Источники космических лучей - Вселенная - От плоской Земли до квазаров

Вселенная

От плоской Земли до квазаров
Главная


Земля


Солнечная система


Звезды


Галактика


Размеры Галактики


Другие галактики


Возраст Земли


Энергия Солнца


Типы звезд


Эволюция звезд


Взрывы звезд


Эволюция галактик


Удаляющиеся галактики


Наблюдаемая Вселенная


Начало Вселенной


Бомбардировка частицами


Фотоны большой энергии


Радиоастрономия


Окраины Вселенной



Источники космических лучей
Но откуда берутся космические лучи? И что сообщает некоторым из них такую невероятную энергию?
Логически рассуждая, таким источником можно было бы считать Солнце. Но идея о Солнце как о главном их источнике была отброшена в самом начале, так как космические лучи приходят к Земле одинаково со всех сторон— с направления, противоположного Солнцу, в том же количестве, что и с направления от Солнца. Даже предположив, будто космические лучи, возникающие на Солнце, отклоняются магнитным полем Земли настолько, что некоторые оказываются на обратной ее стороне, все же невозможно представить себе, чтобы конечным результатом такого отклонения было столь равномерное их распределение по всей Земле. Следовательно, источник их должен находиться где-то вне солнечной системы. Однако равномерное распределение космических лучей не давало возможности связать их с какими-либо конкретными объектами во Вселенной.
И все же Солнце тоже нельзя было совсем сбрасывать со счета.
Солнце светит не абсолютно ровно и постоянно. На его поверхности возникают солнечные пятна — области с относительно более низкой температурой, которые поэтому на фоне более горячих и ярких соседних областей кажутся черными. Эти солнечные пятна связаны с магнитными полями, и энергия таких полей может проявляться в чрезвычайно бурной форме.
Одно из таких проявлений — это солнечные вспышки, внезапное увеличение яркости в области неправильной формы вблизи солнечного пятна. Первым о солнечной вспышке сообщил в 1859 г. английский астроном Ричард Кристофер Кэррингтон (1826—1875). Он полагал (в согласии с принятой тогда гипотезой Гельмгольца), что внезапная вспышка на Солнце была вызвана падением большого метеорита. Однако почти немедленно после его наблюдения поступили известия о странном поведении стрелки компаса, а полярные сияния стали особенно яркими.
С тех пор была твердо установлена связь между такими магнитными бурями и солнечными вспышками. Правда, бури порождаются не каждой вспышкой, а лишь такой, которая происходит более или менее в центре солнечного диска, а потому нацелена прямо на нас. Очевидно, гигантской энергии вспышки достаточно для того, чтобы выбросить в пространство значительное количество субатомных частиц. Поскольку вспышки и другие процессы, связанные с выделением энергии, происходят на поверхности Солнца постоянно, мы можем считать, что Солнце окружено облаком заряженных частиц высоких энергий, которые разлетаются во всех направлениях. Это солнечный ветер.
К 1958 г. эксперименты с ракетами доказали реальное существование этого солнечного ветра. Скорость, с которой поток частиц уносится от Солнца, может достигать 720 км/сек, и запасы кинетической энергии таких частиц огромны. Еще десять лет назад, например, считалось, что хвосты комет обращены от Солнца из-за давления на составляющие их крохотные частицы солнечного света. По-видимому, это не так, и основная причина тут — солнечный ветер.
Естественно, заряженные частицы солнечного ветра, приближаясь к Земле, вступают во взаимодействие с ее магнитным полем. Как предсказал в 1957 г. греческий физик-любитель (а ныне профессиональный физик) Николай Христофилос, заряженные частицы, составляющие ветер, должны отклоняться магнитными силовыми линиями и двигаться вокруг них по спирали от северного магнитного полюса к южному и обратно, способствуя образованию вокруг Земли, далеко за пределами ее атмосферы, области повышенной плотности заряженных частиц, по форме напоминающей бублик. Сначала к этому отнеслись несерьезно (отчасти потому, что Христофилос был любителем), но в 1958 г. исследования с помощью ракет, проводившиеся под руководством американского физика Джеймса Альфреда Ван Аллена (род. в 1914 г.), доказали реальное существование таких областей. Их назвали радиационными поясами, а позже за ними закрепилось название области захваченной радиации.
Эта область под воздействием солнечного ветра приобретает каплевидную форму. В направлении Солнца у нее образуется пологое закругление, а с противоположной стороны вытягивается длинный хвост.
Направленная на нас солнечная вспышка вызывает местное усиление солнечного ветра, своего рода буран заряженных частиц, которые обрушиваются на нас и переполняют область захваченной радиации. Особенно обильно обрушиваются частицы на полярные области Земли, усиливая полярные сияния и так искажая магнитное поле, что стрелки компасов «сходят с ума». Однако с практической точки зрения в наши дни гораздо важнее тот факт, что солнечные вспышки изменяют свойства области верхней атмосферы, в которой при обычных условиях велика концентрация электрических зарядов в форме ионов (эта область называется ионосферой). В результате магнитных бурь серьезно расстраивается работа радиоаппаратуры и вообще всех приборов, как-то связанных с использованием ионосферы.
Энергия частиц солнечного ветра, естественно, меняется в зависимости от размеров и силы вспышки. А если произойдет очень большая вспышка? Такая вспышка произошла в 1942 г. и за ней почти сразу последовало усиление потока космических лучей. С тех пор такие явления наблюдались не раз и стало ясно, что Солнце все-таки может служить одним из источников космического излучения, по крайней мере иногда. Эти солнечные космические лучи «мягкие», т.е. их энергия относительно низка от 0,5 до 2 Гэв. Но суть дела от этого не меняется.
А может быть, космические лучи вообще возникают на звездах при вспышках или иных процессах? Возможно, пока космические лучи несутся через гигантские межзвездные пространства, местные магнитные поля снова и снова отклоняют их, так что уже ничего нельзя сказать об их первоначальном направлении. Тогда в конце концов направление их движения станет настолько случайным, что они будут поступать равномерно со всех сторон, не показывая возрастания интенсивности в плоскости Млечного Пути, где расположено большинство звезд.
Этого объяснения не вполне достаточно. Если бы вклад всех звезд в создание космических лучей был одинаков, Солнце, которое намного ближе к нам, чем все остальные звезды, полностью затмевало бы их, как оно затмевает их свет. В этом случае поток космических лучей был бы гораздо интенсивнее со стороны Солнца, а на самом деле этого нет.
Отсюда следует, что некоторые звезды являются намного более мощными источниками космических лучей, чем Солнце. Например, существуют некоторые переменные звезды, чьи изменения объясняются периодическими сериями больших вспышек. Возможно, такие «вспыхивающие звезды» являются очень мощными источниками. И, конечно, не следует забывать о Сверхновых.
Поток космических лучей от таких необычных членов Галактики может полностью перекрыть ничтожные поступления от обычных звезд, в том числе и от близкого к нам Солнца.
Но это по-прежнему оставляет нерешенной проблему колоссальных энергий, которой обладают частицы космических лучей. Если Солнце способно придавать частицам энергию в 1 Гэв, не удивительно, что Сверхновые могут придавать им гораздо большие энергии, но миллиарды Гэв? Ни одна из известных нам ядерных реакций даже в самой горячей и бешено пылающей Сверхновой как будто не способна производить частицы с такой энергией, какую имеют многие частицы космических лучей.
Однако должны ли эти частицы обладать такой энергией уже в момент образования? В 1951 г. американский физик, итальянец по национальности, Энрико Ферми (1901 —1954) рассмотрел другую возможность. Предположим, что частицы космических лучей при своем возникновении обладают вполне скромным уровнем энергии в несколько Гэв, но что под воздействием магнитного поля Галактики движение этих частиц ускоряется и их энергия увеличивается.
Этот предполагаемый процесс аналогичен тому, который происходит в созданных человеком циклотронах — приборах, которые заставляют заряженные частицы нестись под воздействием магнитного поля по кругу, добавляя им при каждом обороте дополнительную энергию. По мере того как частицы накапливают энергию, магнитное поле отклоняет их все меньше и меньше, и в конце концов они уже не могут оставаться в камере циклотрона и «выстреливаются» наружу с высокими энергиями.
Напряженность магнитного поля, создаваемого человеком, намного выше, чем напряженность магнитного ноля Галактики, но зато протяженность последнего исчисляется многими тысячами световых лет. Частицы космических лучей ускоряются очень медленно, но за миллиарды лет они накапливают огромную энергию.
В любой точке своего полета такие космические частицы могут столкнуться с каким-нибудь препятствием вроде нашей планеты. Поэтому мы наблюдаем широкий спектр энергетических уровней частиц, так как энергия каждой данной частицы в значительной степени зависит от того, как долго она неслась в пространстве, прежде чем столкнулась с нами. Чем дольше был предшествовавший полет, тем выше уровень энергии в момент столкновения.
Однако по мере того, как космическая частица накапливает энергию, она все меньше и меньше отклоняется под действием магнитного поля, и в конце концов траектория ее уже настолько близка к прямой, что не может вписаться даже в огромные просторы Галактики. Когда энергия такой частицы достигает сотен миллионов Гэв, она, так сказать, выстреливается из галактического циклотрона.
Следовательно, можно считать, что будь наша Галактика единственным источником космических лучей, мы не могли бы обнаружить частиц с энергией выше 100 миллионов Гэв. Однако нам изредка удается обнаружить частицы с энергией по меньшей мере в 10 миллиардов Гэв. Можно предположить только, что частицы, обладающие такой сверхвысокой энергией, возникают в других галактиках, с более сильными магнитными полями, чем у нашей. Эти частицы, вышвырнутые за пределы породившей их галактики и благополучно избежавшие столкновения с каким-либо веществом, пересекают межгалактическое пространство, попадают в нашу Галактику— и ударяются о нас.
 
След. >