Через космос – в мікросвіт

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

З далеких глибин світового простору на Землю безперервно приходять космічні промені. Вони складаються з частинок, що володіють надзвичайно високою енергією. Успішні запуски штучних супутників Землі і космічних ракет вперше дозволили вивчати за межами земної атмосфери потоки дуже швидких протонів, альфа-частинок (ядер гелію) та інших, більш важких ядер з енергіями в мільярди електрон-вольт. Вже в 1958 році американські фізики зіткнулися в своїх дослідженнях з несподіваним фактом – різким зростанням інтенсивності потоку швидких частинок за межами земної атмосфери на висотах понад тисячу кілометрів.

Виявилося при цьому, що знову виявлене явище має найтісніший зв’язок, з одного боку, з земним магнетизмом і, з іншого – з космічним випромінюванням. Проникаючи в атмосферу Землі і інтенсивно впливаючи на атомні ядра повітря, космічні промені створюють як би безперервно діючі знизу вгору «фонтани» вторинних частинок – нейтронів з енергіями в сотні мільйонів електроновольт. Продукти розпаду цих нейтронів – прогони і електрони – починають рухатися в дуже своєрідних умовах так званих «магнітних пляшок». Блукаючи по гвинтоподібним траєкторіям навколо силових ліній земного магнітного поля з Північної півкулі Землі в Південну і назад, ці частинки накопичуються місяцями в зоні внутрішнього радіаційного полюса, на висотах до 5-6 тисяч кілометрів.

У самий останній час група вчених виявила ще одне цікаве явище. Виявилося, що у двох районах найбільш яскраво виражених аномалій земного магнетизму над Атлантичним океаном прилади виявляють різке зростання інтенсивності космічних променів – приблизно в 10 разів проти звичайної «норми» для висот близько 300 кілометрів. Це свого роду «шлейф» радіаційного поясу.

З іншого боку, властивості зовнішнього радіаційного поясу вже більшою мірою визначаються «життям» космічного простору, ніж явищами геофізичного характеру. Зовсім недавно отримані дані, що свідчать про якісь раніше невідомі процеси (можливо, пов’язані з магнітно-гідродинамічними явищами) прискорення частинок, що потрапили в зовнішній радіаційний пояс Землі, який може вступати майже в безпосередній контакт з потоками міжпланетної плазми. Вплив потоків плазми, що викидаються із Сонця в періоди посилення сонячної активності, було вивчено також у систематичних дослідах по неперервній реєстрації космічних променів і в стратосфері і на малих висотах. В останньому випадку серйозний успіх був досягнутий лише після того, як фізики навчилися повністю виключати вплив метеорологічних факторів на інтенсивність космічних променів, що проходять крізь атмосферу.

До цього дуже важко було з дослідів із вторинним космічним випромінюванням в глибині атмосфери зробити певні висновки про інтенсивність первинного випромінювання, тобто такого, що приходить безпосередньо з космосу.

МАЙБУТНЯ СЛУЖБА КОСМІЧНОЇ «ПОГОДИ»

Один з напрямків дослідження космічних променів починає набувати в даний час чисто практичне значення у зв’язку з освоєнням світових просторів людиною. Мова йде про різкі сплески інтенсивності космічних променів (в сотні, а іноді й тисячі разів) при так званих хромосферних спалахах на Сонці. Вони обумовлені, очевидно, порушеннями нормального «режиму» термоядерних реакцій в глибинах Сонця і виявляються в складному комплексі магнітно-гідродинамічних явищ. При цьому створюються умови для інтенсивного прискорення заряджених частинок до енергій, що доходять до 10-30 мільярдів електроновольт, і ці процеси супроводжуються низкою інших астрофізичних і геофізичних явищ, зокрема сплесками радіовипромінювання Сонця, а також магнітними бурями і різким зростанням поглинання космічного радіовипромінювання в полярних областях іоносфери на Землі.

У дослідах, проведених на космічних кораблях, було вперше встановлено, що при подібних спалахах може відбуватися і різке посилення потоку важких ядер первинного космічного випромінювання – вуглецю, азоту, кисню та інших елементів. Детальний аналіз великого числа експериментальних даних вказує на те, що потоки намагніченою плазми, які викидаються із Сонця, роблять також непрямий вплив на космічні промені, змінюючи умови їх розповсюдження в межах сонячної системи. Можна сподіватися, що подальші дослідження всіх цих явищ створять реальні передумови для прогнозу сплесків космічного випромінювання по активності Сонця.

Не виключена можливість, що вивчення найближчої до нас зірки – Сонця – і її ролі у процесах прискорення космічних променів допоможе астрофізикам розібратися і в чисто теоретичній проблемі – природі основних джерел цих променів у Всесвіті. Найбільш важливим джерелом вважаються зараз процеси, що відбуваються при різкому розширенні оболонок наднових зірок. Як відомо, гіпотеза про народження космічних променів найновішими зірками, висловлена вченими В. Л. Гінзбургом і І. С. Шкловським, завоювала зараз загальне визнання. Успіх цієї гіпотези багатьом зобов’язаний розвитку радіоастрономії, яка дозволяє, по суті, безпосередньо вивчати області скупчення електронів високої енергії у Всесвіті. Оскільки складовою частиною космічних променів, що доходять до Землі з порівняно малими втратами, не є електрони, а протони (і взагалі атомні ядра), то зрозумілий інтерес фізиків до спроб безпосереднього виявлення електронів космічних променів поблизу Землі. Нещодавно перші успіхи в цих дослідах були досягнуті американськими фізиками, але їхні дані ще потребують уточнення.

Важливе також питання про існування космічних променів позагалактичного походження. Саме з цією метою проводилися досліди по реєстрації космічних променів гранично високої енергії американськими і японськими фізиками К. Грейзеном, М. Ода та ін. З’ясувалося, що первинні частинки, що створюють в атмосфері Землі потужні потоки частинок – так звані широкі атмосферні зливи, приходять з різних точок небосхилу не цілком рівномірно. Це може означати, мабуть, що в окремих частинах нашої Галактики існують якісь «місцеві» джерела космічних променів надвисокої енергії.

Важливу роль у визначенні місця знаходження галактичних джерел випромінювання різної енергії можуть зіграти досліди з виявлення гамма-квантів у складі первинного космічного випромінювання. Бо тільки гамма-кванти можуть практично безперешкодно і прямолінійно доходити до нас від самого джерела. Тому в програмі майбутніх досліджень широких злив слід також мати на увазі можливість виділення злив, що складаються майже цілком з гамма-квантів і народжуваних ними електронів і позитронів.

Далі буде.

Автор: Г. Б. Жданов.