Через космос – в микромир

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Из далеких глубин мирового пространства на Землю непрерывно приходят космические лучи. Они состоят из частиц, обладающих необычайно высокой энергией. Успешные запуски искусственных спутников Земли и космических ракет впервые позволили изучать за пределами земной атмосферы потоки очень быстрых протонов, альфа-частиц (ядер гелия) и других, более тяжелых ядер с энергиями в миллиарды электрон-вольт. Уже в 1958 году американские физики столкнулись в своих исследованиях с неожиданным фактом — резким возрастанием интенсивности потока быстрых частиц за пределами земной атмосферы на высотах свыше тысячи километров.

Оказалось при этом, что вновь обнаруженное явление имеет самую тесную связь, с одной стороны, с земным магнетизмом и, с другой — с космическим излучением. Проникая в атмосферу Земли и интенсивно воздействуя на атомные ядра воздуха, космические лучи создают как бы непрерывно бьющие снизу вверх «фонтаны» вторичных частиц — нейтронов с энергиями в сотни миллионов электроновольт. Продукты распада этих нейтронов — прогоны и электроны — начинают двигаться в очень своеобразных условиях так называемых «магнитных бутылок». Блуждая по винтообразным траекториям вокруг силовых линий земного магнитного поля из Северного полушария Земли в Южное и обратно, эти частицы накапливаются месяцами в зоне внутреннего радиационного полюса, на высотах до 5—6 тысяч километров.

В самое последнее время группа ученых обнаружила еще одно интересное явление. Оказалось, что в двух районах наиболее ярко выраженных аномалий земного магнетизма над Атлантическим океаном приборы обнаруживают резкий рост интенсивности космических лучей — примерно в 10 раз против обычной «нормы» для высот порядка 300 километров. Это своего рода «шлейф» радиационного пояса.

С другой стороны, свойства внешнего радиационного пояса уже в большей степени определяются «жизнью» космического пространства, чем явлениями геофизического характера. Совсем недавно получены данные, свидетельствующие о каких-то ранее неизвестных процессах (возможно, связанных с магнитно-гидродинамическими явлениями) ускорения частиц, попавших во внешний радиационный пояс Земли, который может вступать почти в непосредственный контакт с потоками межпланетной плазмы. Влияние потоков плазмы, выбрасываемых из Солнца в периоды усиления солнечной активности, было изучено также в систематических опытах по непрерывной регистрации космических лучей и в стратосфере и на малых высотах. В последнем случае серьезный успех был достигнут лишь после того, как физики научились полностью исключать влияние метеорологических факторов на интенсивность космических лучей, проходящих сквозь атмосферу.

До этого очень трудно было из опытов со вторичным космическим излучением в глубине атмосферы сделать определенные выводы об интенсивности первичного, то есть приходящего непосредственно из космоса, излучения.

БУДУЩАЯ СЛУЖБА КОСМИЧЕСКОЙ «ПОГОДЫ»

Одно из направлений исследования космических лучей начинает приобретать в настоящее время чисто практическое значение в связи с освоением мировых просторов человеком. Речь идет о резких всплесках интенсивности космических лучей (в сотни, а иногда и тысячи раз) при так называемых хромосферных вспышках на Солнце. Они обусловлены, очевидно, нарушениями нормального «режима» термоядерных реакций в глубинах Солнца и проявляются в сложном комплексе магнитно гидродинамических явлений. При этом создаются условия для интенсивного ускорения заряженных частиц до энергий, доходящих до 10—30 миллиардов электроновольт, и эти процессы сопровождаются рядом других астрофизических и геофизических явлений, в частности всплесками радиоизлучения Солнца, а также магнитными бурями и резким ростом поглощения космического радиоизлучения в полярных областях ионосферы на Земле.

В опытах, проведенных на космических кораблях, было впервые установлено, что при подобных вспышках может происходить и резкое усиление потока тяжелых ядер первичного космического излучения — углерода, азота, кислорода и других элементов. Детальный анализ большого числа экспериментальных данных указывает на то, что выбрасываемые из Солнца потоки намагниченной плазмы оказывают также косвенное влияние на космические лучи, изменяя условия их распространения в пределах солнечной системы. Можно надеяться, что дальнейшие исследования всех этих явлений создадут реальные предпосылки для прогноза всплесков космического излучения по активности Солнца.

Не исключена возможность, что изучение ближайшей к нам звезды — Солнца — и ее роли в процессах ускорения космических лучей поможет астрофизикам разобраться и в чисто теоретической проблеме — природе основных источников этих лучей во Вселенной. Наиболее важным источником считаются сейчас процессы, происходящие при резком расширении оболочек сверхновых звезд. Как известно, гипотеза о рождении космических лучей сверхновыми звездами, высказанная учеными В. Л. Гинзбургом и И. С. Шкловским, завоевала сейчас всеобщее признание. Успех этой гипотезы многим обязан развитию радиоастрономии, которая позволяет, по существу, непосредственно изучать области скопления электронов высокой энергии во Вселенной. Поскольку составной частью космических лучей, доходящих до Земли со сравнительно малыми потерями, являются не электроны, а протоны (и вообще атомные ядра), то понятен интерес физиков к попыткам непосредственного обнаружения электронов космических лучей вблизи Земли. Недавно первые успехи в этих опытах были достигнуты американскими физиками, но их данные еще нуждаются в уточнении.

Важен также вопрос о существовании космических лучей внегалактического происхождения. Именно с этой целью производились опыты по регистрации космических лучей предельно высокой энергии американскими и японскими физиками К. Грейзеном, М. Ода и др. Выяснилось, что первичные частицы, создающие в атмосфере Земли мощные потоки частиц — так называемые широкие атмосферные ливни, приходят из различных точек небосвода не вполне равномерно. Это может означать, по-видимому, что в отдельных частях нашей Галактики существуют какие-то «местные» источники космических лучей сверхвысокой энергии.

Немаловажную роль в определении места нахождения галактических источников излучения различной энергии могут сыграть опыты по обнаружению гамма-квантов в составе первичного космического излучения. Ибо только гамма-кванты могут практически беспрепятственно и прямолинейно доходить до нас от самого источника. Поэтому в программе будущих исследований широких ливней следует также иметь в виду возможность выделения ливней, состоящих почти целиком из гамма-квантов и рождаемых ими электронов и позитронов.

Продолжение следует.

Автор: Г. Б. Жданов.