Загадкові варіації у фізиці та астрономії
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.
Ні, нічого «музичного» в цій статті не буде. І не буде фуг, кантат і симфоній. Але варіації будуть. Варіації космічних променів. Досить велика область у науці про космічні промені. І якщо моїх колег фізиків-ядерників цікавить переважно життя мікросвіту, то ми – «варіаціонщики» втручаємося разом з астрономами і космонавтами, так сказати, у великий світ – макрокосм. Частки космічних променів, вічні мандрівники, свідки та учасники титанічних процесів, приголомшливих ближні й віддалені куточки Всесвіту, могли б багато чого розповісти. Завдання в тому, щоб навчитися їх «розпитувати». Вдалося це далеко не відразу.
Варіація 1. Помилки, які опинилися корисними
Всього вісімдесят років тому було взагалі ще не ясно, чи дійсно космічні промені – космічні. Потрібно було ще довести, що вони приходять зверху, а не знизу – із земних глибин. Вчені – петербургці Мисовський і Тувим, спостерігаючи за зміною інтенсивності тоді ще таємничого потоку частинок, відкрили першу чітку і ясну варіацію: потік космічних променів зменшувався на третину відсотка всякий раз, коли підвищувався на міліметр ртутного стовпа атмосферний тиск! Тепер вже було ясно, що космічні промені проходять товщу земної атмосфери. Причому в повітрі вони затримувалися трохи слабкіше, ніж, добре вже відомі на той час гамма-промені від радіоактивних елементів. Звідси був зроблений висновок: первинні космічні промені, що не доходять до поверхні землі, складаються з квантів гамма-променів, тільки дуже енергійних. Це була помилка.
Але ця помилка виявилася якоюсь мірою корисною: з неї починається історія цілеспрямованих пошуків добових варіацій космічних променів.
Варіація 2. Каверзна статистика, або ще одна «корисна» помилка
Ось як це сталося. Раз космічні промені – це гамма-кванти, тобто електромагнітні хвилі, – міркували вчені, – значить, вони повинні поширюватися, як світло, – з його швидкістю і по прямій. Значить, можна знайти джерело, звідки вони приходять на Землю. І почалися експерименти. Десятки, сотні…
Земля, як відомо, обертається навколо власної осі, і тому прилади, де б на планеті вони не знаходилися, роблять за добу один оборот. Якщо джерело космічних променів – Сонце, то була б варіація в одну сонячну добу, тобто в певний час у потоці радіації з неба був би помітний регулярний сплеск. Якщо джерело – зірка, то період варіації дорівнював би зоряній добі (вони трохи коротше сонячних).
І дійсно, відкриття джерел космічних променів пішли одне за іншим. Найцікавіше, що ці «відкриття» часто кричуще суперечили один одному і не підтверджувалися при перевірочних спостереженнях. Помилка була в тому, що за достовірну варіацію, як правило, приймалося випадкове відхилення числа частинок від «середнього». Тут вступають в дію закони статистики. Соціологи, інститути громадської думки знають: чим менше група опитаних, тим більше ймовірність, що результат опитування буде випадковим, на ньому не можна буде будувати ніяких висновків. Саме так і вийшло з добовими варіаціями в тридцяті роки. Площі приладів були малі, і вони могли «опитати» тільки невелике число небесних гостей…
Невдача збентежила вчених на якийсь час. Було вирішено, що сонячно-добових і зоряно-добових варіацій, можливо, не існує взагалі. Це була ще одна помилка (багато пізніше ці варіації, правда, дуже слабкі, були відкриті – я про це розповім), але і ця помилка виявилася в якомусь сенсі корисною.
А поки виходило, що потік космічних променів рівномірно, ізотропно обдуває планету з усіх боків. Це поставило під сумнів гамма-квантову теорію космічних променів.
Варіація 3. Космічний вітер із заходу тяжіє над космічним вітром зі сходу
Справді, якщо космічні промені – це гамма-кванти, то зрозуміти їх ізотропність неможливо. Це було б все одно, як якби ми бачили не нічне небо з міріадами світлих точок – зірок, а матово сяючий небосхил.
Що ж розсіює і перемішує космічні промені в просторі? Досить скоро утвердилась точка зору, що це «щось» – магнітні поля, а самі первинні космічні промені – це заряджені частинки.
Але як це перевірити? До дна повітряного океану первинні космічні промені не доходять, а вторинні однаково вибиваються з атомів атмосфери і частинками, і гамма-квантами. До космічних ракет справа тоді ще не дійшла. На допомогу прийшла просторова варіація космічних променів, передбачена ще на початку минулого століття шведом Штермером, так званий широтний ефект.
Земля – магніт з двома полюсами. Чим ближче до екватора, тим більше заряджені частинки повинні відхилятися від своїх траєкторій. Ближче до полюсів магнітні силові лінії як би « устромляються» в Землю – і вже не заважають, а швидше допомагають зарядженим частинкам наблизитися до планети.
За теорією Штермера, в район екватора могли приходити тільки частинки з енергією більше 15 мільярдів електрон-вольт, на широті Москви ця нижня межа була не такою суворою – 2,5 мільярда електрон-вольт. А близько Мурманська навіть 0,1 – мільярдної частки цілком здатні долетіти до атмосфери і викликати в ній зливу вторинних космічних променів. На морських човнах, літаках, на десятках станцій Північної і Південної півкуль «ловили» цей ефект. І він дійсно був виявлений. Отже – частинки. Але які, якого знака?
Тут повинна була допомогти інша просторова варіація – східно-західний ефект. Космічні промені так загортаються магнітним полем, що в атмосферу позитивні частки повинні влітати в основному із заходу, а негативні – зі сходу. Значить, якщо інтенсивність вторинних космічних променів, що приходять в прилади дослідника з заходу і сходу, однакова, то позитивних і негативних частинок в космосі порівну, як у звичайній речовині.
Але виявилося, що це не так. Вітер космічних променів із заходу явно тяжіє над східним. Отже, первинні космічні промені – позитивного заряду. Це – ядра різних атомів – водню (протони), гелію, літію і т. д. Лише на один-два відсотки, як це з’ясувалося вже в еру супутників, космічні промені складені з електронів і (все-таки!) гамма-квантів.
Варіація 4. «Вітер» потилицю
«Космік» не залишали спроби виявити добові варіації. Ще в тридцяті роки стало ясно, що якщо вони й існують, то не можуть перевищувати одного відсотка від загального фону ізотропного космічного випромінювання. Чутливість приладів повільно, але вірно наближалася до цієї величини. Здавалося, вони ось-ось зареєструють довгоочікуваний сплеск космічного випромінювання, що приходить з певного напряму. Чому ж, незважаючи на крах гамма-квантової теорії космічних променів, вчені чекали добових варіацій?
Будемо міркувати так: припустимо, Земля рухається в просторі, абсолютно ізотропно заповненому літаючими частинками космічних променів. Але навіть у цьому випадку одна варіація все ж залишалася б. Земля, як спринтер, що біжить по біговій доріжці, повинна отримувати «в обличчя» зустрічний «вітер» космічних променів. А раз Земля крутиться, то цей «вітер» повинен проявлятися в момент, коли яка-небудь точка земної поверхні виринає з ночі на лінію сходу – в 6:00 ранку за місцевим часом. Вчені чекали і шукали шестигодинну варіацію, але так і не знайшли. Навпаки, виявилося, що Земля одержує не зустрічний «вітер» космічних променів, а такий що підхльостує.
Відкрите, нарешті, джерело варіацій з періодом в сонячну добу розташоване на захід від лінії Земля-Сонце. Потік космічних променів якби підганяє Землю ззаду в її бігу навколо Сонця і дає сплеск на її «вечірній» стороні приблизно в 18 годин місцевого часу. «Вітер» частинок із заходу в навколосонячному просторі теж переважає над «вітром» зі сходу! За однією з гіпотез, механізм приблизно такий: сонячна плазма з величезною швидкістю рухається геть від Сонця уздовж силових ліній магнітного поля світила, що йдуть в простір. При цьому в міжпланетному просторі повинно виникати електричне поле, перпендикулярне магнітному полю Сонця. Позитивні частинки космічних променів, що летять із заходу, в цьому полі прискорюються, а ті, що летять зі сходу, з 6-годинного напрямку – сповільнюються.
Важливу роль може грати ще один ймовірний механізм 18-годинниої варіації. Справа в тому, що магнітні силові лінії Сонця, що заходять далеко в космос, міцно прив’язані до поверхні світила. Весь цей каркас силових ліній крутиться разом із Сонцем в ту ж сторону, що біжить по орбіті Земля, тільки з більшою кутовою швидкістю. Петлі сонячних силових ліній наздоганяють Землю ззаду, наздоганяють і обганяють її. А до силових ліній «прив’язані» заряджені частинки космічних променів…
Але це ще не все про 18-годинну варіацію. Ще один можливий її механізм пов’язаний з «великою варіацією» – 11-річним періодом сонячної активності.
Варіація 5. Магнітні рейки
Головна частина космічних променів приходить до нас з Галактики. Деякі частинки – найенергійніших, можливо, позагалактичного походження. А в окремі періоди, під час потужних хромосферних спалахів на Сонці, міжпланетний простір перетинають грандіозні потоки сонячних космічних променів. Спалахи – серйозна небезпека для космонавтів. Але чи всі вони однаково небезпечні? Якби це було так, то в роки максимуму 11-річного періоду сонячної діяльності космос був би просто закритий для польотів.
Роки ретельних спостережень дозволили встановити: особливо небезпечні потоки сонячних космічних променів приходять в околиці Землі тільки в одному випадку – якщо спалах стався в західній частині сонячного диска. Силові лінії магнітного поля Сонця, як ми говорили, йдуть далеко в простір, вони слідують за обертанням світила, але згинаються в спіраль – приблизно так зігнеться струмінь води, якщо ви, поливаючи зі шланга газон, почнете крутитися навколо власної осі. За зігнутими в спіраль силовими лініям потоки космічних часток несуться, як по рейках… Силова лінія Сонце-Земля завжди починається на західному краю світила. Знаючи це, можна передбачити, наскільки небезпечний спалах для космонавта…
Але яке ж відношення все це має до 18-годинної варіації? – Запитаєте ви. Хвилиночку терпіння…
Всяке порівняння кульгає – і струнка картина сонячної магнітної корони зі
спіральними рейками силових ліній теж відповідає дійсності тільки наближено. Вона щохвилини порушується. Сонячний вітер – потік сонячної плазми разом з «бульбашками» – різними порушеннями регулярного, однорідного магнітного поля то сильніше, то слабше «дує» від Сонця, прагнучи при цьому рухатися «незаконно», навпростець, по радіусу.
По дорозі він «вимітає» галактичні космічні промені. Коли вітер сильніше (в роки максимуму сонячної діяльності), – він далі відсуває хаос галактичного випромінювання. Але космічні промені «не терплять порожнечі» – вони прагнуть повернутися в потуранні області і повільно просочуються – дифундують до Сонця. При більш спокійному Сонці ця дифузія посилюється, і космічні промені течуть по магнітним рейкам сонячного поля. Через спіральності силових ліній вони йдуть не просто до Сонця, а під кутом. Можна розкласти цей потік на дві складові. Одну, спрямовану до Сонця, майже повністю врівноважує зустрічний «сонячний вітер» космічних променів, а друга, спрямована із заходу на схід, слідом за обертанням Землі, нічим не гаситься і дає добову варіацію з максимумом в 18 годин місцевого часу.
Варіація 6. І знову зоряна
Досить вільно я досі оперував поняттям «галактичні космічні промені». Але чи справді вони галактичні? Якщо Галактика здатна виробляти космічні промені, то повинен бути потік частинок з Галактики назовні. Він може бути слабким через розсіювання частинок в магнітних полях космосу, але він повинен існувати і повинен проходити через Сонячну систему. Іншими словами, мова знову йде про пошуки зоряно-добової варіації космічних променів – тих самих пошуків, що не вдалися в тридцятих роках.
Це була дуже важка задача. Земля, розташована практично в магнітній надкороні Сонця, майже недоступна прямому потоку частинок з міжзоряного простору. Здавалося б, всі вони у бурхливій вотчині Сонця повинні невпізнанно міняти напрямок. Так це зазвичай і буває. Але в періоди «спокійного Сонця» слабшає сонячний вітер, і розсіювання частинок в міжпланетному просторі на магнітних неоднородностях різко зменшується. Може бути, вдасться вловити прямий потік від зірок?
Весною 1954 року, на початку самого глибокого мінімуму сонячної активності прилади «Космік» вловили слабку варіацію з максимумом в 6:00 ранку. Варіація, протилежна 18-ти годинній! Частинки, що дали 6-годинний сплеск, судячи з усього, були досить енергійними – такі Сонце виробляти не могло. Настало літо, і 6-годинне джерело космічних променів зрушилося на північ! Восени воно перемістилося на 18 годин і сильно ослабло. Взимку воно майже зникло.
Це і було довгоочікуване галактичне джерело космічних променів. Воно було найбільш чітким влітку, значить саме в цей час Земля перебувала до нього найближче. Навесні, восени і особливо взимку напрямок на нього зберігся незмінним, але кількість перешкод на його шляху зросла: Сонце і навколосонячний простір з їх бурхливими магнітними процесами.
Звідки ж приходить «зоряний потік»? Влітку опівночі, навесні вранці, восени ввечері меридіан, на якому ви перебуваєте, перетинає пряму Земля – центр Галактики…
Ми тільки злегка торкнулися деяких з незліченних варіацій космічних променів, а скільки сценок з потаємного життя космосу вони нам показали! Звичайно, все це – саме варіації на тему, бо сама тема варіацій абсолютно неосяжна.