Дифференциальный энергетический спектр космических лучей
Дифференциальный энергетический спектр космических лучей носит степенной характер (в дважды логарифмическом масштабе — наклонная прямая) (минимальные энергии — жёлтая зона, солнечная модуляция; средние энергии — синяя зона, ГКЛ; максимальные энергии — пурпурная зона, внегалактические КЛ).
Художественная иллюстрация гамма-всплеска
Художественная иллюстрация гамма-всплеска (NASA/Zhang & Woosley).
Спутники Vela-5A/B в комнате сборки. Спутники А и В разделяются после выхода на орбиту.
Физика космических лучей
Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц.
Физика космических лучей изучает:
- Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц;
- Первичные и вторичные космические лучи;
- Составляющую естественной радиации на поверхности Земли и в атмосфере.
Первичные и вторичные космические лучи
Космические лучи могут возникать:
- Первичными принято называть внегалактические, галактические и солнечные космические лучи.
- Вторичными космическими лучами принято называть потоки частиц, возникающих под действием первичных космических лучей в атмосфере Земли и регистрирующихся на поверхности Земли.
Значение космических лучей
Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.
До развития ускорительной техники космические лучи служили единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в космических лучах.
Гамма-всплески
Механизм, в результате которого за столь короткое время в малом объёме выделяется столько энергии, до сих пор не вполне ясен. Наиболее вероятно, что он различен в случае коротких и длинных гамма-всплесков. На сегодняшний день различают два основных подвида ГВ: длинные и короткие, имеющие существенные различия в спектрах и наблюдательных проявлениях. Так, длинные гамма-всплески иногда сопровождаются взрывом сверхновой звезды, а короткие — никогда. Есть и две основные модели, объясняющие эти два типа катаклизмов.
Длинные гамма-всплески и сверхновые
Длиный гамма-всплеск в видимом диапазоне
Длинные гамма-всплески, вероятно, связаны со сверхновыми типа Ib/c. В нескольких случаях оптически отождествлённый источник через некоторое время после всплеска показывал характерные для сверхновых спектры и кривые блеска. Кроме того, в большинстве случаев отождествления с галактиками они имели признаки активного звездообразования.
Основная модель длинных гамма-всплесков
Основная модель длинных гамма-всплесков была предложена американским учёным Стеном Вусли и называется несостоявшаяся сверхновая (англ. Woosley 1993). В этой модели гамма-всплеск порождается джетом при коллапсе массивной звезды Вольфа-Райе. Эта модель может описывать длинные ГВ. Польский учёный предложил развитие модели под названием взрыв гиперновой (англ. Paczynski, 1998).
Короткие гамма-всплески и слияния релятивистских объектов
Ученые обнаружили значительный избыток гамма-лучей, исходящих от Солнца. Это световое излучение имеет самую высокую энергию среди звезд.
Научный сотрудник Мехр Ун Ниса из Мичиганского государственного университета провел исследование, которое показало, что Солнце способно создавать значительный избыток сверхэнергичных гамма-лучей.
Шестилетние наблюдения высокогорной водной обсерватории Черенкова (HAWC) позволили обнаружить этот избыток гамма-лучей, которое не объясняется современными моделями поведения Солнца.
Гамма-лучи от Солнца имеют энергию от одного триллиона до почти 10 триллионов электрон-вольт. Это самое высокоэнергичное световое излучение, когда-либо замеченное у земной звезды.
Источник этого избытка гамма-лучей заключается во взаимодействии заряженных частиц, известных как космические лучи, с атмосферой Солнца. Высокая энергия этих частиц может возникать в результате различных катастрофических событий во Вселенной, таких как вспышка сверхновой или активность черной дыры.
Солнечные гамма-лучи: неожиданные открытия
Будучи отклоненными обратно в космос магнитным полем Солнца, космические лучи взаимодействуют с газами в звездной атмосфере, вызывая образование солнечных гамма-лучей, часть из которых поглощается плотной атмосферой Земли.
Еще в 2011 году телескоп НАСА Ферми показал, что Солнце способно производить чрезвычайно энергичные гамма-лучи, и что звезда создает их примерно в семь раз больше, чем ожидалось на основе более ранних оценок. Однако, по данным Мичиганского государственного университета, возможности телескопа Ферми были ограничены возможностями его детектора гамма-излучения, который мог отслеживать только частицы с энергией до 200 миллиардов электрон-вольт.
Однако HAWC не имеет таких ограничений и способен обнаруживать гамма-лучи, несущие энергию в триллионы электрон-вольт. Расположенный на высоте 13 000 футов над уровнем моря, между вершинами двух спящих вулканов недалеко от Пуэблы, Мексика, HAWC с эстетической точки зрения находится настолько далеко от обычного телескопа, насколько это вообще возможно.
У него нет цилиндрической конструкции почтенного космического телескопа Хаббла, и он не может похвастаться золотыми зеркалами и отражателями космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА, похожего на оригами. Вместо этого HAWC состоит из коллекции из 300 резервуаров для воды, заполненных примерно 60 000 метрических тонн очищенной воды.
Когда гамма-лучи попадают в атмосферу Земли, они распадаются на фрагменты света и частицы с более низкой энергией, известные под общим названием ‘воздушные ливни’. Вступая в контакт с резервуарами для воды, частицы создают свет в виде черенковского излучения, которое затем регистрируется приборами HAWC.
Наряду со сбором данных о невероятно энергичной природе гамма-лучей, данные HAWC также показали, что они имеют тенденцию возникать, когда Солнце переживает относительно спокойную фазу своего 11-летнего цикла активности. Двигаясь вперед, ученые будут стремиться ответить на вопрос о том, как магнитное поле Солнца формирует взаимодействие с космическими лучами, приводя к появлению гамма-лучей высокой энергии.
“Это показывает, что HAWC расширяет наши знания о нашей галактике при самых высоких энергиях, и это открывает вопросы о нашем собственном солнце” – сказала Низа, одна из почти 100 ученых, участвовавших в работе. “Это заставляет нас видеть вещи в другом свете. В буквальном смысле.
Открытие гамма-всплесков
Многие теории пытались объяснить эти вспышки. Большинство утверждало, что источники находятся в пределах Млечного Пути. Но никаких экспериментальных подтверждений так и не было сделано до 1991 года.
Накопление статистики
Также были установлены следующие эмпирические свойства ГВ: большое разнообразие кривых блеска (плавные и изрезанные на очень малых временных масштабах), бимодальное распределение по длительности (короткие — менее 2 секунд — с более жёстким спектром, и длинные — более 2 секунд — с более мягким спектром).
Открытие послесвечений
Понимание гамма-всплесков: открытия и характеристики
Прорыв в этом направлении произошёл в феврале 1997 года, когда итало-голландский спутник BeppoSAX обнаружил гамма-всплеск GRB 970228. Через 8 часов детектор рентгеновских лучей на борту BeppoSAX обнаружил затухающее рентгеновское излучение от GRB 970228. Координаты рентгеновского послесвечения были определены с гораздо большей точностью, чем для гамма-лучей, с точностью до 3 угловых минут.
Затем наземные оптические телескопы также обнаружили в этом районе слабеющий новый источник, положение которого стало известно с точностью до угловой секунды. Глубокий снимок Хаббловского телескопа выявил на месте бывшего источника далёкую, очень слабую галактику (z = 0,7), что подтвердило космологическое происхождение гамма-всплесков. Последующие наблюдения показали послесвечения у многих всплесков в различных диапазонах.
Эра быстрого отождествления
Запущенный в 2004 году спутник Swift обладает возможностью быстрого (менее минуты) оптического и рентгеновского отождествления всплесков. Среди его открытий — мощные, иногда многократные рентгеновские всплески в послесвечениях, обнаружение послесвечений ещё до окончания гамма-излучения и другие интересные феномены.
Из космологической природы гамма-всплесков понятно, что они обладают огромной энергией. Например, энергия только в гамма-диапазоне может достигать значений порядка 1,6⋅1052 эрг (1,6⋅1045 Дж) для некоторых всплесков. Эта энергия выделяется за очень короткое время.
Выход энергии происходит в виде коллимированного потока (релятивистского джета), который существенно снижает оценку общей энергии всплеска. Наличие релятивистских джетов также означает, что мы видим лишь небольшую долю всех гамма-всплесков, их частота оценивается примерно в один всплеск на галактику раз в 100 000 лет.
Физические свойства Фотоэффект — энергия гамма-кванта поглощается электроном оболочки атома, и электрон, совершая работу выхода, покидает атом (который становится положительно ионизированным). Комптон-эффект — гамма-квант рассеивается при взаимодействии с электроном, при этом образуется новый гамма-квант, меньшей энергии, что также сопровождается высвобождением электрона и ионизацией атома. Эффект образования пар — гамма-квант в электрическом поле ядра превращается в электрон и позитрон. Ядерный фотоэффект — при энергиях выше нескольких десятков МэВ гаммаквант способен выбивать нуклоны из ядра.
Гамма – излучение Выполнили: Орлова Юлия и Найданова Кристина
Релятивистские джеты
В отличие от собственно гамма-всплеска, механизмы послесвечения достаточно хорошо разработаны теоретически. Предполагается, что некоторое событие в центральном объекте инициирует образование ультрарелятивистской разлетающейся оболочки (лоренц-фактор γ порядка 100). По одной модели, оболочка состоит из барионов (масса её должна составлять 10−8 — 10−6 масс Солнца), по другой — это замагниченное течение, в котором основная энергия переносится вектором Пойнтинга.
Весьма существенно, что во многих случаях наблюдается сильная переменность как в самом гамма-излучении (на временах порядка разрешения прибора — миллисекунд), так и в рентгеновских и оптических послесвечениях (вторичные и последующие вспышки, энерговыделение в которых может быть сравнимо с самим всплеском). До некоторой степени это можно объяснить столкновением нескольких ударных волн в оболочке, двигающихся с разными скоростями, но в целом это явление представляет серьёзную проблему для любого объяснения механизма работы центральной машины: нужно, чтобы после первого всплеска она могла ещё давать несколько эпизодов энерговыделения, иногда через времена порядка нескольких часов.
Послесвечение обеспечивается в основном синхротронным механизмом и, возможно, обратным комптоновским рассеянием.
Кривые блеска послесвечений довольно сложны, так как они складываются из излучения головной ударной волны, обратной ударной волны, возможного излучения сверхновой и т. д. Иногда на последних стадиях излучения наблюдается излом кривой блеска (от степени −1 до −2), что считается свидетельством в пользу наличия релятивистского джета: излом происходит тогда, когда γ-фактор падает до значения ~1/θ, где θ — угол раскрытия джета.
Возможная опасность для Земли
Штерн полагает, что гамма-всплеск в нашей галактике случается в среднем раз в миллион лет. Гамма-всплеск такой звезды, как WR 104, может вызвать интенсивное разрушение озонового слоя на половине планеты.
История физики космических лучей
Впервые указание на возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения было получено в начале XX века в опытах по изучению проводимости газов. Обнаруженный спонтанный электрический ток в газе не удавалось объяснить ионизацией, возникающей от естественной радиоактивности Земли. Наблюдаемое излучение оказалось настолько проникающим, что в ионизационных камерах, экранированных толстыми слоями свинца, всё равно наблюдался остаточный ток. В 1911—1912 годах был проведён ряд экспериментов с ионизационными камерами на воздушных шарах. Гесс обнаружил, что излучение растёт с высотой, в то время как ионизация, вызванная радиоактивностью Земли, должна была бы падать с высотой. В опытах Кольхерстера было доказано, что это излучение направлено сверху вниз.
В 1921—1925 гг. американский физик Милликен, изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами.
В 1925 году советские физики Л. Р. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления — открыли «барометрический эффект». Опыты Д. В. Скобельцына с камерой Вильсона, помещённой в постоянное магнитное поле, дали возможность «увидеть», за счёт ионизации, следы (треки) космических частиц. В 1938 году Пьер Оже открыл ливни космических частиц.
Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий: в 1932 году Андерсон открыл в космических лучах позитрон; в 1937 году Андерсоном и Неддермейером были открыты мюоны и указан тип их распада; в 1947 году открыли -мезоны; в 1955 году в космических лучах установили наличие К-мезонов, а также и тяжёлых нейтральных частиц — гиперонов.
Квантовая характеристика «странность» появилась в опытах с космическими лучами. Эксперименты в космических лучах поставили вопрос о сохранении чётности, обнаружили процессы множественной генерации частиц в нуклонных взаимодействиях, позволили определить величину эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии.
Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве
В околоземном космическом пространстве (ОКП) различают несколько типов космических лучей. К стационарным принято относить галактические космические лучи (ГКЛ), частицы альбедо и радиационный пояс. К нестационарным — солнечные космические лучи (СКЛ).
Галактические космические лучи (ГКЛ)
Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном магнитном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией меньше критической. Те же частицы с энергией E < Eкр, которые всё-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).
В околоземном пространстве можно выделить две торообразные области, расположенные в экваториальной плоскости примерно на расстоянии от 300 км (в зоне БМА) до 6000 км (внутренний РПЗ) и от 12 000 км до 40 000 км (внешний РПЗ). Основным наполнением внутреннего пояса являются протоны с высокими энергиями от 1 до 1000 МэВ, а внешнего — электроны.
Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстояниях ~ 3 радиусов Земли от её центра. Малоэнергичные электроны заполняют всю область захвата. Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Поток протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени.
Процесс взаимодействия ядер первичного космического излучения с атмосферой сопровождается возникновением нейтронов. Поток нейтронов, идущий от Земли (нейтроны альбедо), беспрепятственно проходит сквозь магнитное поле Земли. Поскольку нейтроны нестабильны (среднее время распада ~900 с), часть из них распадается в зонах, недоступных для заряженных частиц малых энергий. Таким образом, продукты распада нейтронов (протоны и электроны) рождаются прямо в зонах захвата. В зависимости от энергии и питч-углов эти протоны и электроны могут либо оказаться захваченными, либо покинуть эту область.
Частицы альбедо — это вторичные частицы, отражённые от атмосферы Земли. Нейтроны альбедо обеспечивают радиационный пояс протонами с энергией до 10³ МэВ и электронами с энергией до нескольких МэВ.
Солнечные космические лучи
Защита Защитой от гамма-излучения может служить слой вещества. Эффективность защиты (то есть вероятность поглощения гамма – кванта при прохождении через неё) увеличивается при увеличении толщины слоя, плотности вещества и содержания в нём тяжёлых ядер (свинца, вольфрама, обеднённого урана и пр.).
Космические лучи сверхвысоких энергий
Энергия некоторых частиц (например, частицы «Oh-My-God») превышает предел ГЗК (Грайзена — Зацепина — Кузьмина) — теоретический предел энергии для космических лучей , вызванный их взаимодействием с фотонами реликтового излучения. Несколько десятков таких частиц за год было зарегистрировано обсерваторией AGASA. Частицы сверхвысоких энергий чрезвычайно редки, природа их появления пока не понятна и не имеет достаточно обоснованного научного объяснения.
Детектирование • Зарегистрировать гамма – кванты можно с помощью ряда ядерно-физических детекторов ионизирующего излучения (сцинтилляционных, газовых, полупроводниковых и т. д.).
Биологические эффекты Облучение гамма – квантами в зависимости от дозы и продолжительности может вызвать хроническую и острую лучевую болезнь. Стохастические эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором.
Значение для космических полётов
Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей — учёные из России и США уже ищут способы решения этой проблемы.
Источники Различные процессы в космическом пространстве. Распад частиц в процессе опытов и исследований. Переход ядра элемента из состояния с большой энергией в состояние покоя или с меньшей энергией. Процесс торможения заряженных частиц в среде либо движение их в магнитном поле.
Регистрация космических лучей
Долгое время после открытия космических лучей методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях, чаще всего — газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии, поднимаемые в стратосферу или в космическое пространство. Но данный метод не позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.
Современные обсерватории работают на других принципах. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу, она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых , рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые, в свою очередь, рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц, который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение, регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.