Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu 		 
Na saite
Astrometriya
Astronomicheskie instrumenty
Astronomicheskoe obrazovanie
Astrofizika
Istoriya astronomii
Kosmonavtika, issledovanie kosmosa
Lyubitel'skaya astronomiya
Planety i Solnechnaya sistema
Solnce


Kosmicheskie luchi

1. Vvedenie
2. Metody izucheniya kosmicheskih luchei
3. Kosmicheskie luchi u Zemli
4. Proishozhdenie kosmicheskih luchei
5. Mehanizmy uskoreniya kosmicheskih luchei

1. Vvedenie

Zemlya postoyanno bombardiruetsya zaryazhennymi chasticami vysokoi energii, prihodyashimi iz mezhzvezdnogo prostranstva - K. l. Inogda intensivnost' K. l. rezko vozrastaet za schet potokov chastic, porozhdaemyh vspyshkami na Solnce (t.n. solnechnyh kosmicheskih luchei).

K. l. napominayut sil'no razrezhennyi relyativistskii gaz, chasticy k-rogo prakticheski ne vzaimodeistvuyut drug s drugom, no ispytyvayut redkie stolknoveniya s veshestvom mezhzvezdnoi i mezhplanetnoi sred i vozdeistvie kosmich. magn. polei. V sostave K. l. preobladayut protony, imeyutsya takzhe elektrony, yadra geliya i bolee tyazhelyh elementov (vplot' do yader elementov s $Z\approx$30). Elektronov v K. l. v sotni raz men'she, chem protonov (v odnom i tom zhe diapazone energii). Chasticy K. l. obladayut ogromnymi kinetich. energiyami (vplot' do $\varepsilon_K\sim 10^{21}$ eV). Hotya summarnyi potok K. l. u Zemli nevelik [vsego $\approx$1 chastica/(sm2s)], plotnost' ih energii (ok. 1 eV/sm3) sravnima (v predelah nashei Galaktiki) s plotnost'yu energii summarnogo el.-magn. izlucheniya zvezd, energii teplovogo dvizheniya mezhzvezdnogo gaza i kinetich. energii ego turbulentnyh dvizhenii, a takzhe s plotnost'yu energii magnitnogo polya Galaktiki. Otsyuda sleduet, chto K. l. dolzhny igrat' bol'shuyu rol' v processah, idushih v mezhzvezdnom prostranstve.

Dr. vazhnaya osobennost' K. l. - neteplovoe proishozhdenie ih energii. Deistvitel'no, dazhe pri temp-re ~ 109 K, po-vidimomu, blizkoi k maksimal'noi dlya zvezdnyh nedr, srednyaya energiya teplovogo dvizheniya chastic $\approx 3\cdot 10^5$ eV. Osn. zhe kolichestvo chastic K. l., nablyudaemyh u Zemli, imeet energii ot 108 eV i vyshe. Eto oznachaet, chto K. l. priobretayut energiyu v specificheskih astrofizich. processah el.-magn. i plazmennoi prirody.

Izuchenie K. l. daet cennye svedeniya ob el.-magn. polyah v razlichnyh oblastyah kosmicheskogo prostranstva. Informaciya, "zapisannaya" i "perenosimaya" chasticami K. l. na ih puti k Zemle, rasshifrovyvaetsya pri issledovanii variacii kosmicheskih luchei - prostranstvenno-vremennyh izmenenii potoka K. l. pod vliyaniem dinamicheskih el.-magn. i plazmennyh processov v mezhzvezdnom i okolozemnom prostranstve.

S drugoi storony, v kachestve estestvennogo istochnika chastic vysokoi energii K. l. igrayut nezamenimuyu rol' pri izuchenii stroeniya veshestva i vzaimodeistvii mezhdu elementarnymi chasticami. Energii otdel'nyh chastic K. l. stol' veliki, chto oni eshe dolgo budut ostavat'sya vne konkurencii po sravneniyu s chasticami, uskorennymi (do energii ~ 1012 eV) samymi moshnymi laboratornymi uskoritelyami.

2. Metody izucheniya kosmicheskih luchei

Ris. 1. Shema vzaimodeistviya kosmicheskih
luchei s atmosferoi Zemli. Pervichnoe yadro
vysokoi energii r (obychno proton) razrushaet
yadra atmosfernogo azota ili kisloroda i
porozhdaet kaskad vtorichnyh chastic, potok
kotoryh uslovno razdelyayut na tri komponenta:
elektronno-fotonnyi (1), myu-mezonnyi (2)
i nuklonnyi (3).
Vtorgayas' v atmosferu Zemli, pervichnye K. l. razrushayut yadra naibolee rasprostranennyh v atmosfere elementov - azota i kisloroda - i porozhdayut kaskadnyi process (ris. 1), v k-rom uchastvuyut vse izvestnye v nastoyashee vremya elementarnye chasticy. Prinyato harakterizovat' put', proidennyi chasticei K. l. v atmosfere do stolknoveniya, kolichestvom veshestva v grammah, zaklyuchennogo v stolbe secheniem 1 sm2, t.e. vyrazhat' probeg chastic v g/sm2 veshestva atmosfery. Eto znachit, chto posle prohozhdeniya tolshi atmosfery h (v g/sm2) v puchke protonov s pervonachal'noi intensivnost'yu I0 kolichestvo protonov, ne ispytavshih stolknoveniya, budet ravno $I=I_0e^{-x/\lambda}$, gde $\lambda$ - sr. probeg chasticy. Dlya protonov, k-rye sostavlyayut bol'shinstvo pervichnyh K. l., $\lambda$ v vozduhe raven primerno 70 g/sm2; dlya yader geliya $\lambda\approx$25 g/sm2, dlya bolee tyazhelyh yader eshe men'she. Pervoe stolknovenie ($x\approx$70 g/sm2) s atmosfernymi chasticami protony ispytyvayut v srednem na vysote 20 km. Tolshina atmosfery na urovne morya ekvivalentna 1030 g/sm2, t.e. sootvetstvuet primerno 15 yadernym probegam dlya protonov. Otsyuda sleduet, chto veroyatnost' dostich' poverhnosti Zemli, ne ispytav stolknovenii, dlya pervichnoi chasticy nichtozhno mala. Poetomu na poverhnosti Zemli K. l. obnaruzhivayutsya lish' po slabym effektam ionizacii, sozdavaemoi vtorichnymi chasticami.

V nachale 20 v. v opytah s elektroskopami i ionizac. kamerami byla obnaruzhena postoyannaya ostatochnaya ionizaciya gazov, vyzyvaemaya kakim-to ochen' pronikayushim izlucheniem. V otlichie ot izlucheniya radioaktivnyh veshestv okruzhayushei sredy, pronikayushee izluchenie ne mogli zaderzhat' dazhe tolstye sloi svinca. Vnezemnaya priroda obnaruzhennogo pronikayushego izlucheniya byla ustanovlena v 1912-14 gg. avstr. fizikom V. Gessom, nem. uchenym V. Kol'hersterom i dr. fizikami, podnimavshimisya s ionizac. kamerami na vozdushnyh sharah. Bylo naideno, chto s uvelicheniem rasstoyaniya ot poverhnosti Zemli ionizaciya, vyzyvaemaya K. l., rastet, napr. na vysote 4800 m - vchetvero, na vysote 8400 m - v 10 raz. Vnezemnoe proishozhdenie K. l. okonchatel'no dokazal R. Milliken (SShA), osushestvivshii v 1923-26 gg. seriyu opytov po issledovaniyu poglosheniya K. l. atmosferoi (imenno on vvel termin "K. l.").

Priroda K. l. vplot' do 40-h gg. ostavalas' neyasnoi. V techenie etogo vremeni intensivno razvivalos' yadernoe napravlenie - izuchenie vzaimodeistviya K. l. s veshestvom, obrazovaniya vtorichnyh chastic i ih poglosheniya v atmosfere. Eti issledovaniya, provodivshiesya pri pomoshi schetchikovyh teleskopov, kamer Vil'sona i yadernyh fotoemul'sii (podnimaemyh na sharah-zondah v stratosferu), priveli, v chastnosti, k otkrytiyu novyh elementarnyh chastic - pozitrona (1932 g.), myuona (1937 g.), pi-mezonov (1947 g.).

Sistematich. issledovaniya vliyaniya geomagn. polya na intensivnost' i napravlenie prihoda pervichnyh K. l. pokazali, chto podavlyayushee bol'shinstvo chastic K. l. imeet polozhit. zaryad. S etim svyazana vostochno-zapadnaya asimmetriya K. l.: iz-za otkloneniya zaryazhennyh chastic v magn. pole Zemli s zapada prihodit bol'she chastic, chem s vostoka.

Primenenie fotoemul'sii pozvolilo v 1948 g. ustanovit' yadernyi sostav pervichnyh K. l.: byli obnaruzheny sledy yader tyazhelyh elementov vplot' do zheleza (pervichnye elektrony v sostave K. l. byli vpervye zaregistrirovany v stratosfernyh izmereniyah lish' v 1961 g.). S konca 40-h gg. na perednii plan postepenno vydvinulis' problemy proishozhdeniya i vremennyh variacii K. l. (kosmofizich. aspekt).

Yaderno-fizich. issledovaniya K. l. osushestvlyayutsya v osnovnom pri pomoshi schetchikovyh ustanovok bol'shoi ploshadi, prednaznachennyh dlya registracii t.n. shirokih atmosfernyh livnei iz vtorichnyh chastic, k-rye obrazuyutsya pri vtorzhenii odnoi pervichnoi chasticy s energiei $\varepsilon_K\ge 10^{15}$ eV. Osn. cel' takih nablyudenii - izuchenie harakteristik elementarnogo akta yadernogo vzaimodeistviya pri vysokih energiyah. Naryadu s etim oni dayut informaciyu ob energetich. spektre K. l. pri $\varepsilon_K\sim 10^{15}-10^{20}$ eV, chto ochen' vazhno dlya poiska istochnikov i mehanizmov uskoreniya K. l.

Nablyudeniya K. l. v kosmofizich. aspekte provodyatsya ves'ma raznoobraznymi metodami - v zavisimosti ot energii chastic. Variacii K. l. s $\varepsilon_K= 10^9-10^{12}$ eV izuchayutsya po dannym mirovoi seti neitronnyh monitorov (neitronnyi komponent K. l.), schetchikovyh teleskopov (myuonnyi komponent K. l.) i dr. detektorov. Odnako nazemnye ustanovki iz-za atmosfernogo poglosheniya nechuvstvitel'ny k chasticam s $\varepsilon_K < 500$ MeV. Poetomu pribory dlya registracii takih chastic podnimayut na sharah-zondah v stratosferu do vysot 30-35 km.

Vneatmosfernye izmereniya potoka K. l. $\varepsilon_K=$1-500 MeV osushestvlyayutsya pri pomoshi geofizich. raket, ISZ i dr. KA. Pryamye nablyudeniya K. l. v mezhplanetnom prostranstve osushestvleny poka lish' vblizi ploskosti ekliptiki do rasstoyaniya ~ 10 a. e. ot Solnca.

Ryad cennyh rezul'tatov dal metod kosmogennyh izotopov. Oni obrazuyutsya pri vzaimodeistvii K. l. s meteoritami i kosmich. pyl'yu, s poverhnost'yu Luny i dr. planet, s atmosferoi ili veshestvom Zemli. Kosmogennye izotopy nesut informaciyu o variaciyah K. l. v proshlom i o solnechno-zemnyh svyazyah. Po soderzhaniyu radiougleroda 14S v godichnyh kol'cah derev'ev mozhno, napr., izuchat' variacii intensivnosti K. l. na protyazhenii nesk. poslednih tysyach let. Po dr. dolgozhivushim izotopam (10Ve, 26Al, 53Mn i dr.), soderzhashimsya v meteoritah, lunnom grunte, v glubokovodnyh morskih otlozheniyah, mozhno vosstanovit' kartinu izmenenii intensivnosti K. l. za milliony let.

S razvitiem kosmich. tehniki i radio-himich. metodov analiza stalo vozmozhnym izuchenie harakteristik K. l. po trekam (sledam), sozdavaemym yadrami K. l. v meteoritah, lunnom veshestve, v spec. obrazcah-mishenyah, eksponiruemyh na ISZ i vozvrashaemyh na Zemlyu, v shlemah kosmonavtov, rabotavshih v otkrytom kosmose, i t.p. Ispol'zuetsya takzhe kosvennyi metod izucheniya K. l. po effektam ionizacii, vyzyvaemym imi v nizhnei chasti ionosfery, osobenno v polyarnyh shirotah. Eti effekty sushestvenny gl. obr. pri vtorzhenii v zemnuyu atmosferu solnechnyh K. l.

3. Kosmicheskie luchi u Zemli

Tabl. 1. Otnositel'noe soderzhanie yader v kosmicheskih luchah, na Solnce i zvezdah (v srednem)
Element Solnechnye K.l. Solnce (fotosfera) Zvezdy Galakticheskie K.l.
1H4600*1445925685
2He ($\alpha$-chastica)70*9115048
3Li?<10-5<10-50,3
4Be-5B0,02<10-5<10-50,8
6C0,54*0,60,261,8
7N0,200,10,20$\le$0,8
8O**1,0*1,01,01,0
9F<0,0310-3<10-4$\le$0,1
10Ne0,16*0,0540,360,30
11Na?0,0020,0020,19
12Mg0,18*0,050,0400,32
13Al?0,0020,0040,06
14Si0,13*0,0650,0450,12
15P-21Sc0,060,0320,0240,13
16S-20Ca0,04*0,0280,020,11
22Ti-28Ni0,020,0060,0330,28
26Fe0,15*0,050,060,14

* Dannye nablyudenii dlya intervala $\varepsilon_K$=1-20 MeV/nuklon, ostal'nye cifry v etoi grafe otnosyatsya v osnovnom k $\varepsilon$ >40 MeV/nuklon. Tochnost' bol'shinstva znachenii v tablice v celom - ot 10 do 50%. ** Obilie yader kisloroda prinyato za edinicu.

Vazhneishimi harakteristikami K. l. yavl. ih sostav (raspredelenie po massam i zaryadam), energetich. spektr (raspredelenie po energiyam) i stepen' anizotropii (raspredelenie po napravleniyam prihoda). Otnositel'noe soderzhanie yader v K. l. privedeno v tabl.1. Iz tabl. 1 vidno, chto v sostave K. l. galaktich. proishozhdeniya gorazdo bol'she legkih yader (Z= 3-5), chem v solnechnyh K. l. i v srednem v zvezdah Galaktiki. Krome togo, v nih prisutstvuet znachitel'no bol'she tyazhelyh yade ($Z\ge$20) po sravneniyu s ih estestv rasprostranennost'yu. Oba eti razlichi ochen' vazhny dlya vyyasneniya vopros o proishozhdenii K. l.

Otnositel'nye chisla chastic s razlichnoi massoi v K. l. privedeny v tabl. 2.

Tabl. 2. Sostav i nekotorye harakteristiki kosmicheskih luchei s energiyami $\varepsilon\le$2,5 GeV/nuklon
Gruppa Chasticy, vhodyashie v gruppu Zaryad yadra Srednyaya atomnaya massa, a.e.m. Intensivnost', chislo chastic/(m$^2\cdot$s$\cdot$sr)
Chislo chastic na 10 tys. protonov
  v srednem
  v zvezdah
  Galaktiki
pprotony1113001000010000
$\alpha$-chasticayadra geliya24947201600
Llegkie yadra3-5102,01510-4
Msrednie yadra6-9146,75214
Htyazhelye yadra$\ge$10312,0156
VHochen' tyazhelye yadra$\ge$20510,540,06
SHsamye tyazhelye yadra > 30100~10-4~10-3$7\cdot 10^{-5}$
eelektrony11/18361310010000

Vidno, chto v potoke pervichnyh K. l preobladayut protony, ih bolee 90% ot chisla vseh chastic. Po otnosheniv k protonam $\alpha$-chasticy sostavlyayut 7%, elektrony ~ 1% i tyazhelye yadra - menee 1%. Eti cifry otnosyatsya k chasticam s energiei $\varepsilon_K\ge$2,5 GeV/nuklon po izmereniyam u Zemli v minimume solnechnoi aktivnosti, kogda nablyudaemye energetich. spektr mozhno schitat' blizkim k nemodulirovannomu spektru K. l. v mezhzvezdnom prostranstve.

Integral'nyi energetich. spektr K. l. $I(>\varepsilon_K)=I_0\;\varepsilon_K^{-(\gamma+1)}$ [chastic/(sm2s)] otrazhaet zavisimost' chisla chastic I s energiei vyshe $\varepsilon_K$ (I0 - normirovochnaya konstanta, $\gamma$+1 - pokazatel' spektra, znak minus ukazyvaet na to, chto spektr imeet padayushii harakter, t.e. s uvelicheniem $\varepsilon_K$ intensivnost' K. l. umen'shaetsya). Chasto pol'zuyutsya takzhe differencial'nym predstavleniem spektra $D(\varepsilon_K)=D_0\;\varepsilon_K^{-\gamma}$ [chastic/(sm2s MeV)], kotoroe otrazhaet zavisimost' ot $\varepsilon_K$ chisla chastic v raschete na edinichnyi interval energii (1 MeV).

Ris. 2. Differencial'nyi spektr kosmicheskih
luchei v mezhplanetnom prostranstve vblizi
orbity Zemli: 1 - protony; 2 - $\alpha$-chasticy
galakticheskih kosmicheskih luchei; 3 - protony
ot solnechnyh vspyshek. Dlya sravneniya pokazany
spektry protonov i $\alpha$-chastic solnechnogo
vetra (krivye 4 i 5 sootvetstvenno).
Differencial'nyi spektr po sravneniyu s integral'nym pozvolyaet vyyavit' bolee tonkie detali energetich. raspredeleniya K. l. Eto vidno iz ris. 2, gde pokazan differencial'nyi spektr K. l., nablyudaemyi u Zemli v intervale primerno ot 106 do $3\cdot 10^{11}$ eV. Chasticy K. l. s energiyami, popadayushimi v etot interval, podverzheny vliyaniyu solnechnoi aktivnosti, poetomu izuchenie energetich. spektra K. l. v intervale 106-1011 eV kraine vazhno dlya ponimaniya proniknoveniya K. l. iz mezhzvezdnogo v mezhplanetnoe prostranstvo, vzaimodeistviya K. l. s mezhplanetnym magn. polem (MMP) i solnechnym vetrom, dlya interpretacii solnechno-zemnyh svyazei.

Do nachala vneatmosfernyh i vnemagnitosfernyh nablyudenii K. l. vopros o forme differencial'nogo spektra v oblasti $\varepsilon_K\le 10^9$ eV kazalsya dovol'no yasnym: spektr u Zemli imeet maksimum vblizi $\varepsilon_K\approx$400 MeV/nuklon; nemodulirovannyi spektr v mezhzvezdnom prostranstve dolzhen imet' stepennuyu formu; v mezhplanetnom prostranstve ne dolzhno byt' galaktich. K. l. malyh energii. Pryamye izmereniya K. l. v intervale $\varepsilon_K$ ot 106 do 108 eV pokazali, vopreki ozhidaniyam, chto, nachinaya primerno s $\varepsilon_K$= 30 MeV (i nizhe), intensivnost' K. l. snova rastet, t.e. byl obnaruzhen harakternyi proval v spektre. Veroyatno, proval - eto rezul'tat usilennoi modulyacii K. l. v oblasti $\varepsilon_K\sim 10^7-10^8$ eV, gde rasseyanie chastic na neodnorodnostyah MMP naibolee effektivno.

Ris. 3. Amplituda zvezdno-sutochnoi
anizotropii Azv kosmicheskih luchei
v zavisimosti ot energii $\varepsilon_K$ v
intervale 1011-1020 eV.
Maksimal'noe znachenie Azv= 35% nablyudalos'
pri $\varepsilon_K=2\cdot 10^{19}$ eV.
Ustanovleno, chto pri $\varepsilon_K\ge 3\cdot 10^9$ eV spektr K. l. uzhe ne podverzhen modulyacii, a ego naklon sootvetstvuet velichine $\gamma\approx$2,7 vplot' do $\varepsilon_K\approx3\cdot 10^{15}$ eV. V etoi tochke spektr preterpevaet izlom (pokazatel' uvelichivaetsya do $\gamma$=3,2-3,3). Imeyutsya ukazaniya na to, chto odnovremenno v sostave K. l. uvelichivaetsya dolya tyazhelyh yader. Odnako dannye o sostave K. l. v etoi oblasti energii poka ves'ma skudny. Pri $\varepsilon_K > 10^{19}-10^{20}$ eV spektr dolzhen rezko obryvat'sya iz-za uhoda chastic v mezhgalaktich. prostranstvo i vzaimodeistviya s fotonami mikrovolnovogo fonovogo izlucheniya. Potok chastic v oblasti sverhvysokih energii ochen' mal: na ploshad' 10 km2 za god popadaet v srednem ne bolee odnoi chasticy s $\varepsilon_K\sim 10^{20}$ eV.

Dlya K. l. s $\varepsilon_K\sim 10^{11}-10^{15}$ eV harakterna vysokaya izotropiya: s tochnost'yu do 0,1% intensivnost' chastic po vsem napravleniyam odinakova. Pri bolee vysokih energiyah anizotropiya rastet i v intervale $\varepsilon_K\sim 10^{19}-10^{20}$ eV dostigaet nesk. desyatkov % (ris. 3). Anizotropiya ~ 0,1% s maksimumom vblizi 19 ch zvezdnogo vremeni sootvetstvuet preimushestvennomu napravleniyu dvizheniya K. l. vdol' silovyh linii magn. polya galaktich. spiral'nogo rukava, v k-rom nahoditsya Solnce. S rostom energii chastic vremya maksimuma sdvigaetsya k 13 ch zvezdnogo vremeni, chto sootvetstvuet nalichiyu dreifovogo potoka K. l. s $\varepsilon_K\ge 3\cdot 10^{15}$ eV iz Galaktiki poperek magnitnyh silovyh linii.

4. Proishozhdenie kosmicheskih luchei

Iz-za vysokoi izotropii K. l. nablyudeniya u Zemli ne pozvolyayut ustanovit', gde oni obrazuyutsya i kak raspredeleny vo Vselennoi. Na eti voprosy otvetila radioastronomiya v svyazi s otkrytiem kosmich. sinhrotronnogo izlucheniya v diapazone radiochastot $\nu\sim 10^7-10^9$ Gc. Eto izluchenie sozdaetsya elektronami ochen' vysokoi energii pri ih dvizhenii v magn. pole Galaktiki.

Chastota $\nu$, na k-roi intensivnost' radioizlucheniya maksimal'na, svyazana s napryazhennost'yu magn. polya N i energiei elektrona $\varepsilon_K$ sootnosheniem $\nu=4,6\cdot 10^{-6} \varepsilon_K^2\cdot H\sin\theta$ (Gc), gde $\theta$ - pitch-ugol elektrona (ugol mezhdu vektorom skorosti elektrona i vektorom N). Magn. pole Galaktiki, izmerennoe nesk. metodami, imeet velichinu $(2-7)\cdot 10^{-6}$ E. V srednem, pri $H=3\cdot 10^{-6}$ E i $\sin\theta$=0,5, $\varepsilon_K\sim 10^9-10^{10}$ eV, t.e. radioizluchayushie elektrony dolzhny imet' takie zhe energii, kak i osn. massa K. l., nablyudaemyh u Zemli. Eti elektrony, yavlyayushiesya odnim iz komponentov K. l., zanimayut protyazhennuyu oblast', ohvatyvayushuyu vsyu Galaktiku i nazyvaemuyu galaktich. galo. V mezhzvezdnyh magn. polyah elektrony dvizhutsya podobno dr. zaryazhennym chasticam vysokoi energii - protonam i bolee tyazhelym yadram. Raznica sostoit lish' v tom, chto blagodarya maloi masse elektrony, v otlichie ot bolee tyazhelyh chastic, intensivno izluchayut radiovolny i tem samym obnaruzhivayut sebya v udalennyh chastyah Galaktiki, yavlyayas' indikatorom K. l. voobshe.

Krome obshego galaktich. sinhrotronnogo radioizlucheniya byli obnaruzheny diskretnye ego istochniki: obolochki sverhnovyh zvezd, yadro Galaktiki, radiogalaktiki, kvazary. Estestvenno ozhidat', chto vse eti ob'ekty-istochniki K. l.

Ris. 4. Zavisimost' potoka gamma-luchei
$F_\gamma$ ot galakticheskoi dolgoty l
po dannym nablyudenii (vertikal'nye
chertochki) v sravnenii s rezul'tatami
rascheta (sploshnaya krivaya) na osnove
gipotezy ob ostatkah vspyshek sverhnovyh
kak glavnom istochnike kosmicheskih luchei.
Do nachala 70-h gg. 20 v. mnogie issledovateli schitali, chto K. l. s $\varepsilon_K > 3\cdot 10^{15}$ eV imeyut v osnovnom metagalaktich. proishozhdenie. Pri etom ukazyvalos' na otsutstvie izvestnyh galaktich. istochnikov chastic s $\varepsilon_K$ vplot' do 1021 eV i na trudnosti, svyazannye s problemoi ih uderzhaniya v Galaktike. V svyazi s otkrytiem pul'sarov (1967 g.) byl rassmotren ryad vozmozhnyh mehanizmov uskoreniya do sverhvysokih energii dazhe ochen' tyazhelyh yader. S drugoi storony, poluchennye dannye svidetel'stvuyut o tom, chto nablyudaemye u Zemli elektrony obrazuyutsya i nakaplivayutsya v Galaktike. Net nikakih osnovanii dumat', chto protony i bolee tyazhelye yadra vedut sebya v etom otnoshenii po-drugomu. T.o., opravdyvaetsya teoriya galaktich. proishozhdeniya K. l.

Kosvennoe podtverzhdenie etoi teorii polucheno iz dannyh o raspredelenii po nebesnoi sfere istochnikov kosmich. gamma-izlucheniya. Eto izluchenie voznikaet za schet raspada $\pi^0$-mezonov, k-rye obrazuyutsya pri stolknoveniyah K. l. s chasticami mezhzvezdnogo gaza, a takzhe vsledstvie tormoznogo izlucheniya relyativistskih elektronov pri ih stolknoveniyah s chasticami mezhzvezdnogo gaza. Gamma-luchi ne podverzheny vozdeistviyu magn. polei, poetomu napravlenie ih prihoda neposredstvenno ukazyvaet na istochnik. V otlichie ot nablyudaemogo vnutri Solnechnoi sistemy pochti izotropnogo raspredeleniya K. l., raspredelenie gamma-izlucheniya po nebu okazalos' ves'ma neravnomernym i podobnym raspredeleniyu sverhnovyh zvezd po galaktich. dolgote (ris. 4). Horoshee sovpadenie eksperimental'nyh dannyh s ozhidaemym raspredeleniem gamma-izlucheniya po nebesnoi sfere sluzhit vesomym dokazatel'stvom togo, chto osn. istochnik K. l.- sverhnovye zvezdy.

Teoriya proishozhdeniya K. l. opiraetsya ne tol'ko na gipotezu o galaktich. prirode istochnikov K. l., no i na predstavlenie o tom, chto K. l. dlitel'noe vremya uderzhivayutsya v Galaktike, medlenno vytekaya v mezhgalaktich. prostranstvo. Dvigayas' po pryamoi, K. l. pokinuli by Galaktiku spustya nesk. tysyach let posle momenta generacii. V masshtabah Galaktiki eto vremya stol' malo, chto vospolnit' poteri pri takoi bystroi utechke bylo by nevozmozhno. Odnako v mezhzvezdnom magn. pole s sil'no zaputannymi silovymi liniyami dvizhenie K. l. imeet slozhnyi harakter, napominayushii diffuziyu molekul v gaze. V rezul'tate vremya utechki K. l. iz Galaktiki okazyvaetsya v tysyachi raz bol'shim, chem pri pryamolineinom dvizhenii. Skazannoe kasaetsya osn. chasti chastic K. l. (s $\varepsilon_K < 3\cdot 10^{15}$ eV). Chasticy s bolee vysokoi energiei, chislo k-ryh ochen' malo, slabo otklonyayutsya galaktich. magn. polem i pokidayut Galaktiku sravnitel'no bystro. S etim, po-vidimomu, svyazan izlom v spektre K. l. pri $\varepsilon_K \approx 3\cdot 10^{15}$ eV.

Naibolee nadezhnaya ocenka vremeni utechki K. l. iz Galaktiki poluchaetsya po dannym ob ih sostave. V K. l. v ochen' bol'shom kolichestve (po sravneniyu so sr. rasprostranennost'yu elementov) prisutstvuyut legkie yadra (Li, Be, V). Oni obrazuyutsya iz bolee tyazhelyh yader K. l. pri stolknovenii poslednih s yadrami atomov mezhzvezdnogo gaza (v osnovnom vodoroda). Dlya togo chtoby legkie yadra prisutstvovali v nablyudaemom kolichestve, K. l. za vremya ih dvizheniya v Galaktike dolzhny prohodit' tolshu mezhzvezdnogo veshestva ok. 3 g/sm. Soglasno dannym o raspredelenii mezhzvezdnogo gaza i ostatkov vspyshek sverhnovyh zvezd, vozrast K. l. ne prevyshaet 30 mln. let.

V pol'zu sverhnovyh kak osn. istochnika K. l., krome dannyh radio-, rentgenovskoi i gamma-astronomii, govoryat takzhe ocenki ih energovydeleniya pri vspyshkah. Vspyshki sverhnovyh soprovozhdayutsya vybrosom ogromnyh mass gaza, obrazuyushih vokrug vzryvayusheisya zvezdy bol'shuyu yarko svetyashuyusya i rasshiryayushuyusya obolochku (tumannost'). Polnaya energiya vzryva, k-raya uhodit na izluchenie i kinetich. energiyu razleta gaza, mozhet dostigat' 1051-1052 erg. V nashei Galaktike, po poslednim dannym, sverhnovye vspyhivayut v srednem ne rezhe odnogo raza v 100 let. Esli otnesti energiyu vspyshki 1051 erg k etomu promezhutku vremeni, to sr. moshnost' vspyshek sostavit ok. $3\cdot 10^{41}$ erg/s. S drugoi storony, dlya podderzhaniya sovr. plotnosti energii K. l. ok. 1 eV/sm$^3=1,6\cdot 10^{-12} \mbox{erg/sm}^3$ moshnost' istochnikov K. l. pri sr. vremeni zhizni K. l. v Galaktike $3\cdot 10^7$ let dolzhna byt' ne men'she 1040 erg/s. Otsyuda sleduet, chto dlya podderzhaniya plotnosti energii K. l. na sovr. urovne dostatochno, chtoby im bylo peredano vsego nesk. % moshnosti vspyshki sverhnovoi. Odnako radioastronomiya pozvolyaet neposredstvenno obnaruzhit' tol'ko radioizluchayushie elektrony. Poetomu eshe nel'zya okonchatel'no utverzhdat' (hotya eto predstavlyaetsya vpolne estestvennym, osobenno v svete dostizhenii gamma-astronomii) , chto pri vspyshkah sverhnovyh generiruetsya takzhe dostatochnoe kolichestvo protonov i bolee tyazhelyh yader. V svyazi s etim ne poteryali znacheniya poiski i dr. vozmozhnyh istochnikov K. l. Bol'shoi interes v etom otnoshenii predstavlyayut pul'sary (gde, po-vidimomu, vozmozhno uskorenie chastic do sverhvysokih energii) i oblast' galaktich. yadra (gde vozmozhny vzryvnye processy gorazdo bol'shei moshnosti, chem vzryvy sverhnovyh). Odnako moshnost' generacii K. l. galaktich. yadrom ne prevoshodit, po-vidimomu, summarnoi moshnosti ih generacii pri vspyshkah sverhnovyh. Krome togo, bol'shaya chast' K. l., obrazovannyh v yadre, pokinet disk Galaktiki ran'she, chem dostignet okrestnostei Solnca. T.o., mozhno schitat', chto vspyshki sverhnovyh yavl. glavnym, hotya i ne edinstvennym istochnikom K. l.

5. Mehanizmy uskoreniya kosmicheskih luchei

Vopros o vozmozhnyh mehanizmah uskoreniya chastic do energii ~ 1021 eV v detalyah eshe dalek ot okonchat. resheniya. Odnako v obshih chertah priroda processa uskoreniya uzhe yasna. V obychnom (neionizovannom) gaze pereraspredelenie energii mezhdu chasticami proishodit za schet ih stolknovenii mezhdu soboi. V razrezhennoi kosmich. plazme stolknoveniya mezhdu zaryazhennymi chasticami igrayut ochen' maluyu rol', a izmenenie energii (uskorenie ili zamedlenie) otdel'noi chasticy obuslovleno ee vzaimodeistviem s el.-magn. polyami, voznikayushimi pri dvizhenii vseh okruzhayushih ee chastic plazmy.

V obychnyh usloviyah chislo chastic s energiei, zametno prevyshayushei sr. energiyu teplovogo dvizheniya chastic plazmy, nichtozhno malo. Poetomu uskorenie chastic dolzhno nachinat'sya prakticheski ot teplovyh energii. V kosmich. plazme (elektricheski neitral'noi) ne mogut sushestvovat' skol'ko-nibud' znachitel'nye elektrostatich. polya, k-rye mogli by uskoryat' zaryazhennye chasticy za schet raznosti potencialov mezhdu tochkami polya. Odnako v plazme mogut voznikat' elektrich. polya impul'snogo ili indukcionnogo haraktera. Impul'snye elektrich. polya poyavlyayutsya, napr., pri razryve neitral'nogo tokovogo sloya, voznikayushego v oblasti coprikosnoveniya magn. polei protivopolozhnoi polyarnosti (sm. Vspyshki na Solnce). Indukcionnoe elektrich. pole poyavlyaetsya pri uvelichenii napryazhennosti magn. polya so vremenem (betatronnyi effekt). Krome impul'snyh polei nachal'naya stadiya uskoreniya mozhet byt' obuslovlena vzaimodeistviem uskoryaemyh chastic s elektricheskimi polyami plazmennyh voln v oblastyah s intensivnym turbulentnym dvizheniem plazmy.

V otlichie ot regulyarnogo uskoreniya impul'snymi i indukcionnymi elektrich. polyami, uskorenie plazmennymi volnami imeet statistich. harakter. V turbulentnoi plazme imeetsya bol'shoe kolichestvo voln s raznymi fazovymi skorostyami. Dlya chastic so skorostyami v > vt (vt - teplovaya skorost' elektronov) vsegda nahoditsya dostatochnoe chislo voln, s k-rymi oni usilenno vzaimodeistvuyut (chastica medlenno dvizhetsya otnositel'no "vershiny" volny i otrazhaetsya ot nee). Effektivnaya temp-ra plazmennyh voln na mnogo poryadkov bol'she, chem temp-ra chastic plazmy. Poetomu stremlenie k ravnomernomu raspredeleniyu temp-ry (energii) mezhdu volnami i vzaimodeistvuyushimi s nimi bystrymi chasticami privodit k znachit. uskoreniyu poslednih. Etot mehanizm analogichen izvestnomu statistich. mehanizmu Fermi (podrobnee ob etom sm. nizhe), no zdes' on opredelyaetsya usloviyami plazmennoi turbulentnosti.

V kosmose, po-vidimomu, sushestvuet ierarhiya uskoritel'nyh mehanizmov, k-rye rabotayut v razlichnyh kombinaciyah ili v razlichnoi posledovatel'nosti v zavisimosti ot konkretnyh uslovii v oblasti uskoreniya. Uskorenie impul'snym elektrich. polem ili plazmennoi turbulentnost'yu sposobstvuet posleduyushemu uskoreniyu indukcionnym (betatronnym) mehanizmom ili mehanizmom Fermi.

Nek-rye osobennosti processa uskoreniya chastic v kosmose svyazany s povedeniem plazmy v magn. pole. Kosmich. magn. polya sushestvuyut v bol'shih ob'emah prostranstva. Chastica s zaryadom Ze i impul'som p dvizhetsya v magn. pole H po iskrivlennoi traektorii s mgnovennym radiusom krivizny
$\rho=cp/(300H\cdot Ze\cdot c\sin\theta)=R/(300Hc\sin\theta)$ ,
gde R = cp/Ze - magn. zhestkost' chastic (izmeryaetsya v vol'tah), $\theta$ - pitch-ugol chasticy. Esli pole malo izmenyaetsya na rasstoyaniyah, sravnimyh s velichinoi $\rho$, to traektoriya chasticy imeet vid vintovoi linii, navivayusheisya na silovuyu liniyu magn. polya. Pri etom silovye linii polya kak by prikrepleny k plazme (vmorozheny v plazmu) - smeshenie lyubogo uchastka plazmy vyzyvaet sootvetstvuyushee smeshenie i deformaciyu silovyh linii magn. polya, i naoborot. Esli v plazme vozbuzhdeny dostatochno intensivnye dvizheniya (takaya situaciya voznikaet, napr., v rezul'tate vzryva sverhnovoi), to imeetsya mnogo takih besporyadochno dvizhushihsya uchastkov plazmy. Dlya naglyadnosti ih udobno rassmatrivat' kak otdel'nye plazmennye oblaka, dvizhushiesya drug otnositel'no druga s bol'shimi skorostyami. Osn. massa chastic plazmy uderzhivaetsya v oblakah i dvizhetsya vmeste s nimi. Odnako nebol'shoe chislo chastic vysokoi energii, dlya k-ryh radius krivizny traektorii v magn. pole plazmy sravnim s razmerom oblaka ili prevyshaet ego, popadaya v oblako, ne ostaetsya v nem. Eti chasticy lish' otklonyayutsya magn. polem oblaka, proishodit kak by stolknovenie chasticy s oblakom v celom i rasseyanie chastic na nem (ris. 5). V takih usloviyah chastica effektivno obmenivaetsya energiei srazu so vsem oblakom. No kinetich. energiya oblaka ochen' velika i v principe energiya uskoryaemoi t.o. chasticy mozhet rasti neogranichenno, poka chastica ne pokinet oblast' s intensivnymi dvizheniyami plazmy. Takova sut' statistich. mehanizma uskoreniya, predlozhennogo E. Fermi v 1949 g. Analogichno proishodit uskorenie chastic pri ih vzaimodeistvii s moshnymi udarnymi volnami (napr., v mezhplanetnom prostranstve), v chastnosti pri sblizhenii dvuh udarnyh voln, obrazuyushih otrazhayushie magn. "zerkala" (ili "stenki") dlya uskoryaemyh chastic.

Ris. 5. Stolknovenie chasticy s
dvizhushimsya magnitnym oblakom. Pri
dvizhenii oblaka voznikaet elektricheskoe
pole E, napravlennoe
perpendikulyarno vektoram napryazhennosti
magnitnogo polya H i skorosti
oblaka u. Eto pole uskoryaet
chasticu pri vstrechnom stolknovenii s
oblakom ili zamedlyaet ee, esli ona
dogonyaet oblako.
Vse mehanizmy uskoreniya privodyat k spektru K. l., v k-rom s rostom energii chislo chastic ubyvaet. Na etom shodstvo mehanizmov konchaetsya. Nesmotrya na intensivnye teoretich. i eksperimental'nye issledovaniya, poka ne naideno universal'nogo mehanizma uskoreniya ili kombinacii mehanizmov, k-rye mogli by ob'yasnit' vse osobennosti spektra i zaryadovogo sostava K. l. V sluchae, napr., impul'snogo elektrich. polya E skorost' prirasheniya zhestkosti R opredelyaetsya sootnosheniem dR/dt = sE, t.e. ne zavisit ot pervonachal'noi magn. zhestkosti chastic. Pri etom uskoryayutsya vse chasticy v oblasti deistviya polya E, ih sostav budet otrazhat' sostav ishodnoi plazmy, a spektr imet' vid D(R) ~ exp-(R/R0), gde R0 - harakteristicheskaya zhestkost' spektra.

Pri uskorenii plazmennymi volnami mogut uskoryat'sya chasticy s energiei lish' v nesk. raz bol'she teplovoi. Chislo takih chastic ne slishkom malo, no usloviya uskoreniya budut sushestvenno zaviset' ot sorta chastic, chto dolzhno vesti k sil'nomu izmeneniyu ih sostava po sravneniyu s sostavom ishodnoi plazmy. Spektr uskorennyh protonov, odnako, i v etom sluchae mozhet byt' ~ exp-(R/R0).

Betatronnyi mehanizm, v osnove k-rogo lezhit sohranenie adiabatich. invarianta dvizheniya chasticy $p^2\sin\theta/H$= const, daet stepennoi spektr $D(R)\sim R^{-\gamma}$ i ne izbiratelen po otnosheniyu k sortu chastic, no ego effektivnost' proporcional'na magn. zhestkosti chasticy (dR/dt ~ R), t.e. dlya ego deistviya neobhodimo predvaritel'noe uskorenie (inzhekciya).

Mehanizm uskoreniya Fermi daet stepennoi energetich. spektr $D(\varepsilon_K)\sim\varepsilon_K^{-\gamma}$, odnako on izbiratelen po otnosheniyu k sortu chastic. Uskorenie udarnymi volnami v kosmich. plazme takzhe privodit k stepennomu energetich. spektru, prichem teoretich. raschety dayut pokazatel' $\gamma$=2,5, chto dovol'no horosho sootvetstvuet nablyudaemoi forme spektra K. l. T.o., teoriya uskoreniya, k sozhaleniyu, dopuskaet neodnoznachnyi podhod k interpretacii nablyudaemyh spektrov uskorennyh chastic (v chastnosti, solnechnyh K. l.).

Processy uskoreniya impul'snymi elektrich. polyami vblizi nulevyh linii magn. polya nablyudayutsya vo vremya vspyshek na Solnce, kogda v techenie nesk. min poyavlyayutsya chasticy, uskorennye do energii v nesk. GeV. Vblizi pul'sarov, v obolochkah sverhnovyh zvezd v Galaktike, a takzhe vo vnegalaktich. ob'ektah - radiogalaktikah i kvazarah - etot process takzhe mozhet igrat' rol' osn. mehanizma uskoreniya ili, po krainei mere, rol' inzhektora. V poslednem sluchae inzhektiruemye chasticy uskoryayutsya do maks. nablyudaemyh v K. l. energii v rezul'tate vzaimodeistvii s volnami i s neodnorodnostyami magn. polya v turbulentnoi plazme.

Nablyudeniya v razlichnyh masshtabah (Galaktika, Solnce, magnitosfera Zemli i t.d.) pokazyvayut, chto uskorenie chastic proishodit v kosmich. plazme vsyudu, gde imeyutsya dostatochno intensivnye neodnorodnye dvizheniya i magn. polya. Odnako v bol'shom kolichestve i do ochen' bol'shih energii chasticy mogut uskoryat'sya tol'ko tam, gde plazme soobshaetsya ochen' bol'shaya kinetich. energiya. Eto kak raz i proishodit v takih grandioznyh kosmich. processah, kak vspyshki sverhnovyh zvezd, aktivnost' radiogalaktik i kvazarov.

Naryadu s ogromnoi rol'yu K. l. v astrofizich. processah, neobhodimo otmetit' ih znachenie dlya izucheniya dalekogo proshlogo Zemli (izmenenii klimata, evolyucii biosfery i t.d.) i dlya resheniya nekotoryh praktich. zadach sovremennosti (obespechenie radiac. bezopasnosti kosmonavtov, ocenka vozmozhnogo vklada K. l. v meteoeffekty i t.p.).

Lit.:
Ginzburg V.L., Syrovatskii S.I., Proishozhdenie kosmicheskih luchei, M., 1963; Miroshnichenko L.I., Kosmicheskie luchi v mezhplanetnom prostranstve, M., 1973; Dorman L.I., Eksperimental'nye i teoreticheskie osnovy astrofiziki kosmicheskih luchei, M., 1975; Toptygin I, N., Kosmicheskie luchi v mezhplanetnyh magnitnyh polyah, M., 1983.

(L.I. Miroshnichenko)


Glossarii Astronet.ru

A | B | V | G | D | Z | I | K | L | M | N | O | P | R | S | T | U | F | H | C | Ch | Sh | E | Ya 
Publikacii s klyuchevymi slovami: kosmicheskie luchi
Publikacii so slovami: kosmicheskie luchi
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >>

Obsudit' etu publikaciyu
Ocenka: 3.0 [golosov: 153]
 
O reitinge
Versiya dlya pechati Raspechatat'
Astronet | Nauchnaya set' | GAISh MGU | Poisk po MGU | O proekte | Avtoram

Kommentarii, voprosy? Pishite: info@astronet.ru ili syuda

Rambler's Top100 Yandeks citirovaniya