Космические лучи - 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



Космические лучи

Гораздо эффектнее выглядит бомбардировка Земли частицами, имеющими массу.
Еще в 1900 г. физики-ядерщики изучали, как энергия, излучаемая радиоактивными атомами, выбивает электроны из атомов воздуха. Оставшаяся часть атома несла положительный электрический заряд, и эти заряженные обломки получили название положительных ионов.
Постепенно стало ясно, что как бы тщательно ни изолировали физики контрольную пробу воздуха, помещая ее в свинцовые ящики, считавшиеся непроницаемыми для радиации, ионы все равно продолжали медленно образовываться и в ней. По видимому, излучение еще более мощное, чем все обнаруженные ранее, проникало сквозь толщу свинца, который при обычных условиях был бы достаточной защитой.
Большинство физиков было убеждено, что это мощное излучение исходит от земли. Ведь все радиоактивные вещества в конечном счете добывались из земли. Для окончательного решения этого вопроса австрийский физик Виктор Франц Гесс (1883—1964) начиная с 1911 г. провел серию подъемов на воздушном шаре. Он хотел проверить, имеется ли ионизующее излучение на высоте в несколько километров над поверхностью Земли. Толща воздуха между поверхностью Земли и шаром должна была бы поглотить хотя бы часть этого излучения, и скорость образования ионов на воздушном шаре должна была бы оказаться меньше, чем па поверхности Земли.
Однако результат был как раз противоположным. Скорость ионизации увеличилась, и чем выше поднимался шар, тем больше она становилась. Стало ясно, что источник излучения находится не под шаром — на поверхности Земли, а над ним. Гесс назвал его высотным излучением. В течение следующего десятилетия наблюдения Гесса неоднократно подтверждались и выяснилось с полной очевидностью, что это излучение падает на Землю повсюду и что его источник должен находиться где-то в космическом пространстве. В 1925 г. американский физик Роберт Эндрюс Милликен (1868—1953) назвал его космическими лучами, и это название стало общепринятым.
Затем возник вопрос, что же, собственно, эти лучи собой представляют. Наиболее вероятными казались следующие два предположения либо это фотоны с чрезвычайно высокой энергией, наиболее коротковолновые и, следовательно, обладающие наибольшей энергией из всех, когда-либо наблюдавшихся; либо это массивные частицы, движущиеся с чрезвычайно высокой скоростью и благодаря сочетанию этих двух факторов обладающие колоссальной энергией.
Все массивные частицы, известные в 20-х годах, обладали электрическим зарядом; должны были обладать им и космические лучи, если они принадлежали к той же категории. Отсюда следовало, что космические лучи, даже если они приближались к Земле со всех сторон, должны были тем не менее обрушиваться на полярные области с большей частотой, чем на тропики.
Это проистекало из того факта, что Земля ведет себя как магнит, северный и южный полюсы которого находятся в полярных областях, а силовые магнитные линии протягиваются между севером и югом, огибая земной шар, расходясь шире всего в тропиках и сходясь теснее всего в полярных областях. Любая заряженная частица, входя в магнитное поле Земли, должна была отклониться к северу или к югу благодаря взаимодействию с магнитным полем, которое было уже хорошо известно физикам той эпохи. Некоторые космические лучи с особо высокой энергией могут буквально силой прорваться сквозь магнитное поле и попасть на Землю в тропиках (если таково было их первоначальное направление), но в целом количество космических лучей будет непрерывно возрастать по мере продвижения от экватора на север или на юг.
Фотоны же, не имеющие электрического заряда, не испытают практически никакого влияния магнитного поля Земли. Если бы космические лучи состояли из фотонов и приближались к Земле равномерно со всех сторон, они должны были попадать равномерно во все области земной поверхности.
Начиная с 1930 г. Комптон провел широкое изучение космических лучей в различных областях мира и обнаружил, что с изменением широты действительно наблюдается увеличение их интенсивности, причем именно такое, какого можно было бы ожидать, если бы лучи состояли из заряженных частиц.
Оставался еще неясным вопрос, положительно или отрицательно заряжены эти частицы. Итальянский физик Бруно Росси (род в 1905 г.) указал в 1930 г., что характер отклонения космических лучей должен меняться в зависимости от знака заряда. Положительно заряженные частицы будут отклоняться так, что наблюдателю покажется, будто их приближается больше с запада, чем с востока, а для отрицательно заряженных частиц картина будет обратной. К 1935 г. вывод был ясен: космические лучи состоят из положительно заряженных частиц.
Это, во всяком случае, верно для первичного излучения, т.е. излучения, еще не проникшего в земную атмосферу. Проникнув же в атмосферу, оно обрушивается на ее атомы, создавая различные частицы с меньшей, но все же очень высокой энергией — вторичное излучение. Естественно, астрономов в основном интересует первичное излучение.
Для того чтобы изучить первичное излучение, необходимо подняться по меньшей мере в стратосферу, чтобы большая часть взаимодействующих с ним и потому искажающих картину молекул воздуха осталась внизу. В конце 30-х годов для этой цели начали поднимать аппаратуру на воздушных шарах из новых полимерных материалов, более легких и прочных, чем прежние. Была достигнута высота 18 км; при этом ниже приборов остается 97% атмосферы.
Оказалось, что первичное излучение состоит в основном из протонов (ядер водорода-1), движущихся почти со скоростью света. К 60-м годам стало ясно, что протоны составляют примерно 90% всех частиц первичного излучения; 9% составляют ядра гелия-4, а остающийся 1%—ядра более тяжелых элементов до железа-56 включительно.

Рис. Земля как магнит. Пунктирные линии — траектория заряженных частиц, сплошные—магнитные силовые линии

Короче говоря, космические лучи — это обычное межзвездное вещество в состоянии стремительного движения, обладающее поэтому почти невероятной энергией.
В последние годы физикам удалось построить огромные и чрезвычайно сложные ускорители частиц, которые способны ускорять отдельные частицы до энергии в 30 миллиардов электронвольт (30 Гэв). Напомним для сравнения, что обычные фотоны света обладают энергией примерно в 2 электронвольта (2 эв).
Следовательно, человек может создавать протоны с энергией, в 15 миллиардов раз превосходящей энергию фотонов света, и эта энергия действительно приближается к уровням энергии космических лучей. (По этой причине создатели одного из гигантских ускорителей частиц назвали его космотроном.)
Тем не менее величайшие достижения человека соответствуют лишь самым низким энергиям космических лучей. Частицы многих космических лучей влетают в атмосферу Земли с энергией, во много раз превосходящей 30 Гэв; некоторые достигают нас, обладая энергией в 1 000 000 Гэв и больше.

 
< Пред.   След. >