Вплив космічних дощів на людину

1. Від краплі до злив
2. Атмосфера під обстрілом
3. Склад «Дощів»
4. таємниця походження
5. мюонів метрофізіка
6. Промені-рекордсмени
7. Піти по сліду
8. На шляху до нової фізики

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.

Від краплі до злив

Площа випадання зливи і загальна кількість його «крапель» різко зростають у міру зростання енергії первинної частки. Протон з енергією порядку 1015 еВ народжує близько мільйона вторинних частинок, 1016 еВ - до десяти мільйонів, 1020 еВ - кілька мільярдів. Каскадні процеси такого масштабу, названі широкими атмосферними зливами, вперше спостерігав в 1938 році французький фізик П'єр Оже. Його ім'я носить діюча з 2005 року велика міжнародна обсерваторія космічних променів, розташована на заході Аргентини.

Встановлений у 2011 році на Міжнародній космічній станції детектор AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) для вивчення космічних променів за 14 місяців роботи зареєстрував 18 млрд. Частинок. Це більше, ніж число частинок, зареєстрованих усіма наземними детекторами за більш ніж сто років.

Реєстрація широких злив - справа нелегка. На квадратний кілометр верхньої межі атмосфери в середньому щорічно падає одна частинка з енергією 1 019 еВ, в той час як частка з енергією 1020 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 площею 3000 км².

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). Вході 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 14З2, 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 10Be космічного походження можна навіть відновлювати історію коливань інтенсивності самих космічних променів на глибину до 200 000 років (цей напрямок досліджень називається експериментальної палеоастрономіей).

Склад «Дощів»

За даними, опублікованими NASA в 2010 році, потоки космічних заряджених частинок на 98% складаються з баріонів і тільки на 2% з стабільних лептонів (електронів і позитронів). Баріонна компонента, в свою чергу, містить протони (87%), альфа-частинки (12%) і ядра елементів важчих за гелій, які астрономи називають металами (1%). Серед них перше місце займають вуглець, азот і кисень, за якими слідують літій, берилій і бор. На цю шістку припадає близько 90% космічних «металів», так що на частку всіх інших залишається зовсім небагато. Приблизно чотири п'ятих решти частинок представлені елементами з атомними номерами від 9 до 25, що лежать в таблиці Менделєєва між киснем і залізом. Майже весь залишок захопило залізо, до якого примикають нікель і кобальт. Сумарна пропорція елементів важче кобальту вимірюється стотисячним частками відсотка. Але вони все ж зустрічаються - так, в первинних космічних променях виявлені ядра золота, ртуті, платини, свинцю і навіть урану. З іншого боку, там відсутні радіоактивні елементи з невеликим часом життя.

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.

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 породжують «космічний злива».

Щільність енергії первинних космічних променів в околиці Сонця приблизно дорівнює 1 еВ / см3. 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.

мюонів метрофізіка

Космічні промені вивчалися і вивчаються за допомогою детекторів, встановлених в наземних і підземних обсерваторіях, на літаках, повітряних кулях і космічних апаратах. Мало хто знає, що одна така обсерваторія 10 років діяла в законсервованих після ВВВ бомбосховищах на станціях московського метро «Кропоткинская» і «Парк Культури». Як розповіла «ПМ» професор-консультант фізичного факультету МДУ Ірина В'ячеславівна Ракобольская, там в кінці 1960-х років були змонтовані 144 багатошарові камери, які реєстрували мюони, породжені первинними нуклонами з енергією аж до 1015-1016 еВ. Мюони залишали сліди на стопках листів двосторонньої рентгенівської плівки загальною площею 4000 квадратних метрів, прослоенних свинцевими пластинами. Московські фізики отримали дуже цікаві результати, які дозволили виправити помилки, допущені їхніми американськими колегами.

Чи вистачить у наднових енергії для виробництва космічних променів? Як вже говорилося, щільність їх енергії поблизу Сонця дорівнює 1 еВ / см3; середня щільність по всьому галактичного диску може бути більше, але швидше за все не перевищує 2 еВ / см3. Оскільки обсяг диска дорівнює 1 067 см³, повна максимальна енергія космічних променів дорівнює 2х1067 еВ, або 6х1055 ерг. Середній час життя мандрівних частинок космічного випромінювання в нашій Галактиці оцінюється в 15 млн років, або 5,4х1014с. Частка від ділення цих величин, що дорівнює 6х1040 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 1,5х109с, і кожен вибух викидає частинки з середньою сумарною енергією 1050 ерг. Так що щосекундне генерування енергії становить як мінімум 6х1040 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 108 до 1020 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 між-зіркової середовища. На кожному перескока протон збільшує кінетичну енергію за рахунок енергії ударної 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 1012 еВ, але в куди менших кількостях генерує частинки з великими енергіями. «Цей механізм добре пояснює прискорення протонів і складових ядер до енергії близько 1016 еВ, - говорить професор астрономії та астрофізики Чиказького університету Анжела Олінто. - Не виключено, що вибухи найпотужніших колапсуючої зірок розганяють протони навіть до 1018 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

Півстоліття тому американські фізики зареєстрували широкий космічний злива, породжений часткою з енергією 100 ЕеВ (ексаелектронвольт). З тих пір спостерігалися лише десятки подій таких масштабів. Все ще неперекритих рекорд був встановлений 15 жовтня 1991 року, коли детектор Fly's Eye в американському штаті Юта виявив зливову підпис частки з енергією 320 ЕеВ, або 51 Дж (таку кінетичну енергію має тенісний м'яч, що летить зі швидкістю 160 км / год).

Заряджені частинки космічних променів розганяються до величезних енергій, перескакуючи з ударної хвилі вибуху наднової в ще нестиснене речовина між-зіркового газу, подібно до того, як серфер прискорюється, скочуючись з гребеня хвилі.

Зараз ці частинки вивчають тільки в трьох місцях - це Обсерваторія імені Оже, що працює з 2007 року комплекс Telescope Array в штаті Юта і російська установка шал в селищі Октемци на південь від Якутська (єдина з трьох з мюонів детекторами). Походження цих частинок поки невідомо; немає навіть повної впевненості, що всі вони є протонами, альфа-частинками або ядрами металів. За найпоширенішою версією, вони народжуються в активних ядрах галактик. Але існують і інші пояснення, які їх пов'язують з гамма-сплесками, аккреционного процесами поблизу сильно намагнічених нейтронних зірок, злиттям чорних дір і навіть розпадом гіпотетичних масивних частинок темної матерії або дезінтеграцією ще більш гіпотетичних топологічних дефектів простору, успадкованих від епохи Великого вибуху.

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.

Піти по сліду

Ультрарелятивістських баріони дуже слабо відхиляються міжгалактичними магнітними полями, так що їх траєкторії приблизно вказують напрямок на джерело. Астрономи намагаються вийти таким способом на самі джерела, однак, за словами професора Олінто, без особливих успіхів. Щоб полегшити рішення цього завдання, треба реєструвати побільше частинок надвисоких енергій. На це націлений міжнародний проект JEM-EUSO (Japanese Experiment Module - Extreme Universe Space Observatory), який передбачає установку в 2016 році в японському модулі Міжнародної космічної станції унікального широкоугольного телескопа. Цей апарат буде відслідковувати ультрафіолетові фотони, які виникають в атмосферних зливах, породжених частками з енергіями в десятки і сотні ЕеВ. Оскільки орбітальний телескоп буде мати більш широке поле зору, ніж наземні установки, він зможе відловлювати набагато більше частинок.

У підготовці проекту JEM-EUSO Вже кілька років беруть участь и російські Вчені. «У рамках цієї програми ми сконструювалі прилади для наукових міні-супутніків« Тетяна-1 »и« Тетяна-2 », а на Майбутній рік сподіваємося запустіті куди більш важкий супутник« Ломоносов », - говорити директор НДІ ядерної фізики імені Скобельціна при МГУ Михайло Панасюк. - Одна з цілей цих запусків полягає у відпрацюванні методів виділення ультрафіолетових спалахів від космічних променів на загальному тлі ультрафіолетового свічення атмосфери. Це дуже непросте завдання, і інформація із супутників допоможе її вирішити. Ми також займаємося моделюванням атмосферних процесів, що мають відношення до роботи телескопа, і його механічними системами: телескоп буде доставлений на орбіту в складеному вигляді, після чого його приведуть в робочий стан. На жаль, поки що доля цього експерименту не ясна, оскільки у вересні минулого року NASA відмовилося від участі в проекті. Через це в Японії поки не прийнято остаточне рішення про запуск телескопа, хоча цей експеримент активно підтримується і субсидується Європейським космічним агентством ».

На шляху до нової фізики

В останні роки космічні промені знову увійшли в сферу інтересів фундаментальної фізики. «Часток низьких енергій, що не перевищують 1012еВ, дуже багато, їх легко реєструють прилади наземного, повітряного і космічного базування. Цим займається і детекторний комплекс PAMELA, встановлений на російському супутнику «Ресурс-ДК1», запущеному в червні 2006 року, - пояснює «Популярною механіці» провідний науковий співробітник Інституту ядерної фізики РАН Сергій Троїцький. - Прилади зафіксували надлишок позитронів певних енергій, який досить важко пояснити. Є підозри, що «зайві» позитрони виникають при анігіляції ще не відкритих частинок темної матерії. Якщо ці підозри підтвердяться, з'являться шанси отримувати інформацію про її властивості з спостережень космічних випромінювань.

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? »

Стаття «Космічні дощі» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №9, Сентябрь 2012 ).