Земля піддається космічної бомбардуванню. Ні, це не цитата з фантастичного бойовика, а реальність - нашу планету постійно «обстрілюють» потоки заряджених частинок з глибокого космосу
При зіткненнях з атомами газів в складі повітря космічні частинки запускають розгалужені ланцюжки ядерних реакцій, які виробляють безліч вторинних продуктів. Влетів в атмосферу протон з енергією в десятки і сотні ТеВ дає початок іншим високоенергетичних часток, які розсіюються на оточуючих атомах і викликають до життя наступні покоління частинок. В результаті в повітряному басейні відбувається каскадне народження частинок, багато з яких виявляються нестабільними і швидко розпадаються. Так виникають багаточастинкові атмосферні зливи, які вперше спостерігав Дмитро Скобельцин в кінці 1920-х років.
Склад «дощів»
радіаційні зливи
Згідно з даними NASA, космічні промені на 98% складаються з баріонів (протонів і альфа-частинок - ядер гелію). При зіткненні з ядрами атомів газів в атмосфері вони породжують безліч осколків і заряджених і нейтральних частинок, які в свою чергу стикаються з ядрами атомів, розпадаються і викликають «космічний злива»
Від краплі до злив
Реєстрація широких злив - справа нелегка. На квадратний кілометр верхньої межі атмосфери в середньому щорічно падає одна частинка з енергією 10 19 еВ, в той час як частка з енергією 10 20 ев перетинає таку ж площу набагато рідше, ніж раз на століття. Тому для детектування злив, породжених такими частками, будують установки велетенських розмірів. Так, головний комплекс Обсерваторії імені П'єра Оже складається з 1600 цистерн зі надчистої водою і датчиками черенковского випромінювання, розкиданих на площі 3000 км 2.
За формування зливи відповідають процеси двох типів - адронні і електромагнітні. Первинний протон стикається з атомним ядром і розбиває його на осколки. Якщо його енергія не перевищує декількох сотень МеВ, цим все і закінчується, однак протони з енергіями в десятки і сотні ГеВ викликають вже куди більш серйозні наслідки. Після першого зіткнення такий протон продовжує рух з меншою енергією (близько 30% початкової). В ході цієї зустрічі, як правило, народжуються заряджені і нейтральні півонії, але можуть виникати і більш масивні частинки. Заряджений півонія або стикається з ядром іншого атома і дає початок новим ядерних процесів, або не встигає цього зробити і розпадається на мюон того ж знака і мюонне нейтрино (є й інший канал розпаду, але його ймовірність дуже мала). Мюон, чиє величезне за мірками елементарних частинок час життя вимірюється парою мікросекунд, рухається майже зі швидкістю світла і дуже слабо взаємодіє з атомними ядрами, трохи втрачаючи енергію тільки при проході через їх електронні оболонки. Тому він має відмінні шанси дійти до земної поверхні і навіть проникнути глибоко під землю.
Зрештою мюони теж розпадаються, причому майже завжди на електрон або позитрон (в залежності від їх знака) і пару нейтрино, мюонне і електронне. Нейтральний півонія, який живе приблизно в сто мільйонів разів менше зарядженого, швидше за все, ні з чим не зіткнеться і перетвориться в атмосфері в пару фотонів гамма-випромінювання. Вони розсіюються на атомах і виробляють електронно-позитронного пари, причому позитрони швидко анігілюють, даючи початок новим гамма-квантів. Так запускається електромагнітний зливовий каскад, що приводить до народження м'якої компоненти космічного випромінювання. Одночасно первинний протон, нехай і віддав частину енергії, а також не встигли розпастися півонії та інші нестабільні частинки продовжують стикатися з атомними ядрами, даючи початок все новим сильно взаємодіє часткам адронного каскаду. В ході всіх цих перетворень виникають не тільки півонії, а й інші адрони, такі як каона і гіперонів.
Атмосфера під обстрілом
Космічні промені цілком реально впливають на земну атмосферу. Якщо протони просто розбивають ліпші їм ядра, то їх масивніші партнери можуть і самі дробитися на частини (наприклад, який прилетів з космосу ядро магнію може розколотися на шість альфа-частинок). Дві такі реакції заслуговують спеціального згадки. У числі вторинних продуктів космічні промені породжують нейтрони, частина їх настільки сповільнюється при зіткненнях з атомами повітря, що зливається з ядрами атмосферного азоту. Таким шляхом на 15-кілометровій висоті виникають ядра нестабільного ізотопу вуглецю 14С з періодом напіврозпаду 5730 років. З'єднуючись з киснем, він утворює радіоактивний вуглекислий газ 14 СО2. який нарівні зі звичайною вуглекислотою поглинається рослинами і бере участь в процесах фотосинтезу. Ця обставина лежить в основі методу радіовуглецевого датування, який широко застосовують в палеонтології і археології. За допомогою вуглецю-14 і куди більш долгоживущего радіоактивного ізотопу берилію 10 Be космічного походження можна навіть відновлювати історію коливань інтенсивності самих космічних променів на глибину до 200 000 років (цей напрямок досліджень називається експериментальної палеоастрономіей).
Атмосферні зливи можуть ініціювати і ультрарелятивістських електрони, що приходять з космосу. Однак вони випадають нечасто, оскільки щільність таких електронів дуже мала. У космосі вони виникають в достатку, проте швидко гальмуються, розсіюючись на фотонах і випромінюючи електромагнітні хвилі при проходженні через магнітні поля. Тому електрони з енергіями близько 1000 ГеВ приходять до Землі тільки від досить близьких джерел, відстані до яких не перевищують 3000 світлових років. Космічні протони високих енергій покривають незмірно більші дистанції.
Щільність енергії первинних космічних променів в околиці Сонця приблизно дорівнює 1 еВ / см 3. Енергетичне підживлення, яку вони забезпечують нашій планеті, досить стабільна і приблизно дорівнює 100 МВт. Ця величина в два мільярди разів менше енергії сонячних променів, проте можна порівняти з енергією падаючого на Землю зоряного світла. Правда, космічні промені, на відміну від зірок, не надихають поетів - вони невидимі.
таємниця походження
Родовід майже всіх космічних частинок встановлена цілком надійно. У 1934 році американські астрономи Фріц Цвіккі і Вальтер Бааде припустили, що їх джерелом можуть бути вибухи наднових зірок. У 1950-ті роки ця гіпотеза сильно зміцнилася і з тих пір вважається загальноприйнятою.
Проте вона відразу зустрічає очевидне заперечення. Природно вважати, що левова частка космічних променів народжується в нашій Галактиці. Однак зірки, включаючи наднові, концентруються в екваторіальній площині Чумацького Шляху (точніше, в лежачих там спіральних рукавах), в той час як промені приходять на Землю з усіх напрямків. Справа в тому, що протони і інші заряджені частинки рухаються в просторі аж ніяк не прямолінійно. Їхні шляхи багаторазово викривляються галактичним магнітним полем і зіткненнями з атомами і молекулами, розсіяними в міжзоряному просторі. Ситуація ускладнюється тим, що частинки космічних променів створюють власні магнітні поля, які накладаються на загальне поле Галактики і деформують його структуру. Так що рух частинок від джерел до Землі дуже заплутано, і для його моделювання в останні десятиліття створені досить складні комп'ютерні коди.
Чи вистачить у наднових енергії для виробництва космічних променів? Як вже говорилося, щільність їх енергії поблизу Сонця дорівнює 1 еВ / см 3; середня щільність по всьому галактичного диску може бути більше, але швидше за все не перевищує 2 еВ / см 3. Оскільки обсяг диска дорівнює 10 67 см 3. повна максимальна енергія космічних променів дорівнює 2 × 10 67 еВ, або 6 × 10 55 ерг. Середній час життя мандрівних частинок космічного випромінювання в нашій Галактиці оцінюється в 15 млн років, або 5,4 × 10 14 с. Частка від ділення цих величин, що дорівнює 6 × 10 40 ерг / с, дорівнює середній енергії, яка щомиті витрачається на підтримання стабільної щільності космічних випромінювань. З іншого боку, наднові вибухають в нашій Галактиці не менше, ніж раз в 50 років, або 1,5 × 10 9 із, і кожен вибух викидає частинки з середньою сумарною енергією 10 50 ерг. Так що щосекундне генерування енергії становить як мінімум 6 × 10 40 ерг - стільки, скільки і потрібно. Як ні приблизна ця прикидка, вона працює на гіпотезу Цвикки і Бааде.
Енергія космічних протонів, які долітають до околиць нашої планети, варіює від 10 8 до 10 20 ев. Як вважається, майже всі вони, окрім дуже рідкісних частинок у верхньої межі цього інтервалу, розганяються ударними хвилями, які супроводжують вибухів внутрігалактіческой наднових. Такий вибух викидає в простір речовина зовнішньої оболонки гине зірки зі швидкостями до десяти відсотків швидкості світла. Це набагато більше швидкості звуку в міжзоряному середовищі, що і призводить до виникнення ударних хвиль. При цьому народжуються хаотичні магнітні поля, які змушують протони багаторазово перескакувати між фронтами ударних хвиль і ще не зазнали стиску речовиною міжзоряного середовища. На кожному перескока протон збільшує кінетичну енергію за рахунок енергії ударної хвилі.
Серфінг на наднових
Заряджені частинки космічних променів розганяються до величезних енергій, перескакуючи з ударної хвилі вибуху наднової в ще нестиснене речовина міжзоряного газу, подібно до того, як серфер прискорюється, скочуючись з гребеня хвилі
Протони, які зазнають максимальне число переходів, набирають найвищу енергію, однак чисельно залишаються в меншості. В результаті вибух наднової в достатку викидає в космос ядра водню з енергією до 10 12 еВ, але в куди менших кількостях генерує частинки з великими енергіями. «Цей механізм добре пояснює прискорення протонів і складових ядер до енергії близько 10 16 еВ, - говорить професор астрономії та астрофізики Чиказького університету Анжела Олінто. - Не виключено, що вибухи найпотужніших колапсуючої зірок розганяють протони навіть до 10 18 еВ. Можливі джерела протонів з великими енергіями в межах Чумацького Шляху поки не знайдені, так що вони майже напевно приходять з інших галактик ».
Вибухи наднових породжують і надшвидкі електрони з позитронами. Однак ці частинки легко гальмуються і розсіюються в міжзоряному середовищі і здебільшого не встигають дійти до Землі (а позитрони ще і анігілюють). Тому їх частка в первинних космічних променях мала, та й енергії не надто великі.
Промені-рекордсмени
Але як би не виникали протони з енергіями в сотні ЕеВ, їх джерела знаходяться не так вже далеко від нашої Галактики - в усякому разі, не на космологічних дистанціях. Подорожуючи в космосі, вони взаємодіють з квантами мікрохвильового реліктового випромінювання, щільність яких дорівнює приблизно 400 фотонів на 1 см 3. Ці зіткнення призводять до народження півоній, як позитивно заряджених, так і нейтральних. Заряджений півонія виникає спільно з нейтроном, після чого обидві частки розпадаються - перша дуже швидко, друга через хвилини. Нейтральний півонія, який розпадається ще швидше, з'являється разом з протоном, чия енергія помітно поступається енергії батьківської частки (це ж відноситься до протонів, які народилися в результаті нейтронного розпаду). У підсумку на відстанях понад 50 мегапарсек від джерела (160 млн світлових років) не залишається протонів з енергіями більше 50 ЕеВ. Цей ефект в середині 1960-х років передбачили професор Корнельського університету Кеннет грейзени і тодішні співробітники ФІАН Георгій Зацепін і Вадим Кузьмін.
мюонів метрофізіка
Космічні промені вивчаються за допомогою детекторів, встановлених в наземних і підземних обсерваторіях, на літаках, повітряних кулях і космічних апаратах. Одна така обсерваторія 10 років діяла в законсервованих бомбосховищах на станціях московського метро «Кропоткинская» і «Парк Культури». Як розповіла «ПМ» професор-консультант фізичного факультету МДУ Ірина Ракобольская, там в кінці 1960-х років були змонтовані 144 багатошарові камери, які реєстрували мюони, породжені первинними нуклонами з енергією аж до 10 15 -10 16 еВ. Мюони залишали сліди на стопках листів двосторонньої рентгенівської плівки загальною площею 4000 м 2. прослоенних свинцевими пластинами. Московські фізики отримали цікаві результати, які дозволили виправити помилки, допущені їхніми американськими колегами.
Піти по сліду
На шляху до нової фізики
Друга можливість полягає у використанні найбільш енергійних космічних частинок в якості свого роду доповнення до женевського Великому адронному колайдеру. Наслідки зіткнень цих частинок з атомами повітря залежать від їх енергії в системі відліку, прив'язаною до центру мас пари «атом-частка». Вона куди менше їх енергій близько сотні ЕеВ в лабораторній системі відліку, але все ж в десятки разів більше відповідної енергії, досяжною в експериментах на БАК. Якщо детально зареєструвати різні компоненти широкого зливи, можна отримати інформацію про процеси, безпосередньо наступних за першим зіткненням «батьківської» частинки.
Є і більш екзотична лінія пошуку. Деякі дані вказують на те, що 2-3% часток з енергіями близько 10 ЕеВ прилітають від лацертид, потужних джерел електромагнітного випромінювання в ядрах деяких галактик. Поблизу від Чумацького Шляху їх просто немає, вони віддалені від нас як мінімум на півтори сотні мегапарсек. Однак справа в тому, що жодна з відомих нейтральних частинок пролетіти таку відстань не може. Протони і атомні ядра на це здатні, однак вони відхилялися б в міжгалактичних магнітних полях на куди більші кути від напрямків на передбачувані лацертиди-джерела, ніж показують спостереження. Ось і виникає питання: чи немає тут якоїсь нової фізики? »