Первичное космическое излучение

Классификация по происхождению первичных космических лучей:

• вне нашей Галактики (внегалактическое излучение)
• в Галактике (галактическое излучение)
• на Солнце
• в межпланетном пространстве

 

 

Как уже упоминалось, космические лучи представляют собой потоки ядер атомов, в основном протонов, рожденных и ускоренных в объектах космического пространства. Интенсивность космического излучения в период минимума солнечной активности составляет J ~ 0, 23 см⁻² с⁻¹ ср.⁻¹ . Энергия космических частиц заключена в широком диапазоне от 1 до 10¹¹ ГэВ. Важнейшими характеристиками космического излучения являются его химический состав и энергетический спектр.

частности, солнечными космическими лучами (СКЛ) называются энергичные заряженные частицы — электроны, протоны и ядра, — инжектированные Солнцем в межпланетное пространство. Энергия СКЛ простирается от нескольких кэВ до нескольких ГэВ. В нижней части этого диапазона СКЛ граничат с протонами высокоскоростных потоков солнечного ветра. Частицы СКЛ появляются вследствие солнечных вспышек.

Состав первичного космического излучения

Изучение состава первичных космических лучей проводилось с помощью фотоэмульсий, сцинтилляционных и черенковских детекторов, установленных на самолетах и шарах-зондах, на спутниках и автоматических космических станциях. Оказалось, что первичное излучение состоит на 90% из протонов, 7% приходится на альфа-частицы и 3% на долю ядер с Z > 2.

Знание химического состава первичного излучения необходимо для решения вопроса о происхождении космических лучей. Космические лучи - это составная часть нашей Вселенной, и поэтому их химический состав должен соответствовать распространенности элементов во Вселенной. Любые аномалии в составе могут служить указанием на особенности рождения и распространения космических лучей в межзвездном пространстве.

 

Таблица 1. Химический состав первичного космического излучения.

 

Группа ядер	Z	Интенсивность м^−2с^−1ср^−1
p		1300±100
a		94±4
L	3 - 5	2,0±0,3
M	6 - 9	6,7±0,3
H	> 10	2,0±0,3
VH	> 20	0,5±0,2

 

В космических лучах при исследовании поведения химического

состава принято объединять ядра в определенные группы в зависимости от величины заряда Z. В таблице 18 приведены интенсивности различных групп ядер для энергии свыше 2,5 ГэВ/нуклон. В группу Р входят протоны, дейтоны и ядра трития, а группу a составляют ядра гелия. Группа L (легкие ядра) объединяет ядра лития (Li), бериллия (Be) и бора (В); группа М (средние ядра) состоит из ядер углерода (С), кислорода (О), азота (N) и фтора (F). Группу тяжелых ядер (Н) образуют ядра с Z > 10 и группу сверхтяжелых (VH) - ядра с Z > 20.

Возраст космических лучей (время их блуждания в космическом пространстве) составляет около 10⁸ лет. При этом оказывается, что космические лучи проходят путь, эквивалентный по поглощению толщине атмосферы 5 г/см². Количество электронов в первичном космическом излучении в 100 раз меньше, чем протонов. Исследования, проведенные в последние годы на спутниках и на Луне, показали, что химический состав первичного космического излучения очень слабо меняется с энергией.

Энергетический спектр первичного космического излучения

Как уже упоминалось, диапазон энергий частиц, зарегистрированных в космических лучах, весьма велик: от 1 до 10¹¹ ГэВ. Разнообразны и методы исследования зависимости интенсивности J космических лучей от их энергии E ₀. Это и методы, использующие геомагнитные эффекты (энергии до десятков ГэВ), и ионизационные калориметры, установленные на спутниках (интервал энергий от 10 до 10⁶ ГэВ), и изучение черенковской вспышки от частиц, идущих в составе, так называемых, широких атмосферных ливней (энергии 10⁶–10¹¹ ГэВ). Проведенные эксперименты показали, что с ростом энергии интенсивность космических лучей резко уменьшается, а сам энергетический спектр космических лучей можно описать степенной функцией:

J (E ₀) dE ₀ = AE ₀^{− g} dE _0,

где g = 2, 75 (до энергии - 10⁶ ГэВ). В интервале энергий (1 – 3)·10⁶ ГэВ наблюдается изменение наклона спектра до значений g = 3, 2. В области энергий E ₀ ~ 10⁹ ГэВ, по некоторым данным, происходит новое изменение наклона спектра - возвращение к значению g = 2, 7. Этот результат нуждается в уточнении. Самые высокие зарегистрированные значения энергии частиц достигают 2·10¹¹ – 10¹² ГэВ. Регистрация частиц, обладающих столь высокой энергией, вызывает повышенный интерес, поскольку существуют доказательства в пользу того, что в космических лучах не должно быть частиц таких высоких энергий. Дело в том, что наша Вселенная заполнена ионизованным и нейтральным газом, в котором существуют хаотические и регулярные магнитные поля, а также фоновым (реликтовым) излучением, возникшим на ранних стадиях развития Вселенной. Вселенная со временем расширяется, а «излучение «охлаждается», и к нашему времени реликтовое излучение имеет максимум интенсивности в микроволновом диапазоне. Плотность же его составляет n ~ 400 фотонов/см³. К. Грейзен и независимо от него Г. Т. Зацепин и В. А. Кузьмин (в 1966 году) предположили, что существование реликтового излучения должно привести к обрезанию спектра первичного излучения в области энергий больших 10¹¹ ГэВ из-за фоторождения пионов во взаимодействиях первичных протонов с фоновыми фотонами. В последнее время появились сообщения, что наблюдаются события с энергией > 10¹¹ ГэВ. Поэтому вопрос о существовании реликтового обрезания остается открытым.

Источники космических лучей

Окончательной теории происхождения космических лучей в настоящее время пока нет. Любая модель, претендующая на эту роль, должна объяснить основные установленные экспериментальные характеристики первичных космических лучей, а именно:

1. форму энергетического спектра космических лучей;

2. химический состав космических лучей;

3. полную энергию космических лучей;

4. практически постоянную во времени интенсивность космических лучей.

Одна из первых гипотез происхождения космических лучей была разработана В. Л. Гинзбургом (1963 г.). Посмотрим, какие космические объекты предлагает эта модель в качестве источников космических лучей. Космические лучи заполняют Галактику - сферу радиуса R = 5·10²² см. Объем V такой сферы равен V_R = 5·10⁶⁸ см³. Плотность энергии космических лучей принимается постоянной во времени и равной плотности энергии космических лучей около Земли, которая составляет W_C = 10⁻¹² эрг/см³. Тогда полная энергия W _кл космических лучей будет

W _кл = W_CV_R ~ 10⁵⁶ эрг ~ 10⁵⁰ ГэВ.

Как уже упоминалось, во время путешествия космических лучей от их источника к Земле они проходят путь L = 5 г/см.². Отсюда можно оценить время T жизни космических лучей:

T = L / rc = 5 / 10⁻²⁶ · 3·10¹⁰ cек ~ 1, 5·10¹⁶ cек ~ 5·10⁸ лет,

где r = 10⁻²⁶ г/см³ - плотность межзвездного вещества, c – скорость движения частиц принимается равной скорости света. Теперь можно оценить мощность, которой обладают источники космических лучей:

P = W _кл / T ~ 10⁵⁶ эрг / 10¹⁶cек ~ 10⁴⁰ эрг/cек.

Какие же из межзвездных объектов могут обеспечить такую мощность? Мощность Солнца составляет ~ 10²³ эрг/сек. Звезд типа Солнца в Галактике ~ 10¹¹, следовательно они могут обеспечить суммарную мощность лишь 10³⁴ эрг/сек, что много меньше требуемой. Конечно, в Галактике есть и более мощные, чем Солнце, звезды, но и их суммарная мощность далека от требуемой. В. Л. Гинзбург показал, что наиболее возможными источниками космических лучей могут быть вспышки сверхновых звезд. Суммарная энергия космических лучей от сверхновых, по оценке, около 10⁴⁹ эрг/сек. Частота вспышек сверхновых звезд - два раза в столетие. Теперь можно найти среднюю мощность P _сн сверхновых: P _сн = W кл / T ~ 10⁴⁰ эрг/с. Следовательно, вспышки сверхновых звезд могут обеспечить постоянную интенсивность космических лучей.

Может возникнуть вопрос, почему не рассмотреть в качестве основных источников космических лучей квазары и радиогалактики, в которых содержится в тысячи раз больше космических лучей, чем в обычных галактиках? Однако, хотя энергия, выделяемая квазарами, порядка энергии, выделяемой всеми активными галактиками, но число квазаров в 10⁵ раз меньше полного числа галактик. Количество же радиогалактик порядка нескольких сотен, т. е. в тысячу раз меньше числа нормальных галактик, поэтому их суммарное энерговыделение оказывается на три порядка меньше энерговыделения всех галактик.