М. И. Панасюк, профессор, д ф. м н
| Вид материала | Документы |
- Юридический архив е. Жигарев, почетный академик раен, доктор юридических наук, профессор, 261.73kb.
- Світова Організація Торгівлі: загальні дані [Текст] / М. Зубець, Б. Панасюк // Ефективне, 101.7kb.
- Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение Высшего, 4583.66kb.
- Методика: адаптированный вариант методики Дж. Векслера (Панасюк А. Ю.). Сроки проведения, 150.28kb.
- М. Д. Хуторской, В. П. Зволинский, А. А. Рассказов мониторинг и прогнозирование геофизических, 3335.7kb.
- С этой ссылки можно взять фото, 2277.05kb.
- Методические рекомендации по составлению аналитического отчета школы (источник: Справочник, 166.16kb.
- Платоновские чтения Материалы XIII всероссийской конференции молодых историков г. Самара, 3309.31kb.
- Программа международной конференции «Теория операторов, комплексный анализ и математическое, 269.19kb.
- Сквозная программа учебных и производственных практик методическОе указаниЕ для студентов, 597.46kb.
Тайна происхождения галактических космических лучей
М.И. Панасюк, профессор, д.ф.-м.н., директор НИИЯФ МГУ,
Д.М. Подорожный, к.ф.-м.н., руководитель проекта «НУКЛОН», НИИЯФ МГУ,
Л.Г.Свешникова, д.ф.-м.н., НИИЯФ МГУ
Немного истории
Существование проникающего излучения внеземного происхождения было открыто австрийским физиком Виктором Гессом в 1912 г. практически случайно. Ученый изучал ионизацию в газе, находящемся в закрытом сосуде. Предполагалось, что основная ионизация происходит от радиоактивного излучения земной поверхности. Но при подъеме регистрирующей аппаратуры при помощи аэростата он с удивлением обнаружил, что скорость ионизации на высоте 5 км возросла в несколько раз по сравнению с уровнем моря. Открытие было интерпретировано так: из Космоса приходит излучение, легко проникающее через атмосферу и стенки сосуда и ионизирующее газ. Это излучение позднее было названо космическими лучами (КЛ).
 |  |
Фотографии с места запуска установки, на которой было открыто космическое излучение
Начиная с этого времени, сотни ученых пытались понять природу космического излучения, и в настоящее время известно уже очень много. Было показано, что космические лучи – это атомные ядра, приходящие равномерно со всех направлений (изотропно) из окружающего Землю пространства. Самой интригующей особенностью этого излучения оказалось степенное распределение частиц по энергии I(E) ~ E-, простирающееся на много порядков по энергии от 106 до 1020 эВ (энергия частиц обычно измеряется в единицах электрон-вольт: 1 эВ = 1.6 10-12 эрг, часто будут встречаться единицы ГэВ=109 эВ и ТэВ=1012 эВ). Ученым удалось установить, что, скорее всего, до энергии ~1018 эВ космические лучи имеют в основном Галактическое происхождение (галактические КЛ – ГКЛ), а при большей энергии начинают преобладать КЛ, приходящие на Землю из других Галактик. Кроме того, оцененная плотность энергии КЛ в Галактике оказалась очень большой ~1 эВ/см3, что сравнимо с плотностью суммарного электромагнитного излучения звезд в Галактике, энергией теплового движения межзвездного газа и кинетической энергии его турбулентных движений и с плотностью энергии магнитного поля Галактики. Это позволяет считать космические лучи важнейшей составляющей межзвездной среды Галактики, а установление источников КЛ и изучение процессов распространения их до Земли – одной из важнейших задач астрофизики.
Именно, исходя из энергетического баланса Галактики, были сделаны первые попытки объяснения происхождения ГКЛ. Такими наиболее вероятными объектами последние годы считались вспышки Сверхновых, вероятно, самые мощные источники энергии в нашей Галактике. Но, несмотря на длительную историю изучения ГКЛ, их происхождение, особенно в области высоких энергий, все же остается загадкой. Многие вопросы не получили ответов. Какие объекты и как ускоряют космические лучи до энергий, на много порядков превышающих энергии, которые могут получить частицы в грандиозных термоядерных топках – в недрах звезд? Существует ли единый механизм формирования потоков частиц или несколько различных механизмов, действующих в разных областях энергий? При каких энергиях начинают преобладать космические лучи внегалактического происхождения? Не объяснена до сих пор одна из загадок в спектре КЛ – наличие излома (резкого изменения степенного показателя спектра, часто называемого «коленом») при энергии ~31015 эВ, открытого еще в 1958 г. Множество гипотез было предложено для объяснения всего комплекса наблюдательных данных по ГКЛ, однако общая картина остается очень неясной и во многом противоречивой.
Отчасти нерешенность проблемы происхождения ГКЛ связана с тем, что эти частицы обладают электрическим зарядом и распространяются от источников до места регистрации не по прямой линии, а меняя свое первоначальное направление, отклоняясь в магнитных полях Земли, Солнца, Галактики. Поэтому мы не можем регистрировать в околоземном пространстве ГКЛ низких энергий – они отражены магнитными полями Земли. Но и источник высокоэнергичных ГКЛ тоже не удается «увидеть» как мы видим звезду, первоначальное направление искажено магнитными полями Галактики. По этой причине название «лучи» нельзя назвать удачным, так как поток частиц ГКЛ распространяется не по прямой линии.
Если мы изучаем свет от звезды, мы регистрируем поток фотонов довольно низких энергий ~1 эВ, но современная техника позволяет регистрировать фотоны и очень высоких энергий – более 1012 эВ (при высоких энергиях эти фотоны обычно называют гамма–квантами). По законам ядерной физики гамма–кванты с энергиями более 1012 эВ = 1 ТэВ могут образовываться от заряженных частиц с энергией на порядок больше – 10131014 эВ при взаимодействии их с межзвездной средой, а это означает, что можно «увидеть» место, где ускоряются КЛ высоких энергий. Наука, которая изучает Галактику в потоках высокоэнергичных гамма–квантов, получила название ТэВ–ной гамма–астрономии. Она возникла в 70-х годах прошлого века, и, как тогда казалось, сможет быстро решить проблему происхождения КЛ. Но этого до сих пор не произошло, хотя было найдено несколько источников в Галактике (оболочек сверхновых и пульсаров), в которых образуются ТэВ–ные гамма–кванты.
Так увидел возможное место ускорения КЛ гамма-телескоп H.E.S.S (остаток Сверхновой J1713.7—3946)
После анализа данных с самого мощного в настоящее время гамма–телескопа Н.Е.S.S стало ясно, что проблема происхождения КЛ еще более интересна, чем предполагалось. Например, в гамма–астрономии не видят источников высокоэнергичных (>1 ТэВ) гамма–квантов от всех близких остатков сверхновых, а лишь от небольшой части, причем источники гамма-квантов МэВ-ных (1 МэВ=106 эВ) и Тэв-ных энергий не совпадают (хотя спектр ГКЛ степенной и непрерывный), и разнообразие источников оказалось очень большим. Остается добавить, что было обнаружено несколько не идентифицированных источников гамма–квантов очень высокой энергии, в том числе и в нашей Галактике. Были обнаружены протяженные источники, находящиеся в направлении на центр Галактики, которые излучают высокоэнергичные гамма–кванты и не видны ни в оптическом свете, ни в рентгеновском диапазоне, авторы назвали их «темными ускорителями». Все это не очень укладывается в схему, что только сверхновые являются основными ускорителями КЛ в Галактике.
История изучения ГКЛ показывает, что только новые эксперименты шаг за шагом, установка за установкой накапливают крупицы знаний о космических лучах. Очень может быть, что загадка происхождения космических лучей потому и остается загадкой, что мы, как выяснилось в последние 10 лет, практически ничего не знаем об основных составляющих материи и энергии во Вселенной (темная материя и темная энергия). В том числе и в нашей Галактике масса темной материи во много раз превосходит известную нам материю.
Эксперимент НУКЛОН, направленный на измерение спектров КЛ в области, непосредственно примыкающей к «колену» в спектре ГКЛ – один из таких экспериментов. Ниже будет показано, что зависимость интенсивности частиц космического излучения от энергии (энергетический спектр КЛ) и распределение КЛ по заряду и массе ядра (химический состав) содержат существенную информацию об источниках КЛ, о механизмах ускорения и распространения КЛ в Галактике.
Суммарный энергетический спектр ГКЛ
При изучении ГКЛ ученые столкнулись с двумя основными методическими сложностями:
- Поверхности земли, даже поверхности самых высоких гор, первичный поток ГКЛ не достигает: по мере вхождения в плотные слои атмосферы происходят многочисленные взаимодействия частиц c ядрами атомов воздуха. Поэтому изучение ГКЛ «прямыми» методами (методами, в которых измеряется энергия и заряд первичной частицы) можно только за пределами атмосферы при помощи космических аппаратов или высотных аэростатов.
- Интенсивность КЛ резко падает с ростом энергии по закону I~Е-2.7 до энергии Е~31015 эВ и по закону I~Е-3.1 после этой энергии. По этой причине для изучения частиц все более высоких энергий требуется вынос за пределы атмосферы на длительное время приборов с большой апертурой. На сегодняшний день достижимые с точки зрения возможностей космических аппаратов энергии КЛ «прямыми» методами оказываются менее 1015 эВ. Поэтому представление о высокоэнергичной части спектра КЛ получено «косвенными» методами, прежде всего методом широких атмосферных ливней (ШАЛ). Суть метода состоит в регистрации ливня вторичных частиц, образующихся при вхождении в атмосферу первичной частицы, благодаря многочисленным ядерным и электромагнитным взаимодействиям быстрых частиц ливня с ядрами и электронами атомов атмосферы. Каждый ШАЛ имеет свои особенности по составу частиц, их количеству, их пространственному распределению и т.п. Задача исследователей состоит в том, чтобы по измеряемым параметрам вторичных частиц ШАЛ произвести «реконструкцию» события, т.е. от параметров ШАЛ перейти к параметрам первичной частицы.
Если «прямыми» методами можно пытаться достичь энергии 1015 эВ, то пороговой областью метода ШАЛ является энергия несколько единиц на 1014 эВ, а на большинстве установок – более 1015 эВ, поскольку методика ШАЛ требует развитого каскада с большой суммарной энергией вторичных частиц. Таким образом, область спектра КЛ в районе колена является еще и границей применимости разных методов. Сопоставление данных полученных «прямыми» и «косвенными» методами позволит построить суммарный энергетический спектр КЛ.
Так выглядит спектр КЛ в двойном логарифмическом масштабе.
Как рождаются галактические космические лучи
Уже более полувека строятся различные гипотезы, где рождаются и как ускоряются космические лучи до столь высоких энергий, ведь лучшие лабораторные ускорители на земле разгоняют частицы только до энергии порядка 1012 эВ. Как было сказано выше, первые попытки объяснения происхождения КЛ были основаны именно на энергетических оценках. Прежде всего, необходимо было найти астрономические объекты, которые по мощности выделяемой энергии могли бы быть ответственны за полную энергию КЛ, аккумулированную в настоящее время в Галактике, и поддерживающими более или менее постоянную во времени плотность КЛ. Такими объектами могут быть вспышки Сверхновых (SN).
Еще старинные летописи и хроники сообщают, что изредка на небе внезапно появлялись звезды исключительно большой яркости. Они быстро увеличивали яркость, а затем медленно, в течение нескольких месяцев угасали и переставали быть видимыми. Вблизи максимума блеска этих звезд они были видны даже днем. Наиболее яркими были вспышки в 1006 и 1054 годах, сведения о которых содержатся в китайских и японских трактатах.
В
1572 году такая звезда вспыхнула в созвездии Кассиопеи и наблюдалась выдающимся астрономом Тихо Браге, а в 1604 году подобную вспышку в созвездии Змееносца наблюдал Иоганн Кеплер. С тех пор, за четыре столетия «телескопической» эры в астрономии подобных вспышек в нашем секторе Галактики не наблюдалось. Однако с развитием наблюдательной астрономии ученые получили возможность обнаруживать вспышки Сверхновых в других Галактиках. И сейчас уже достаточно хорошо известна как частота взрывов SN, так и детали взрывов. Вспышка SN в 1987 г., произошедшая недалеко от нашей Галактики в большом Магеллановым облаке, уже была встречена в полном астрономическом вооружении. От нее даже зарегистрирована вспышка ожидаемого нейтринного излучения. На рисунке, показано, как эта звезда выглядела до и после взрыва.
Знаменитая Сверхновая 1987 г. до (справа) и после (слева) вспышки.
Вспышка Сверхновой – это не рождение, а конец эволюции массивной звезды с массой, в 810 раз превышающей массу Солнца. Энергия взрыва SN, передающаяся в оболочку, сбрасываемую во время взрыва, в настоящее время оценивается как 1051 эрг, но не исключено, что существуют и в десятки раз более энергичные взрывы, они получили название Гиперновых. Освободившейся при вспышке сверхновой энергии более чем достаточно, чтобы полностью рассеять в пространстве вещество звезды. После взрыва звезда перестает существовать в прежнем виде, и если считать, что несколько процентов этой кинетической энергии пойдет на ускорение ядер и электронов, то при частоте взрывов SN раз в 30-50 лет сверхновые могут обеспечить наблюдаемую плотность энергии КЛ в нашей Галактике. Именно эта оценка явилось одним из оснований, позволивших в течение последних десятков лет рассматривать SN как основной источник КЛ в Галактике.
Сброшенная оболочка Сверхновой II типа, взорвавшейся в 1054 г. Крабовидная туманность.
Сбрасываемая с огромной скоростью оболочка звезды называется остатком сверхновой – SNR (R означает по-английски остаток – remnant). В большей части сверхновых после взрыва еще остается и компактный остаток – вращающаяся нейтронная звезда, которая может регистрироваться астрономами как пульсар, излучающий радиоволны с периодичностью от долей секунды до 2-3 секунд. Например, в центре Крабовидной туманности, изображенной выше, находится пульсар. А в сверхновой 1987 пульсар не виден. Ученые предполагают, что если взрывается очень массивная звезда с массой более 20 масс Солнца, то в центре может образоваться не нейтронная звезда, а черная дыра. Во многих работах было показано, что частицы очень эффективно могут ускоряться в магнитосферах пульсаров, поскольку быстро вращающаяся, с сильным магнитным полем нейтронная звезда генерирует колоссальную разницу потенциалов на поверхности и в магнитосфере, что создает условия для ускорения частиц до энергий 1012-1013 эВ. Но все же наиболее вероятным механизмом ускорения КЛ считается ускорение на фронтах ударных волн в оболочках сверхновых.
Расширяющаяся оболочка собирает и сжимает окружающий ее газ. Возникает ударная волна, как при взрыве атомной бомбы, только в миллиарды и миллиарды раз сильнее. По современным представлениям, наиболее вероятным механизмом ускорения ГКЛ от тепловых до энергий вплоть до 1015 эВ является статистическое ускорение частиц на фронтах ударных волн SNR. Суть этого механизма (предложенного американским физиком Э.Ферми) состоит в том, что при многократных столкновениях заряженной частицы c движущимися намагниченными облаками, энергия частицы в среднем при каждом столкновении возрастает. Если эти магнитные неоднородности движутся в одном направлении, то возрастание энергии уже происходит столь быстро, что оказывается достаточным для объяснения энергетических спектров ГКЛ. Именно такая ситуация, похоже, складывается около фронта ударной волны SN, где существуют магнитные неоднородности (завихрения плазмы) по обе стороны фронта. Частицы межзвездного вещества, попавшие в процесс ускорения, под воздействием магнитного поля множество раз пересекают фронт ударной волны, с каждым пересечением набирая дополнительную энергию. Процесс статистический, поэтому с некоторой вероятностью частицы могут и покидать область ускорения в каждом цикле. Это объяснение тому, что число частиц маленьких энергий гораздо больше, чем больших, отсюда и возникает степенное распределение по энергии как.
На рисунке изображен вырезанный конус ударной волны, из которой как космические пули вылетают космические лучи. Однако частицы при очень высоких энергиях уже с трудом разворачиваются магнитным полем, и когда радиус траектории разворота заряженной частицы под действием определенного магнитного поля становится сравнимым с радиусом ударной волны, частицы окончательно покидают ее и перестают ускоряться. Это является естественной границей ускорения. В последние годы была предложена идея, что космические лучи, колеблющиеся около фронта ударной волны, как поток заряженных частиц, сами могут генерировать дополнительные магнитные поля, в десятки и сотни раз превышающие среднее магнитное поле в среде. И такие поля на кромке расширяющихся оболочек сверхновых действительно наблюдаются астрономами. Благодаря этому эффекту частицы могут удерживаться около фронта ударной волны, даже обладая энергией 1015 эВ, т.е. достигнув энергии, близкой к области колена в спектре ГКЛ. Вопрос ускорения ГКЛ до более высоких энергий остается открытым и вызывает острые дискуссии.
Авторы иллюстрации механизма ускорения КЛ, сотрудники Центра космических полетов им. Годдарда (НАСА) назвали вылетающие частицы «космическими пулями» вылетающими во все стороны от ударной волны SN.
Откуда берутся тяжелые элементы в КЛ.
Как известно, космическая среда состоит в основном из протонов, примесь тяжелых элементов во Вселенной чрезвычайно мала. Доля, приходящаяся на тяжелые элементы, составляет только 0.01-0.5 % на периферии Галактики. В тонком диске Галактики, где сосредоточены Сверхновые, и идет процесс звездообразования, она составляет не более ~2-3%. А в космических лучах это соотношение значительно больше, число ядер сравнимо с числом протонов при фиксированной энергии на частицу. Обычно распространенность (представленность) химических элементов в КЛ сравнивают с представленностью их в Солнечной системе. Такое сравнение приведено на рисунке ниже.
Откуда вообще берутся тяжелые элементы? За исключением легких элементов 1,2H, 3,4He, 7Li, образовавшихся при образовании Вселенной в Большом взрыве, все элементы во Вселенной вплоть до железа образуются в процессах эволюции звезд при горении и слиянии легких элементов. В ходе эволюции звезды на всех ее этапах непрерывно идет процесс нуклеосинтеза (легкие ядра сливаются в более тяжелые в ходе термоядерных реакций внутри звезд с выделением энергии, обеспечивающей светимость звезды). За счет гравитационных сил плазма во внутренних областях звезд имеет огромную температуру, вполне достаточную для синтеза тяжелых элементов.
Представленность ядер с различными зарядами в космических лучах относительно представленности их в солнечной системе. Интенсивность ядер приведена к 1 для кремния на левом рисунке и к 106 для ядер железа на правом рисунке.
В конце своей эволюции звезда с массой более 8 масс Солнца похожа на луковицу, (как изображено на рисунке), в которой присутствуют много тяжелых элементов вплоть до ядер железа. Энергия, выделяемая в процессе нуклеосинтеза, уже не может противостоять силам сжатия, звезда коллапсирует, образовавшиеся элементы выбрасываются в окружающую среду и рассеиваются в ней. Так что можно быть уверенным, что все ядра тяжелее углерода, которые есть на Земле, прошли через термоядерную топку какой-нибудь звезды, потом были выброшены в пространство, а уж затем из межзвездного газа при гравитационном сжатии образовалась наша звезда Солнце и планеты. Таким образом, происходит постоянный круговорот газ-звезды-газ, при котором окружающая межзвездная среда «тяжелеет» со временем, и стягивается к диску Галактики под действием силы гравитации.
Химическая структура сверхгиганта перед взрывом сверхновой II типа.
Образование тяжелых элементов с зарядом ядра выше Z=26 (железо) происходит в еще более экзотических топках, чем термоядерные. Согласно современным представлениям, они могут образовываться в результате нейтронного захвата, который возможен только при больших плотностях нейтронов и в условиях очень высокой температуры. Такие условия достигаются только в момент взрыва сверхновой второго типа (это сверхновая, в результате взрыва которой образуется нейтронная звезда) или слияния двух нейтронных звезд, когда в выбросе сосредоточено большое количество нейтронов при высокой температуре.
Однако не все элементы могут быть рождены в ходе нуклеосинтеза с равной вероятностью. По законам ядерной физики вероятность образования таких элементов как Li, Be, B, Sc, Ti, V, Cr, Mn в термоядерных реакциях мала. Эти элементы образуются, главным образом, в процессах ядерных реакций более тяжелых ядер с ядрами межзвездной среды, т.е. являются фрагментами более тяжелых ядер, поэтому их принято называть вторичными ядрами. В составе ГКЛ, как это видно на рисунке, таких ядер оказывается на несколько порядков больше, чем в средней межзвездной среде. Как будет показано ниже, изучение доли вторичных ядер является мощным инструментом изучения процессов распространения ГКЛ в Галактике.
Во время взрыва разлетающаяся оболочка сжимает окружающий звезду газ, и некоторая доля частиц этого газа вовлекается в процесс ускорения. Поэтому считается, что состав КЛ в источниках повторяет состав средней межзвездной среды. На самом деле в КЛ доля протонов и гелия гораздо меньше, чем в средней межзвездной среде. Одно из объяснений этому факту – окружающая сверхновую среда перед взрывом уже обогащена тяжелыми элементами за счет так называемого звездного ветра, который представляет собой относительно медленное стекание оболочки массивной звезды в окружающее пространство. Кроме того, на начальном этапе в процесс ускорения очень эффективно могут вовлекаться космические пылинки, в которых сосредоточена большая часть тяжелых тугоплавких элементов. Однако, когда пылинки достигают высоких энергий, они разваливаются, но в результате такого процесса доля тяжелых элементов возрастает по сравнению с легкими, поэтому их в ГКЛ значительно больше, чем в среде. Изучая представленность различных химических элементов в ГКЛ можно подтвердить или опровергнуть эту гипотезу.
Ну, а если ускорение происходит в магнитосферах пульсаров, то инжектируемые с поверхности пульсара частицы вообще могут по составу радикально отличаться от средней межзвездной среды, например, в некоторых работах предполагается, что это могут быть ядра гелия или даже только ядра железа. Поэтому изучение химического состава космического излучения в разных энергетических интервалах может дать серьезные указания на место, где ускоряются ГКЛ.