Космические лучи

Определение "Космические лучи" в Большой Советской Энциклопедии

Зависимость потока космических лучей от уровня моря

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.

Карта изокосм

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.

Каскадные кривые

Большинство частиц первичного космического излучения имеет энергию больше 10⁹ эв (1 Гэв), а энергия отдельных частиц достигает 10²⁰—10²¹ эв (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. Хотя современные ускорители (в особенности ускорители на встречных пучках) позволяют проводить тщательное изучение процессов взаимодействия частиц вплоть до энергий 10¹¹—10¹² эв, Космические лучи по-прежнему являются единственным источником сведений о взаимодействиях частиц при ещё более высоких энергиях.

Множественное рождение частиц

Подавляющая часть первичных Космические лучи 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 Космические лучи в межпланетном пространстве. Частицы самых высоких энергий (>10¹⁷эв) имеют, возможно, внегалактическое происхождение (приходят из Метагалактики).

Область модуляции галактических космических лучей

  Общий поток энергии, приносимой Космические лучи на Землю (~0,01 эрг на 1 см² в 1 сек), чрезвычайно мал по сравнению с излучаемым на Землю потоком солнечной энергии и сравним с энергией видимого излучения звёзд. Однако не исключено, что в далёком прошлом Космические лучи сыграли определённую роль в ускорении эволюции жизни на Земле.

Поглощение космических лучей

В масштабах всей Галактики средняя плотность энергии Космические лучи велика (~ 1 эв/см³) — порядка плотностей всех других видов энергии: энергии тяготения (гравитации), магнитных полей, кинетической энергии движения межзвёздного газа, энергии электромагнитного излучения звёзд. Поэтому Космические лучи могут оказывать заметное влияние на эволюцию Галактики в целом.

Разведка полезных ископаемых

В физике Космические лучи четко выделяются 2 основных направления исследований: ядерно-физическое (взаимодействие Космические лучи с веществом; генерация, свойства и взаимодействия элементарных частиц) и космо-физическое (состав и энергетический спектр первичных Космические лучи; генерация и распространение солнечных и галактических Космические лучи; изменение во времени интенсивности Космические лучи и взаимодействие Космические лучи с магнитосферой Земли, с солнечным ветром и ударными волнами в межпланетном пространстве и др.). По мере развития техники ускорителей область исследований на первом направлении постепенно сдвигается в сторону высоких энергий. Всё более глубокое изучение ближнего космоса прямыми методами с помощью спутников и космических ракет перемещает центр тяжести второго направления на более далёкие космические объекты. Поэтому научные результаты, получаемые с помощью Космические лучи, носят, как правило, разведывательный, первооткрывательский, характер и имеют фундаментальное значение как для развития физики микромира (в области характерных размеров £10^-13 см), так и для развития физики космоса (10⁸—10²⁸ см).

Развитие электронно-фотонного ливня

  Открытие и основные этапы исследования Космические лучи Существование Космические лучи было установлено в 1912 В. Гессом по производимой ими ионизации молекул воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение. Наблюдения следов частиц Космические лучи в Вильсона камере, помещенной в поле лабораторного магнита (Д. В. Скобельцын, 1927), 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). При этом были измерены и энергии большей части Космические лучи (до 15 Гэв). С помощью ядерных фотографических эмульсий, поднятых на высоту ~ 30 км (Б. Питерс и др., 1948), в составе первичных Космические лучи были обнаружены следы ядер более тяжёлых элементов, чем водород, вплоть до ядер железа (рис. 1).

Следы космических лучей в ядерной фотоэмульсии

Детальное изучение зарядов и масс частиц вторичных Космические лучи привело к открытию многих новых элементарных частиц, в частности позитрона, мюона, пи-мезона, К-мезона, L-гиперона (1932—49). В 1932 П. Блэкетт и Дж. Оккиалини впервые обнаружили в камере Вильсона группы близких по направлению генетически связанных частиц космического излучения — т. н. ливни. В опытах 1945—49 на высокогорных станциях Космические лучи (В. И. Векслер, Н. А. Добротин и др.) и в стратосфере (С. Н. Вернов и др.) было установлено, что вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия первичных Космические лучи с ядрами атомов воздуха. Позднее Г. Т. Зацепин показал, что тот же механизм, но при более высоких энергиях (³10¹⁴ эв) объясняет развитие открытых ранее в Космические лучи (П. Оже, 1938) широких атмосферных ливней — потоков из многих миллионов частиц, покрывающих на уровне моря площади порядка 1 км² и более.

Цикл солнечной активности

Для правильного подхода к проблеме происхождения Космические лучи большую роль сыграли успехи радиоастрономии. Связанное с Космические лучи нетепловое космическое радиоизлучение позволило обнаружить их возможные источники. В 1955 В. Л. Гинзбург и И. С. Шкловский на основе радио-астрономических наблюдений и энергетических оценок впервые количественно обосновали гипотезу о сверхновых звёздах как одном из основных галактических источников Космические лучи

Энергетический спектр первичных космических лучей

Базой для космофизического направления исследований явилась созданная в 50—60-е гг. обширная мировая сеть станций Космические лучи (свыше 150), на которых проводится непрерывная регистрация космического излучения. Многие станции находятся высоко в горах, на некоторых станциях проводятся подземные наблюдения, регулярно посылаются в стратосферу баллоны с приборами автоматической регистрации Космические лучи

Ядерно-каскадный процесс в атмосфере

Новые возможности прямого изучения первичных Космические лучи в очень широком диапазоне энергий открылись в связи с подъёмом регистрирующей аппаратуры на искусственных спутниках Земли и межпланетных автоматических станциях. В частности, с помощью калориметра ионизационного на спутниках серии «Протон» был впервые непосредственно измерен энергетический спектр первичных Космические лучи до энергии ~10¹⁵ эв (советский физик Н. Л. Григоров и др., 1965— 1969). Позднее с помощью искусственных спутников Луны и Марса, а также на советском «Луноходе-1» (1970—71) были проведены длительные измерения вариаций состава и интенсивности К. л, за пределами магнитосферы Земли,

Первичные галактические Космические лучи Геомагнитные эффекты. Все экспериментальные данные согласуются с тем, что поток первичных Космические лучи, летящих к Земле из Галактики, с высокой степенью точности (~0,1%) изотропен, т. е. не зависит от направления. Попадая в магнитное поле Земли, заряженные частицы космического излучения отклоняются от первоначального направления (в результате действия на них Лоренца силы). Поэтому интенсивность Космические лучи и их энергетический спектр в околоземном пространстве зависят как от геомагнитных координат места наблюдения, так и от направления прихода Космические лучи Отклоняющее действие геомагнитного поля проявляется тем сильнее, чем больше угол J между направлением движения частицы и направлением силовой линии поля, т. е. чем меньше геомагнитная широта j места наблюдения. Т. о., при одной и той же энергии частиц отклонение максимально в экваториальных областях и минимально вблизи магнитных полюсов. У экватора этот «геомагнитный барьер» не пропускает к Земле летящие перпендикулярно её поверхности протоны с энергией меньше ~15 Гэв и ядра с энергией ~7,5 Гэв на нуклон (протон пли нейтрон). С увеличением геомагнитной широты пороговая энергия частиц быстро уменьшается (~cos⁴j), и в полярных областях геомагнитный барьер практически отсутствует. Наряду с регулярной широтной зависимостью на интенсивности Космические лучи заметно сказываются аномалии геомагнитного поля (особенно в районе Южной Атлантики). В результате распределение интенсивности Космические лучи по земному шару имеет довольно сложный характер (рис. 2). В полярных областях (j³ 60°) интенсивность Космические лучи у границы атмосферы составляет в годы минимума солнечной активности около 0,4 частицы на 1 см² в 1 сек в единице телесного угла.

С ростом энергии Космические лучи их интенсивность сначала медленно, а затем всё более резко уменьшается (рис. 3, а). При энергиях 10¹⁰—10¹⁵ эв поток частиц с энергией выше некоторой заданной энергии E (интегральный спектр) падает по закону ~ E^-1,7 (рис. 3, б). В области энергий > 10¹⁵ эв единственным источником сведений об энергетическом спектре Космические лучи (рис. 3, е) являются данные по широким атмосферным ливням (см. ниже): этот спектр уже нельзя представить единым степенным законом, что может объясняться примесью метагалактических Космические лучи

Более 90% частиц первичных Космические лучи всех энергий составляют протоны, примерно 7% — a-частицы и лишь небольшая доля (~ 1%) приходится на ядра элементов более тяжёлых, чем водород и гелий. Несмотря на это, ядра с Z > 1 несут около 50% всей энергии Космические лучи Уменьшение распространённости с ростом атомного номера элемента в Космические лучи идёт медленнее, чем для вещества небесных тел во Вселенной вообще. Особенно велико в Космические лучи содержание ядер лёгких элементов Li, Be, В, естественная распространённость которых чрезвычайно мала (£ 10^-7%). Имеется также избыток тяжёлых ядер (Z ³ 6). Из этого следует, что в источниках Космические лучи преобладает ускорение тяжёлых ядер, а более лёгкие ядра возникают за счёт расщепления тяжёлых ядер (фрагментации) при их взаимодействии с межзвёздным веществом. В период 1966—71 с помощью ядерных фотоэмульсий и твердотельных детекторов заряженных частиц в Космические лучи обнаружены ядра значительно тяжелее железа — вплоть до урана, а возможно и ещё более тяжёлые, причём их потоки падают с ростом Z примерно как Z^-7— Z^-8. В наиболее изученной области энергий (>2,5 Гэв на нуклон) ядерный состав Космические лучи таков: протоны — около 92%, a-частицы — около 7%, ядра с Z = 3—5 — около 0,1—0,15%, с Z = 6—9 — около 0,5% с Z = 10—15 — около 0,1—0,15%, с Z = 16—25— около 0,04%, с Z = 26 (железо) — 0,025%, с Z > 30— ~10^-5%.

По содержанию в Космические лучи Li, Be, В, которых нет в источниках (эти элементы быстро выгорают в результате протекающих в звёздах термоядерных реакций) и которые образуются только в результате фрагментации, было оценено среднее количество вещества, через которое проходят Космические лучи на пути от источников до Земли; оно оказалось равным 3—5 г/см². Отсюда, если известна средняя плотность вещества в Галактике, можно оценить путь, проходимый Космические лучи в Галактике, и среднее время жизни Космические лучи (см. ниже).

В состав первичных Космические лучи входят также электроны и позитроны (~1%) и фотоны высоких энергий — g-кванты (~0,01% при энергиях > 100 Мэв). Несмотря на незначительную долю в Космические лучи, g-кванты представляют особый интерес, поскольку, не отклоняясь магнитными полями межзвёздного пространства, они позволяют обнаруживать отдельные квазиточечные источники Космические лучи Найдено уже около 20 таких источников. Из них наиболее интересен пульсар NP 0532 в Крабовидной туманности, дающий поток g-квантов 0,1—0,5 на 1 м² в 1 сек и являющийся одновременно мощным пульсирующим источником рентгеновского излучения. Кроме того, обнаружен диффузный поток -l квантов из центра Галактики с интенсивностью ~ 1 частица на 1 м² в 1 сек в расчёте на единицу телесного угла.

Внутри магнитосферы Земли, на высотах ³ 1000 км от земной поверхности, помимо потока Космические лучи, присутствуют гораздо более интенсивные потоки протонов и электронов, захваченные геомагнитным полем и образующие радиационный пояс Земли. Происхождение внутренней области радиационного пояса объясняется в основном обратным потоком (альбедо) нейтронов, выбиваемых Космические лучи из ядер атомов, составляющих атмосферу Земли: нейтроны распадаются на протоны и электроны, которые удерживаются в естественной магнитной ловушке магнитосферы Земли.

Солнечные Космические лучи Наиболее сильные возрастания интенсивности Космические лучи в виде нерегулярных кратковременных всплесков связаны с хромосферными вспышками на Солнце. При таких вспышках происходит ускорение заряженных частиц. солнечной плазмы электромагнитными полями (по-видимому, у границ солнечных пятен), т. е. генерация солнечных Космические лучи Предложен, в частности, весьма вероятный механизм ускорения частиц электрическими полями, индуцируемыми при быстром сближении областей солнечной плазмы с противоположно направленными магнитными полями (советский физик С. И. Сыроватский, 1965).

Потоки солнечных Космические лучи во время некоторых хромосферных вспышек в сотни раз превышают потоки галактических Космические лучи Так, при рекордном всплеске 23 февраля 1956 наблюдалось 300-кратное возрастание потока Космические лучи с энергией > 3 Гэв, что могло бы представлять серьёзную угрозу безопасности космических полётов. Поэтому очень важны систематические наблюдения хромосферных вспышек, всплесков радио- и рентгеновского излучения и др. проявлений солнечной активности, позволяющие в тесной связи с измерениями интенсивности Космические лучи прогнозировать радиационную обстановку на трассах космических полётов.
В среднем вклад солнечных Космические лучи в общую интенсивность космического излучения составляет несколько процентов.

Химический состав солнечных Космические лучи очень близок к составу солнечной атмосферы. В отличие от галактич. Космические лучи, в них отсутствуют ядра Li, Be, В. Это показывает, что количество вещества, проходимое солнечными Космические лучи, чрезвычайно мало (< 0,1 г/см²) и что их генерация не может происходить в глубине солнечной атмосферы, где плотность вещества слишком велика (вероятнее всего ускорение происходит в верхней хромосфере и нижней короне Солнца).

Частицы солнечных Космические лучи по сравнению с галактическими обладают более низкими энергиями (их энергетический спектр более мягкий). Энергии протонов обычно ограничиваются долями Гэв, и лишь при очень редких мощных хромосферных вспышках генерируются протоны с энергиями до 100 Гэв; нижняя граница энергии регистрируемых электронов солнечных Космические лучи составляет десятки кэв (т. е. близка к энергии частиц солнечного ветра). Солнечные Космические лучи малой энергии оказывают существенное воздействие на состояние ионосферы Земли в высоких широтах, вызывая дополнительную ионизацию её нижних слоев. Это приводит к ослаблению радиоволн, а в некоторых случаях — к полному прекращению радиосвязи на коротких волнах. Данные о распространении солнечных Космические лучи, их энергетическом спектре и угловой анизотропии позволяют получить информацию о структуре магнитного поля в межпланетном пространстве. Изучение пространственных и временных вариаций (изменений) потоков солнечных Космические лучи помогает лучше понять такие геофизические явления, как геомагнитные бури, полярные сияния и пр.

Характер возрастания потока солнечных Космические лучи на Землю показывает, что в начальный период после вспышки поток существенно анизотропен, причём его максимум направлен под углом примерно 45° к западу от направления на Солнце. Это явилось первым прямым доказательством изогнутости силовых линий межпланетного магнитного поля в виде спиралей Архимеда (см. рис. 4).

Модуляция галактических Космические лучи солнечным ветром. Среди периодических временных вариаций интенсивности галактич. Космические лучи главную роль играют модуляции интенсивности, совпадающие с 11-летним циклом солнечной активности. Эти модуляции связаны с рассеянием и «выметанием» Космические лучи галактического происхождения неоднородно намагниченными регулярными потоками плазмы, выбрасываемой из Солнца со скоростями 300—500 км/сек. Такие потоки, получившие название солнечного ветра, распространяются далеко за пределы орбиты Земли [на десятки астрономических единиц (а. е.); 1 а. е. » 150 млн. км], постепенно переходя в турбулентное движение плазмы в слое, пограничном с невозмущённым галактическим магнитным полем (рис. 4). Согласно данным о двух последних циклах (1948—59 и 1959—70), интенсивность Космические лучи вблизи границы земной атмосферы во время максимума солнечной активности снижается в 2—2,5 раза по сравнению с величиной, характерной для минимума. На уровне моря, куда частицы малой энергии не доходят, амплитуда 11-летних вариаций Космические лучи оказывается гораздо меньшей (рис. 5).

Существуют и другие, менее ярко выраженные типы модуляций галактич. Космические лучи, обусловленные различными причинами. Это, в частности, 27-суточные вариации, связанные с периодом вращения Солнца вокруг своей оси, а также солнечно-суточные вариации, связанные с вращением Земли и с анизотропией электромагнитных свойств среды, в которой распространяются Космические лучи Совокупность сведений о модуляционных эффектах приводит большинство исследователей к выводу, что эффективные размеры области модуляции Космические лучи солнечным ветром составляют 2—5 а. е.

Происхождение и возраст галактических К. л. 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 ~ 10¹⁵ эв 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. Свойства этого излучения таковы, что его следует приписать синхротронному излучению (магнитотормозному излучению) — излучению быстрых электронов в магнитных полях, «вмороженных» в потоки звёздной плазмы, выброшенной при взрыве этой сверхновой. Позднее удалось наблюдать магнитотормозное радиоизлучение и от других, более далёких туманностей, рожденных взрывами сверхновых. Дальнейшие наблюдения показали, что спектр магнитотормозного излучения электронов простирается до оптического, рентгеновского и даже g-диапазонов, и это связано с очень высокими энергиями электронов (до ~ 10¹² эв). Естественно, что наряду с электронами в расширяющихся оболочках сверхновых происходит интенсивное ускорение и тяжёлых заряженных частиц — протонов и ядер (однако вследствие своей большой массы они не испытывают заметных потерь энергии на излучение в магнитных полях). При этом чем тяжелее ядро, тем благоприятнее могут быть начальные условия ускорения (т. н. инжекция): тяжёлые ядра могут находиться в неполностью ионизованном состоянии и поэтому сравнительно слабо отклоняться в магнитных полях, что облегчает их «утечку» за пределы плотной оболочки звезды (в которой магнитное поле велико). Если учесть среднюю частоту взрывов сверхновых в Галактике вообще (1 раз в 30—50 лет) и полное энерговыделение в каждом взрыве (10⁵¹—10⁵² эрг, или 10⁶³—10⁶⁴ эв) и предположить, что ~ 1% этой энергии тратится на ускорение заряженных частиц, то можно объяснить как среднюю плотность энергии Космические лучи (~ 1 эв/см³), так и отсутствие заметных колебаний потока Космические лучи

Методами радиоастрономии были зарегистрированы и ещё более мощные источники Космические лучи (точнее, их электронной компоненты), находящиеся далеко за пределами нашей Галактики. Такими источниками являются, в частности, интенсивно излучающие квазизвёздные 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).

Ускоренные в галактических источниках тяжёлые заряженные частицы распространяются затем по сложным траекториям в межзвёздном пространстве, где на них действуют слабые [(3—6)10^-6 гс] нерегулярные и неоднородные магнитные поля облаков межзвёздной плазмы. Заряженные частицы «запутываются» в этих магнитных полях (напряжённость которых значительно повышается в областях спиральных рукавов Галактики, одновременно с увеличением концентрации межзвёздной плазмы). При этом движение Космические лучи носит характер диффузии, при которой частицы с энергиями до 10¹⁷—10¹⁸ эв могут удерживаться в пределах нашей Галактики в течение десятков млн. лет. Диффузионное движение частиц Космические лучи обусловливает практически полную изотропию их потока. Лишь при более высоких энергиях радиусы кривизны траекторий частиц (особенно протонов) становятся сравнимыми с размерами галактик и происходит интенсивная «утечка» Космические лучи в метагалактическое пространство. Несмотря на высокую степень разреженности вещества, длительные странствия частиц в Метагалактике приводят к потерям энергии в новых процессах — фотоядерных реакциях на фоновом электромагнитном излучении (оно называется реликтовым излучением), оставшемся от ранних стадий расширения некогда горячей Вселенной. Наличие этого процесса сильно снижает вероятность того, что наиболее энергичная часть спектра Космические лучи обусловлена метагалактической компонентой.

Принципиально новые возможности экспериментального изучения источников наиболее энергичной части спектра Космические лучи (вплоть до энергий 10²⁰—10²¹ эв) открылись после обнаружения уникальных астрофизических объектов — пульсаров. По современным представлениям, пульсары — это небольшие (~ 10 км в диаметре) нейтронные звёзды, возникшие в результате быстрого гравитационного сжатия (коллапса гравитационного) неустойчивых звёзд типа сверхновых. Гравитационный коллапс приводит к колоссальному увеличению плотности вещества звезды (до ядерной плотности и выше), магнитного поля (до 10¹³ гс) и скорости вращения (до 10³ оборотов в сек). Всё это создаёт благоприятные условия для ускорения тяжёлых заряженных частиц до исключительно высоких энергий ~ 10²¹ эв и электронов до энергий ~ 10¹² эв. И действительно, наблюдения показали, что наряду с радиоизлучением пульсары испускают (с тем же периодом) световое, рентгеновское, а иногда и g-излучение, которые можно объяснить только процессом магнитотормозного излучения очень быстрых электронов. Т. о., синхротронное излучение электронов Космические лучи, обусловленное сильными магнитными полями, локализованными вблизи неустойчивых «горячих» объектов — источников Космические лучи, позволяет решать проблему происхождения Космические лучи методами наблюдательной астрономии (радиоастрономии, рентгеновской астрономии, гамма-астрономии).

  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.

Ещё один способ проверки различных гипотез происхождения Космические лучи — измерение интенсивности Космические лучи в далёком прошлом, в частности в периоды известных вспышек ближайших сверхновых (например, вспышки в 1054). Существуют два метода, с помощью которых можно было бы обнаружить эффекты возрастания интенсивности Космические лучи в прошлом не только в результате взрыва сравнительно недалёких от Солнечной системы сверхновых звёзд, но и в результате возможных гораздо более мощных взрывных процессов в ядре Галактики. Это радиоуглеродный метод, в котором по концентрации изотопа ¹⁴С в различных годичных кольцах очень старых деревьев определяют темп накопления в атмосфере ¹⁴C, образующегося в результате ядерных реакций под действием Космические лучи, и метеоритный метод, основанный на изучении состава стабильных и радиоактивных изотопов метеоритного вещества, подвергавшегося длительному воздействию К. л Эти методы свидетельствуют о том, что средняя интенсивность Космические лучи сравнительно мало отличалась от современной в течение десятков тысяч и миллиарда лет соответственно. Постоянство интенсивности Космические лучи в течение миллиарда лет делает маловероятной гипотезу о происхождении всех Космические лучи в процессе взрыва ядра нашей Галактики, который считается ответственным за образование галактического гало (пока не доказанного прямыми наблюдениями).
Взаимодействие Космические лучи с веществом.

1. Ядерно-активная компонента К- л. и множественная генерация частиц. При взаимодействии протонов и др. ядер первичных Космические лучи высокой энергии (~ несколько Гэв и выше) с ядрами атомов земной атмосферы (главным образом азота и кислорода) происходит расщепление ядер и рождение нескольких нестабильных элементарных частиц (т. н. множественные процессы), в основном p-мезонов (пионов) — заряженных (p⁺, p^-) и нейтральных (p⁰) с временами жизни 2,5×10^-8 сек и 0,8×10^-16 сек соответственно. Со значительно меньшей вероятностью (в 5—10 раз) рождаются К-мезоны и с ещё меньшей — гипероны и практически мгновенно распадающиеся резонансы. На рис. 6 приведена фотография множественного рождения частиц, зарегистрированного в ядерной фотоэмульсии; частицы вылетают из одной точки в виде узкого пучка. Среднее число вторичных частиц, образующихся в одном акте взаимодействия протона (или p-мезона) с лёгким ядром пли одним нуклоном такого ядра, возрастает с ростом энергии E сначала по степенному закону, близкому к E^1/3 (вплоть до E » 20 Гэв), а затем (в области энергий 2×10¹⁰—10¹³ эв) этот рост замедляется и лучше описывается логарифмической зависимостью. В то же время косвенные данные по широким атмосферным ливням указывают на процессы значительно более высокой множественности при энергиях ³ 10¹⁴ эв.

  Угловая направленность потока рожденных частиц в широком интервале энергии первичных и рожденных частиц такова, что составляющая импульса, перпендикулярная направлению первичной частицы (т. н. поперечный импульс), составляет в среднем 300—400 Мэв/с, где с — скорость света в вакууме (при очень высоких энергиях E частицы, когда энергией покоя частицы mc2 можно пренебречь по сравнению с её кинетической энергией, импульс частицы р = E/c; поэтому в физике высоких энергий импульс обычно измеряют в единицах Мэв/с).
  Первичные протоны при столкновении теряют в среднем около 50% начальной энергии (при этом они могут испытывать перезарядку, превращаясь в нейтроны).

Образующиеся при расщеплении ядер вторичные нуклоны (протоны и нейтроны) и рожденные в столкновениях заряженные пионы высокой энергии будут также (вместе с потерявшими часть энергии первичными протонами) участвовать в ядерных взаимодействиях и вызывать расщепление ядер атомов воздуха и множественное образование пионов. Средний пробег, на котором осуществляется одно ядерное взаимодействие, принято измерять удельной массой пройденного вещества он составляет для первичных протонов ~ 90 г/см² воздуха, т. е. ~9% всей толщи атмосферы. С ростом атомного веса вещества А средний пробег постепенно возрастает (примерно как А^1/3), достигая ~ 160 г/см² для свинца. Рождение пионов происходит в основном на больших высотах (20—30 км), но продолжается в меньшей степени по всей толще атмосферы и даже на глубине нескольких м грунта.

Вылетающие при ядерных столкновениях нуклоны ядер и не успевшие распасться заряженные пионы высокой энергии образуют ядерно-активную компоненту вторичных Космические лучи Многократное повторение последовательных, каскадных взаимодействий нуклонов и заряженных пионов с ядрами атомов воздуха, сопровождающихся множественной генерацией новых частиц (пионов) в каждом акте взаимодействия, приводит к лавинообразному возрастанию числа вторичных ядерно-активных частиц и к быстрому уменьшению их средней энергии. Когда энергия отдельной частицы становится меньше 1 Гэв, рождение новых частиц практически прекращается и остаются (как правило) только процессы частичного (а иногда полного) расщепления атомного ядра с вылетом нуклонов сравнительно небольших энергий. Общий поток частиц ядерно-активной компоненты по мере дальнейшего проникновения в глубь атмосферы уменьшается (рис. 7, кривая 1), и на уровне моря (~1000 г/см²) остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

2. Электронно-фотонные ливни и мягкая компонента вторичных К. л. Образующиеся при взаимодействиях частиц ядерно-активной компоненты с атомными ядрами нейтральные пионы практически мгновенно распадаются (вследствие их очень малого времени жизни) на два фотона (g) каждый: p°®2g. Этот процесс даёт начало электронно-фотонной компоненте Космические лучи (она называется также мягкой, т. е. легко поглощаемой, компонентой).

В сильных электрических полях атомных ядер эти фотоны рождают электронно-позитронные пары e^- e⁺(g®e^-+e⁺), а электроны и позитроны, в свою очередь, путём тормозного излучения испускают новые фотоны (е^±®е^±+ g) и т. д. Такие процессы, носящие каскадный характер, приводят к лавинообразному нарастанию общего числа частиц — к образованию электронно-фотонного ливня. Развитие электронно-фотонного ливня приводит к быстрому дроблению энергии p⁰ на всё большее число частиц, т. е. к быстрому уменьшению средней энергии каждой частицы ливня. После максимального развития мягкой компоненты, достигаемого на высоте около 15 км (~ 120 г/см²), происходит её постепенное затухания (рис. 7, кривая 2). Когда энергия каждой частицы становится меньше некоторого критического значения (для воздуха критическая энергия составляет около 100 Мэв), преобладающую роль начинают играть потери энергии на ионизацию атомов воздуха и комптоновское рассеяние (см. Комптона эффект); увеличение числа частиц в ливне прекращается, и его отдельные частицы быстро поглощаются. Практически полное поглощение электронно-фотонной компоненты происходит на сравнительно небольших толщах вещества (особенно большой плотности); в лабораторных условиях для этого достаточно иметь свинцовый экран толщиной 10—20 см (в зависимости от энергии частиц). Электронно-фотонный ливень, зарегистрированный в камере Вильсона, приведён на рис. 8.

Основной характеристикой электронно-фотонного ливня является изменение числа частиц с увеличением толщины пройденного вещества — т. н. каскадная кривая (рис. 9). В соответствии с теорией этого процесса число частиц в максимуме каскадной кривой примерно пропорционально энергии первоначальной частицы. Углы отклонения частиц от оси ливня определяются рассеянием электронов и позитронов, а средний поперечный импульс составляет около 20 Мэв/с.

  Наряду с p°-мезонами в Космические лучи существуют и др. источники образования электронно-фотонных ливней. Это электроны и g-кванты высокой энергии (> 100 Мэв) первичных Космические лучи, а также d-электроны, т. е. атомарные электроны, выбиваемые за счёт прямого электрического взаимодействия проходящих сквозь вещество быстрых заряженных частиц Космические лучи

При очень высоких энергиях (³ 10¹⁴ эв) электронно-фотонные ливни в земной атмосфере приобретают специфические черты широких атмосферных ливней. В таких ливнях очень большое число последовательных каскадов размножения приводит к сильному росту общего потока частиц (исчисляемого в зависимости от энергии многими миллионами и даже миллиардами) и к их широкому пространственному расхождению — на десятки и сотни м от оси ливня. В широких атмосферных ливнях у поверхности Земли одна частица ливня приходится примерно на несколько (2—3) Гэв энергии первичной частицы, вызвавшей ливень. Это даёт возможность оценивать по полному потоку частиц в ливне энергию приходящих на границу земной атмосферы «предков» этих ливней, что невозможно сделать непосредственно из-за крайне малой вероятности их прямого попадания в точку наблюдения.

Вследствие большой плотности потока частиц в широком атмосферном ливне испускается сравнительно интенсивное направленное электромагнитное излучение как в оптической области спектра, так и в радиодиапазоне. Оптическая часть свечения определяется процессом Черенкова — Вавилова излучения, поскольку скорости большинства частиц превышают фазовую скорость распространения света в воздухе. Механизм радиоизлучения более сложен; он связан, в частности, с тем, что магнитное поле Земли вызывает пространственное разделение потоков отрицательно и положительно заряженных частиц, что эквивалентно возникновению переменного во времени электрич. диполя.

  3. Космические мюоны и нейтрино. Проникающая компонента вторичного излучения. Возникающие в атмосфере под действием Космические лучи заряженные пионы участвуют в развитии ядерного каскада лишь при достаточно больших энергиях — до тех пор, пока не начинает сказываться их распад на лету. В верхних слоях атмосферы процессы распада становятся существенными уже при энергиях £ 10¹² эв.

  Заряженный пион (с энергией £ 10¹¹ эв) распадается на мюон m^±(заряженную нестабильную частицу с массой покоя m_m »207 me, где me — масса электрона, и средним временем жизни t₀ » 2×10^-6 сек) и нейтрино n (нейтральную частицу с нулевой массой покоя). В свою очередь, мюон распадается на позитрон (или электрон), нейтрино и антинейтрино. Т. к. скорости мюонов (как и всех остальных частиц Космические лучи) очень близки к скорости света с, то, в соответствии с теорией относительности, среднее время до их распада t достаточно велико — пропорционально полной энергии E, t = . Кроме того, мюоны, не являясь ядерно-активными частицами, слабо взаимодействуют с веществом (посредством электромагнитного взаимодействия) и теряют свою энергию в основном на ионизацию атомов (~ 2 Мэв на толщине 1 г/см²). Поэтому поток мюонов представляет собой проникающую компоненту Космические лучи Даже при сравнительно умеренной энергии ~ 10 Гэв мюон может не только пройти сквозь всю земную атмосферу (см. рис. 7, кривая 3), но и проникнуть далеко в глубь Земли на расстояния порядка 20 м грунта (рис. 10). Максимальная глубина, на которой регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, составляет около 8600 м в переводе на водный эквивалент. Благодаря своей большой проникающей способности именно мюоны образуют «скелет» широких атмосферных ливней на больших (сотни м) расстояниях от их оси.

Т. о., одновременно с развитием описанного выше ядерного каскада происходит (за счёт распада p⁰) его «обрастание» электронно-фотонной компонентой, а также (за счёт распадов p⁺ и p^-) — проникающей мюонной компонентой (рис. 11).

Высокая проникающая способность в сочетании с прямо пропорциональным плотности вещества коэффициент поглощения при умеренных энергиях (десятки и сотни Гэв) делает проникающую компоненту Космические лучи очень удобным средством для подземной геофизической и инженерной разведки (рис. 12). Измеряя интенсивность Космические лучи телескопом счётчиков в штольнях и сравнивая полученные данные с известными кривыми поглощения Космические лучи в воде или грунте, можно обнаруживать или уточнять положения рудных пластов и пустот, а также измерять весовую нагрузку на грунт от стоящих на нём сооружений.

При энергиях порядка 10¹² эв и выше наряду с ионизационными потерями энергии мюонов становятся всё более существенными потери энергии на образование электронно-позитронных пар и тормозное излучение, а также на прямые взаимодействия с атомными ядрами вещества. Вследствие этого на глубинах ³ 8 км водного эквивалента под углами ³ 50° к вертикали поток космических мюонов оказывается ничтожно малым. Эксперименты, проводившиеся с 1964 в шахтах Индии и Южной Африки с установками огромной площади, позволили обнаружить на этих глубинах под углами > 50° дополнительный поток мюонов, единственным источником которых могли быть только взаимодействия нейтрино с атомными ядрами вещества. Эти опыты представили собой уникальную возможность изучения свойств самой проникающей — нейтринной — компоненты Космические лучи Наиболее важной проблемой при этом является изучение взаимодействия нейтрино сверхвысоких энергий с веществом; в частности, для выяснения структуры элементарных частиц особый интерес представляет исследование увеличения поперечного сечения взаимодействия (уменьшения «прозрачности» вещества) с ростом энергии нейтрино. Такое возрастание сечения взаимодействия нейтрино установлено на ускорителях до энергий 10¹⁰ эв. Очень важно исследовать, будет ли продолжаться этот рост сечения вплоть до энергий 10¹⁵ эв (соответствующих характерному расстоянию слабых взаимодействий 6×10^-17 см).

  Измерения потоков солнечных нейтрино значительно более низких энергий (~ 1 Мэв) позволят подойти к решению и другой, космофизической, проблемы нейтринной физики. Это связано с использованием огромной проникающей способности нейтрино для косвенного измерения температуры недр Солнца, от которой зависит характер протекающих в нём ядерных реакций — основного источника солнечной энергии (см. Нейтринная астрономия).

  Проблемы и перспективы. Дальнейшее изучение Космические лучи в лабораториях и на космических станциях продолжается в двух направлениях. На космофизическом направлении выясняется природа тех основных процессов, в которых может происходить ускорение частиц до высоких и сверхвысоких энергий (в сверхновых звёздах, пульсарах, отчасти на Солнце), а также свойства межпланетной и межзвёздной среды по вариациям интенсивности Космические лучи, особенностям их состава, углового и энергетического распределения. Особенно большие надежды возлагаются на исследования в области рентгеновской и гамма-астрономии в тесной связи с радиоастрономическими и астрономическими наблюдениями возможных источников Космические лучи

Интересен также вопрос о роли нейтрино как одной из компонент первичных Космические лучи при энергиях ³ 10²⁰ эв. Возникновение широких атмосферных ливней столь высоких энергий уже трудно объяснить заряженными частицами, ускоряемыми в пределах нашей Галактики, а частицы межгалактического происхождения не могут набрать таких энергий из-за столкновений с фотонами реликтового излучения, заполняющего Метагалактику. Поэтому приходится учитывать возможность непрерывного роста непрозрачности вещества (в частности, атмосферного воздуха) для потоков космического нейтрино, которые в этом случае смогли бы стать «предками» самых мощных широких ливней.

Делаются попытки окончательно решить неясную пока проблему существования файрболов — гипотетических частиц (с массами ~ 3—5 Гэв, а иногда и значительно выше), почти мгновенно распадающихся после своего рождения на отдельные частицы (в основном пионы) по законам статистической физики. Далеко не закончены дискуссии о степени применимости описания множественного рождения частиц моделями гидродинамических и термодинамических типов, в которых образуемая при ядерных столкновениях высоковозбуждённая «адронная материя» с неопределённым числом частиц расширяется вплоть до её распада на отдельные свободные частицы.

Лит.: Гинзбург В. Л., Сыроватский С. И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Дорман Л. И., Вариации космических лучей и исследование космоса, М.. 1963; Дорман Л. И., Мирошниченко Л. И., Солнечные космические лучи, М., 1968; Дорман Л. И., Смирнов В. С., Тясто М. И., Космические лучи в магнитном поле Земли, М., 1971; Мурзин В. С., Сарычева Л. И., Космические лучи и их взаимодействие, М., 1968; Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, М., 1970; Бондаренко В. М., Использование космических лучей в геологии, М., 1965. Популярная лит.: Росси Б., Космические лучи, пер. с англ., М., 1966; Добротин Н. А., Космические лучи, М., 1963; Жданов Г. Б., Частицы высоких энергии, М., 1965; Гинзбург В. Л., Происхождение космических лучей, М., 1968.
  Г. Б. Жданов.

W на Солнце (а), и относительных изменений интенсивности I космических лучей всех энергий, по данным наблюдений высокоширотной станции (б). По оси абсцисс отложены годы." href="/a_pictures/18/10/291721519.jpg">W на Солнце (а), и относительных изменений интенсивности I космических лучей всех энергий, по данным наблюдений высокоширотной станции (б). По оси абсцисс отложены годы."http://tungsten.atomistry.com/">W на Солнце (а), и относительных изменений интенсивности I космических лучей всех энергий, по данным наблюдений высокоширотной станции (б). По оси абсцисс отложены годы." src="a_pictures/18/10/th_291721519.jpg">
Рис. 5. Одиннадцатилетний цикл солнечной активности, характеризуемой числом групп пятен W на Солнце (а), и относительных изменений интенсивности I космических лучей всех энергий, по данным наблюдений высокоширотной станции (б). По оси абсцисс отложены годы.


Рис. 9. Каскадные кривые, показывающие изменение числа электронов (и позитронов) в зависимости от толщины пройденного ливнем слоя свинца при начальных энергиях электронов 1,1 и 3 Гэв.


Рис. 1. Следы ядер первичных космических лучей в ядерной фотоэмульсии (Z — атомный номер химического элемента).


Рис. 8. Фотография, показывающая развитие электронно-фотонного ливня в латунных пластинках, установленных в камере Вильсона.


Рис. 4. Схема, иллюстрирующая характер солнечного ветра и структуру регулярного межпланетного магнитного поля (спираль) в области модуляции галактических космических лучей; штриховая окружность — орбита Земли.


Рис. 2. Карта изокосм — линий равной интенсивности космических лучей — на высотах ~ 200 км, по данным третьего советского корабля-спутника (1960) [сплошная жирная линия — геомагнитный экватор]; прерывистые линии — менее надёжные данные, основанные на малом числе измерений. Интенсивность указана в относительных единицах.

I от энергии E) в области умеренной энергии для протонов (р) и a-частиц; нанесены также экспериментальные точки; б — интегральный спектор (для всех частиц) в области высоких энергий [экспериментальные точки получены на спутниках серии «Протон» (1, 2, 3)]; в — в области сверхвысоких энергий [пунктирные линии ограничивают экспериментальные значения I]." href="/a_pictures/18/10/237393416.jpg">I]."http://iodine.atomistry.com/">I от энергии E) в области умеренной энергии для протонов (р) и a-частиц; нанесены также экспериментальные точки; б — интегральный спектор (для всех частиц) в области высоких энергий [экспериментальные точки получены на спутниках серии «Протон» (1, 2, 3)]; в — в области сверхвысоких энергий [пунктирные линии ограничивают экспериментальные значения I]." src="a_pictures/18/10/th_237393416.jpg">
Рис. 3. Энергетический спектр первичных космических лучей (в логарифмическом масштабе): а — дифференциальный спектр (зависимость интенсивности I от энергии E) в области умеренной энергии для протонов (р) и a-частиц; нанесены также экспериментальные точки; б — интегральный спектор (для всех частиц) в области высоких энергий [экспериментальные точки получены на спутниках серии «Протон» (1, 2, 3)]; в — в области сверхвысоких энергий [пунктирные линии ограничивают экспериментальные значения I].

I — наносы, II — известняк, III — богатая руда, IV — бедная руда, V — вкрапленное оруденение); б — интенсивность I космических лучей, измеренная телескопом счётчиков (вертикальные линии на кривой указывают ошибки измерений)." href="/a_pictures/18/10/245532912.jpg">I — наносы, II — известняк, III — богатая руда, IV — бедная руда, V — вкрапленное оруденение); б — интенсивность I космических лучей, измеренная телескопом счётчиков (вертикальные линии на кривой указывают ошибки измерений)."http://iodine.atomistry.com/">I — наносы, II — известняк, III — богатая руда, IV — бедная руда, V — вкрапленное оруденение); б — интенсивность I космических лучей, измеренная телескопом счётчиков (вертикальные линии на кривой указывают ошибки измерений)." src="a_pictures/18/10/th_245532912.jpg">
Рис. 12. Пример разведки полезных ископаемых при помощи измерения интенсивности проникающей (мюонной) компоненты космических лучей: а — разрез полиметаллического месторождения (I — наносы, II — известняк, III — богатая руда, IV — бедная руда, V — вкрапленное оруденение); б — интенсивность I космических лучей, измеренная телескопом счётчиков (вертикальные линии на кривой указывают ошибки измерений).

I вертикального потока проникающей (мюонной) компоненты космических лучей от глубины t относительно уровня моря (масштаб логарифмический)." href="/a_pictures/18/10/249646728.jpg">I вертикального потока проникающей (мюонной) компоненты космических лучей от глубины t относительно уровня моря (масштаб логарифмический)." src="a_pictures/18/10/th_249646728.jpg">
Рис. 10. Зависимость интенсивности I вертикального потока проникающей (мюонной) компоненты космических лучей от глубины t относительно уровня моря (масштаб логарифмический).


Рис. 11. Схема ядерно-каскадного процесса в атмосфере, с образованием трёх основных компонент вторичных космических лучей: электронно-фотонной (мягкой), ядерно-активной и мюонной (проникающей); р — протон; n — нейтрон; p,p0 — пионы; m — мюоны; е — позитрон и электрон; n — нейтрино; g — квант.


Рис. 6. Фотография множественного рождения частиц при взаимодействии тяжёлого ядра первичного космического излучения с одним из ядер фотоэмульсии; образовано (помимо нейтральных) свыше 300 заряженных частиц, главным образом пионов.

I космических лучей (для 50° с. ш.) от толщины t пройденного слоя: 1 — ядерно-активная компонента (протоны и a-частицы); 2 — мягкая компонента; 3 — проникающая компонента (мюоны); 4 — полная интенсивность." href="/a_pictures/18/10/269777171.jpg">I космических лучей (для 50° с. ш.) от толщины t пройденного слоя: 1 — ядерно-активная компонента (протоны и a-частицы); 2 — мягкая компонента; 3 — проникающая компонента (мюоны); 4 — полная интенсивность." src="a_pictures/18/10/th_269777171.jpg">
Рис. 7. Поглощение космических лучей в атмосфере — зависимость интенсивности I космических лучей (для 50° с. ш.) от толщины t пройденного слоя: 1 — ядерно-активная компонента (протоны и a-частицы); 2 — мягкая компонента; 3 — проникающая компонента (мюоны); 4 — полная интенсивность.