Астрофизика космических лучей

Космические лучи, как физическое явление, были открыты около ста лет назад, в 1912 г. Несколько необычный термин - «космические лучи» - явился следствием того, что в то время и многие годы спустя неясна была их природа. Тогда было только известно, что космические лучи - это потоки проникающего излучения, приходящего из космоса и производящего ионизацию в атмосфере. Именно космические лучи создают радиационный фон, уровень которого растет с высотой, так что на высоте 10 км от уровня моря, он примерно в 10 раз выше, чем у поверхности Земли.

В настоящее время природа космических лучей хорошо изучена. Установлено, что они представляют собой потоки ядер химических элементов. Состав космических лучей сходен с химическим составом вещества Вселенной: водород - преобладающий элемент (около 90%); гелий (8%); ядра более тяжелых элементов (2%). Одна из главных характеристик космических лучей - их энергетический спектр, или зависимость потока от энергии. Он представлен широким диапазоном энергий: от 103 до 1020 эВ (1 эВ = 1,6·10-12 эрг). Для сравнения: ускорители заряженных частиц - наиболее сложные, объемные и дорогие устройства - способны разгонять частицы только до энергий 1012 эВ.

В исследованиях свойств космических лучей существует целый ряд аспектов. Среди них, с некоторой долей условности, можно выделить два основных: ядерно-физический и астрофизический. Первый связан с изучением фундаментальных свойств материи, исследованием свойств «кирпичиков» - элементарных частиц, из которых построен материальный мир. Астрофизическое направление в исследовании космических лучей имеет в качестве главной цели объяснение их происхождения, то есть отыскание астрофизических объектов, в которых генерируется спектр космических лучей, а также выяснение тех процессов, которые приводят к формированию этого спектра.

 

Shall Частицы космических лучей вторгаются в земную атмосферу со всех сторон и порождают в ней ливни (каскады) вторичных частиц, показанные на рисунке. Регистрация вторичных частиц (электронов, фотонов, мюонов и т. д.) на поверхности Земли позволяет опосредованно регистрировать частицы космических лучей и их свойства. Непосредственная регистрация космических лучей производится с помощью детекторов, установленных на космических аппаратах.

 

Поиск объектов, которые являются источниками космических лучей, ведется непрерывно с момента их открытия. Для решения этой актуальной задачи нет нужды подвергать проверке каждую из имеющихся в Галактике звезд. Такой путь бесперспективен - звезд в ней более ста миллиардов. В то же время хорошо известен ряд весьма существенных требований, которым должны удовлетворять источники космических лучей. Главное из них - энергетическое. Дело в том, что из эксперимента известно полное энергосодержание космических лучей и среднее время их пребывания в Галактике, по истечении которого они выходят в межгалактическое пространство. Это позволяет вычислить необходимое энерговыделение, которым должны обладать источники космических лучей. Определенное таким образом энергетическое требование оказывается столь жестким, что ему удовлетворяют только объекты с самым большим энерговыделением. Таковыми в Галактике являются вспышки сверхновых звезд.

Стороннему наблюдателю вспышка сверхновой представляется как появление на небосводе новой звезды. Яркость ее в десятки миллиардов раз превосходит яркость обычной звезды, типа Солнца. Первоначально предполагалось, что вспышка сверхновой - это рождение новой звезды. В действительности же этот процесс - взрыв относительно старой звезды, в результате которого она прекращает свое существование. Физика процессов, приводящих к вспышке сверхновой, сама по себе очень интересна. Однако с точки зрения проблемы происхождения космических лучей главным является величина выделившейся при взрыве энергии , которая в типичном случае составляет 1051 эрг. Такая энергия высвечивается Солнцем или другой подобной звездой за 10 млрд. лет. В нашей звездной системе - Галактике - в среднем вспыхивает одна сверхновая в 30 лет. Их суммарного энерговыделения вполне достаточно, чтобы заполнить Галактику космическими лучами с наблюдаемой интенсивностью. Этот факт известен астрофизикам с 30-х годов прошлого века. С тех пор сверхновые являются главным кандидатом на роль источников космических лучей.

 

tixo Изображение остатка сверхновой Тихо, вспыхнувшей в 1572 году. Остаток виден во всех диапазонах электромагнитных волн от радио до гамма-диапазона включительно. Наибольшую яркость остаток имеет в рентгеновских лучах, которые производятся рожденными в остатке частицами космических лучей.

 

Поиск подходящего физического процесса (механизма) ускорения космических лучей усиленно велся многими исследователями несколько десятилетий. Решающий успех в решении этой проблемы достигнут в ИКФИА: в 70-х годах прошлого века был открыт эффективный механизм ускорения космических лучей ударными волнами (Крымский Г.Ф. 1977, ДАН СССР, т. 234. с. 1306), который, как стало ясно в дальнейшем, эффективно действует в остатках сверхновых, порождая популяцию космических лучей за счет энергии расширяющейся оболочки. В последующие два десятилетия усилия исследователей многих стран были направлены на изучение свойств этого механизма, на создание всеобъемлющей теории, способной давать детальные предсказания, которые можно было бы проверить экспериментально. Как выяснилось в ходе исследований, ускоряемые частицы аккумулируют существенную часть энергии системы. Поэтому соответствующее теоретическое описание должно учитывать нелинейные эффекты обратного влияния космических лучей на систему, то есть на структуру и динамику остатка сверхновой. Определяющий шаг в этом направлении был сделан также в ИКФИА: в начале 90-х годов разработана нелинейная теория ускорения космических лучей в остатках сверхновых, созданы и реализованы алгоритмы, предназначенные для получения численных решений соответствующей системы нелинейных уравнений (Бережко Е.Г., Ёлшин В.К., Ксенофонтов Л.Т. 1996, ЖЭТФ, т.109. с. 3).

Большая удаленность изучаемых объектов от наблюдателя (ближайшие остатки сверхновых расположены на расстояниях 100-1000 парсек от Земли) делает невозможным проведение измерений в самом объекте. Такая ситуация является типичной для астрофизики. В этом, как и в других аналогичных случаях, экспериментальная проверка теоретических построений состоит в регистрации излучения, порождаемого космическими лучами, и сравнении его свойств с теоретически предсказанными. Космические лучи производят электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн - от радио- до гамма-диапазона включительно. Это излучение, которое принято именовать нетепловым, по своим свойствам и механизму формирования существенно отлично от теплового, исходящего от любого нагретого тела, в частности, от звезд. Особый интерес представляет наиболее коротко­волновая часть спектра нетеплового излучения - гамма-излучение, фотоны которого имеют энергию ~ 1012 эВ и даже выше. Факт регистрации такого излучения от того или иного объекта уже говорит о содержании в нем большого количества космических лучей с энергией выше 1013 эВ, что само по себе представляет ценную информацию. Следует отметить, что возможность регистрации гамма-излучения высоких энергий появилась сравнительно недавно благодаря созданным в ряде стран сложным детектирующим устройствам, называемым гамма-телескопами. Гамма-телескопы - приборы узконаправленные. Поэтому их использование предполагает заблаговременное определение конкретных объектов, наиболее интересных для наблюдения. Задача теории, развиваемой в ИКФИА: выявление потенциальных источников гамма-излучения, а также детальное объяснение свойств зарегистрированных источников.

В спектре космических лучей сверхновые представлены энергиями до 1017 эВ. В то же время в наблюдаемом спектре космических лучей фиксируется энергия до 1020 эВ. Хотя о происхождении наиболее высокоэнергичных космических лучей сегодня можно говорить гораздо менее определенно, есть основания предполагать, что они внегалактического происхождения, то есть производятся в других галактиках. Дальнейшие экспериментальные и теоретические разработки в этой области, несомненно, дадут в ближайшем будущем более определенный ответ на этот вопрос. Необходимо отметить, что из-за низкой интенсивности космических лучей сверхвысоких энергий их экспериментальное изучение возможно только с помощью наземных установок гигантских размеров. Это так называемые установки широких атмосферных ливней (ШАЛ), которые осуществляют регистрацию вторичных частиц каскада, порожденного частицей космических лучей в атмосфере. Крупнейшая в России установка ШАЛ принадлежит ИКФИА и расположена в Якутии близ пос. Октемцы. Ее детекторы контролируют площадь размером около 10 квадратных километров. Существующие представления о космических лучах сверхвысоких энергий сложились в значительной мере на основе кропотливых исследований, ведущихся на Якутской установке ШАЛ в течение более чем 30 лет. За научные достижения, полученные на Якутской установке ШАЛ, сотрудники ИКФИА Н.Н. Ефимов и Д.Д. Красильников в 1982-м году были удостоены Ленинской премии. Якутская установка ШАЛ до сих пор по некоторым своим параметрам остается уникальным научным инструментом, на котором решаются актуальные научные задачи.

 1220shall

 Лауреаты Ленинской премии (1982г.) Никодим Николевич Ефимов (слева) и Дмитрий Данилович Красильников