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.

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.

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 (Е.Г. Бережко, В.К. Ёлшин, Л.Т. Ксенофонтов Ускорение космических лучей в остатках сверхновых (Статья, опубликованная в ЖЭТФ, формат PDF).

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.