©
Куцева Н. В. │ Сайт «Элементарные частицы»
разработан в рамках ВКР магистра |
Источники космического излучения
Все имеющиеся гипотезы
об источниках
космического излучения опираются на
имеющиеся экспериментальные данные о его первичном
излучении и на результаты радиоастрономических
исследований.
Галактическое происхождение
По современным представлениям
большая часть первичного космического излучения
возникает в пределах нашей
Галактики, в которой
происходит ускорение частиц до энергий порядка
.
Прямые радиоастрономические наблюдения, осуществлённые в
1957 году, за частично поляризованным радиоизлучением от Крабовидной туманности, возникшей в результате взрыва в 1054 году сверхновой, сравнительно близкой к Солнечной системе, стали первыми экспериментальными доводами о том, что основным источником космического излучения являются взрывы сверхновых звёзд. А большие энергии частиц можно объяснить их ускорением на ударных волнах плазмы, выброшенной взрывающейся сверхновой звездой.
Позднее такое излучение наблюдались
и от других, более далёких туманностей, рождённых
взрывами
сверхновых звезд. Во всех случаях свойства
этого излучения были очень схожи с
синхротронным
(магнитотормозным) излучением, мощность которого
можно было объяснить только в том случае, если его
центром являются места с повышенной плотностью
космического излучения. Если это так, то объекты,
подобные Крабовидной туманности (остатки
сверхновых
звезд) являются своеобразными источниками
космического
излучения.
Если учесть среднюю частоту
взрывов
сверхновых звёзд в нашей
Галактике (1 раз в
30-50 лет), полное энерговыделение при каждом взрыве (
)
и предположить, что
этой
энергии тратится на ускорение заряженных частиц, то
можно объяснить как среднюю плотность энергии
космического излучения (
),
так и отсутствие заметных колебаний его потока.
В среднем интенсивность космического излучения за пределами атмосферы Земли составляет около 2-х частиц на
в единицу времени (из них частиц с энергией частица на в год). Эта величина почти не зависит от времени года и суток, т. е. не связана с движением Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси. Она практически постоянна, что ещё раз подтверждает гипотезу галактического происхождения космического излучения.Солнечное происхождение
Изредка, а именно, во время Солнечных вспышек и корональных выбросов масс происходит местное изменение галактического магнитного поля, поток космического излучения нарастает. В основном нарушение изотропии и постоянства интенсивности космического излучения происходит с его мягким компонентом. Энергия частиц, приходящих от Солнца, составляет примерно от до , а интенсивность частиц на
в единицу времени. Таким образом, Солнце* также является источником космического излучения, приходящего к нам на Землю.
*Другие звёзды во время
своей активности также вносят вклад в
космическое излучение. Но они находятся
сравнительно далеко для того, чтобы частицы их
излучений с характерными для них энергиями
достигли Земли? |
Внегалактическое происхождение?
В 1966 году российскими учёными Г. Зацепиным и В. Кузминым, и, независимо, от них американским физиком К. Грайзеном теоретически была вычислена максимально возможная энергия космических лучей. Оказалось, что частицы космического излучения могут иметь энергию вплоть до
, но не выше. А приходить они к нам могут от источника, расположенного от Земли, не дальше, чем 500 миллионов световых лет. Найденный ими энергетический лимит космических лучей в дальнейшем получил название в соответствии с их фамилиями – «предел ГЗК».Их рассуждения основывались на том,
что вся Вселенная в период протонной эпохи после
Большого Взрыва уже насытилась реликтовым излучением
вследствие первичной рекомбинации водорода. Частицы
космического излучения, превышающие указанный предел,
при вступлении во взаимодействие с фотонами
реликтового излучения будут терять свою энергию на
образование
пионов и замедляться.
Однако, вечером
15 октября 1991 года когда солнце в штате Юта США уже зашло за горизонт, детектором “Fly’s Eye” (или High Resolution Fly`s Eye Cosmic Detector)) в небе была зафиксирована ультрафиолетовая вспышка – след элементарной частицы, скорость которой оказалась равной от скорости света (больше скоростей частиц в БАКе – самой мощной и масштабной экспериментальной установке современности), а энергия – ( – на 8 порядков больше, чем в БАКе). Значение энергии этой частицы на порядок выше предела ГЗК. Такой частицы зарегистрировать никак не ожидалось.Показатели на приборных панелях так
поразили исследователей, что они не задумываясь, сразу
же окрестили эту частицу “Oh-My-God” («О мой
Бог»). Что это была за частица, к сожалению, узнать уже
не возможно. Но можно предположить, что это был либо
протон, либо
ядро какого-то элемента.
Система детекторов
обсерватории Fly`s Eye на западе штата Юта в США
Обсерватория Fly's Eye работала с
1981-го года по 1993 год. Она была первой, кто использовал технология «воздушной флюоресценции» для определения энергий и направлений высокоэнергетических космических лучейДля разгона частиц до таких
сверхвысоких энергий необходимы очень сильные магнитные
поля огромной протяженности. Грубо говоря, энергия
частицы больше тем, чем больше разгоняющее её магнитное
поле и его занимаемый объём. Учёным известно довольно
мало причин возникновения таких полей, поэтому
определить точно источник излучения таких частиц крайне
трудно. Этот вопрос на сегодняшний день остаётся
открытым.
Создавать гигантские поля могут квазары – активные ядра некоторых галактик на их начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная дыра поглощает окружающее вещество. В результате приобретения чёрной дырой огромной массы, испускается сверхмощное излучение – джет, который, может быть, и ускоряет потоки выброшенных частиц до таких энергий.
Джет квазара
Есть также предположение, что этим источником могут быть, магнетары – вращающиеся нейтронные звёзды, обладающие исключительно сильным магнитным полем по сравнению с пульсарами (обычными вращающимися нейтронными звёздами). Но при движении частицы в магнитном поле по кругу, её энергия будет тратиться на испускание электромагнитного излучения. В конце концов, она вылетит, потеряв необходимый энергетический запас.
Схематическое изображение пульсара
Сфера в центре изображения — нейтронная звезда, кривые линии обозначают линии магнитного поля пульсара,
голубые конусы — потоки излучения пульсара
Скопления
галактик, создают менее
интенсивные поля, но зато их протяженность достигает
миллионов световых лет. Поэтому они тоже рассматриваются
в качестве кандидатов на роль ускорителей, порождающих
космические лучи сверхвысоких энергий.
Допускается также возможность появления на свет частицы сразу со сверхвысокой энергией. Тогда, исходя из уравнения А. Эйнштейна
, своим рождением эта частица могла бы быть обязана распаду материи, имеющей огромную массу. Таковой является тёмная материя, заполняющая всю Вселенную. Однако её существование пока что тоже является лишь гипотезой**. Поэтому утверждать о возможности такого происхождения частиц сверхвысоких энергий учёные не могут.
**Гипотеза о существовании
тёмной материи основывается она на том, что если
совокупность всех небесных тел
Галактики меньше,
чем масса самой
Галактики, то должна
существовать какая-то материя, заполняющая
Галактику и придающая ей массу. |
Обычно частицы, приходящие
из космоса, с энергиями
называют
космическими лучами ультравысоких энергий. Их количество
настолько мало (не более одной на
в
столетие). Для измерения их энергетического спектра и
определения их направлений (траекторий) необходимы целые
сети детекторов.
Детекторами «Fly's Eyе»,
расположенными на территории в сотни квадратных
километров, были получены данные, согласно которым
первичная частица прилетает к нам из недалеких
источников, что не опровергало наличия ГЗК-предела.
Детекторы японской
обсерватории АGАSА
(Akeno Giant Air Shower Array), располагающиеся также на
территории в сотни квадратных километров, фиксировали
частицу уже не в воздухе, а в расставленных на
поверхности земли сцинтилляторах (пластик, жидкость или
кристалл). Попадая в сцинтиллятор, частица вызывает в
нём свечение – сцинтилляции, которые затем фиксируются
фотоумножителями. По разнице времени достижения
вторичными частицами поверхности земли на разных
станциях, можно исследовать, откуда пришла первичная
частица. Результаты, полученные этой обсерватории,
говорили о том, что месторождение подобных частиц
находится в отдаленных источниках, более
500 миллионов
световых лет от Земли.
Для полного анализа природы и происхождения первичной частицы в Аргентине на территории была построена обсерватория имени П. Оже (в честь французского ученого П. Оже, открывшего ШАЛ), содержащая в себе как флуоресцентные, так и сцинтилляционные детекторы. Точность её измерений направлений первичных частиц составляет .
Распределение потока космических лучей с энергиями более по небесной сфере в экваториальных координатах. Плоскость Млечного Пути показана пунктирной линией, направлениена центр нашей галактики — звездочкой. Белый кругвокруг северного полюса обозначает область, недоступную для наблюдений с места, где расположена обсерватория Пьера Оже. Изображение из обсуждаемой статьи в Science. |
На рисунке слева представлены
результаты анализа данных обсерватории П. Оже,
собранных
с 2004 по
2016 год, в виде распределения потока
космических лучей с энергиями более
по
небесной сфере в экваториальных координатах.
Тёмно-красным цветом обозначены более высокие потоки,
тёмно-синим – более низкие. Из рисунка видно, что
максимум этого распределения находится вдалеке от
направления на Галактический центр. Это уже один из
фактов, указывающих на внегалактическую природу
космического излучения ультравысоких энергий.
Вторым фактом служит однородность
потока этого излучения (голубой и красный цвета
соответствуют близким значениям). Это можно объяснить
тем, что угол отклонения
космических лучей в магнитном
поле Галактики при этих энергиях очень большой. Поэтому
мы просто не можем наблюдать неоднородность направлений
их прилета. Это ещё раз подтверждает внегалактическую
природу частиц ультравысоких энергий – ведь, если бы
неоднородность направлений прилета все-таки
обнаружилась, это свидетельствовало бы о том, что такие
частицы рождаются внутри нашей
Галактики, а не за её
пределами.
Распределение потока космических лучей с энергиями более по небесной сфере в галактических координатах. Направление на галактический центр находится в центре изображения. Крестиком показано направление на центр красного пятна, два контура вокруг крестика обозначают 68- и 95-процентный довери- тельные интервалы. Показано направление на максимум распределения галактик по данным каталога 2MRS (ромбик), а стрелки показывают, как частицы с энергиями и , прилетающие с этого направления, отклоняются в магнитном поле Млечного Пути ( — энергия, — заряд космического луча).
Изображение из
обсуждаемой статьи в Science |
На другом рисунке показано
распределение направлений прилёта лучей в галактических
координатах. Центр красного пятна указывает на
направление, откуда преимущественно летят
космические
лучи ультравысоких энергий. Такое направление находится
по координатам
прямого
восхождения и
склонения
со статистической значимостью в
.
Из красного пятна поток
космических лучей на
выше,
чем из синего.
Какова природа источников
космических лучей ультравысоких энергий по полученным
результатам пока нельзя точно сказать. Но, принимая во
внимание магнитное поле нашей
Галактики, отклоняющее
лучи (на рисунке это отклонение показано стрелками),
можно предположить, что распределение таких источников
примерно совпадает с распределением
галактик во
Вселенной.
Трудности в установлении
точного источника первичной частицы связаны с
межгалактическими магнитными полями, которые
искривляют прямолинейную траекторию единичных
протонов,
а более тяжёлых
атомных ядер – тем более (что
обусловливается большим количеством в них
протонов).
Сейчас в планах у астрофизиков
выйти за планетарные масштабы и использовать Луну как
рефлекторный телескоп для фиксации частиц
ультравысоких энергий. Для этого на территории Австралии
и Южной Африки до 2025 года планируется построить
гигантский сверхчувствительный радиотелескоп Square Kilometre Array, станции которого займут площадь в
.
Задачей детектора будет улавливание наносекундных
радиоволн, вызванных столкновением сверхскоростных и
высокоэнергетичных частиц с диэлектрической почвы Луны.
Это увеличит шансы разгадки секретов неуловимых частиц в
сотни раз, ведь в таком случае они будут
фиксироваться с гораздо большей частотой и
регистрироваться до момента взаимодействия с атмосферой
Земли.