучей преобладают  протоны, имеются также электроны, ядра гелия и более тяжёлых  элементов (вплоть до ядер элементов с Z ~ 30). Электронов в космических лучах в сотни раз меньше, чем протонов (в одном и том же диапазоне энергий).

      Особенности космических лучей:

1. Частицы космических лучей обладают огромными кинетическими энергиями (вплоть до Е_кин ~ 10²¹ эВ).

2. Хотя суммарный поток космических лучей у Земли невелик [всего~1 частица/(см²-с)], плотность их энергии (около 1 эВ/см³) сравнима (в пределах нашей Галактики) с плотностью энергии суммарного электро-магнитного излучения звёзд, энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетической энергии его турбулентных движений, а также с плотностью энергии магнитного ноля Галактики.

3. Энергия космических лучей имеет нетепловое происхождение. Действительно, даже при температуре ~10⁹ К, по-видимому, близкой к максимальной для звёздных недр, средняя энергия теплового движения частиц ~ 3-10⁵ эВ. Основное же количество частиц космических лучей, наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 10эВ и выше. Это означает, что космические лучи приобретают энергию в специфических астрофизических процессах электро-магнитной и плазменной природы.

      Существование космических лучей было установлено в 1912 В. Гессом по производимой им ионизации молекул воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение. Наблюдения следов частиц космических лучей в камере Вильсона , помещенной в поле лабораторного магнита, и отклонения их в магнитном поле Земли с помощью газоразрядных счётчиков, поднимаемых в стратосферу на баллонах (С. Н. Вернов и Р. Милликен, 1935—37), доказали, что первичные Космические лучи представляют собой поток заряженных частиц, в основном протонов (ядер атомов водорода). Только потом было обнаружено, что в сотсав космических лучей входят и другие более тяжелые элементы. (рис. 1).

Рис. 1. Следы  ядер первичных космических 

лучей в ядерной  фотоэмульсии (Z — атомный номер

 химического элемента).

      Основным источником Космические лучи считаются взрывы сверхновых звёзд. При каждом таком взрыве происходит расширение с огромной скоростью оболочки звезды и возникают ударные волны в плазме, приводящие к ускорению заряженных частиц до энергий ~ 10¹⁵эв и выше. Главным экспериментальным доводом в пользу гипотезы происхождения Космические лучи от взрывов сверхновых явилось впервые прямое радиоастрономическое наблюдение частично поляризованного радиоизлучения от Крабовидной туманности (1957), возникшей в результате взрыва в 1054 сверхновой, сравнительно близкой к Солнечной системе.

      Методами радиоастрономии были зарегистрированы ещё более мощные источники космических лучей (точнее, их электронной компоненты), находящиеся далеко за пределами нашей Галактики. Такими источниками являются, в частности, интенсивно излучающие квази звёздные объекты малой протяжённости — квазары, ядра некоторых галактик, испытывающие резкое расширение взрывного типа, а также радиогалактики с характерными для них мощными выбросами вещества (сопровождающимися радиоизлучением в масштабе целых галактик).

      Важную  дополнительную информацию об источниках и возрасте Космические лучи дают исследования ядерного состава Космические лучи Из небольшого относительного содержания в Космические лучи ядер Be следует, что радиоактивный изотоп ¹⁰Ве (среднее время жизни которого около 2 млн. лет) успевает практически полностью распасться, откуда получается оценка верхнего предела возраста Космические лучи 20—50 млн. лет. Примерно того же порядка (10—30 млн. лет) оценки получаются из относительного содержания группы лёгких ядер (Li, Be, В) в целом, а также по среднему времени, которое требуется электронам Космические лучи для диффузного распространения от внутригалактических источников до границ Галактики. Анализ состава сверхтяжёлой ядерной компоненты (Z > 70) даёт средний возраст Космические лучи не более 10 млн. лет.