Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Космические дожди: опасноли это для человека

06.01.2011 Наука и жизнь

Ближе к космосу Установленный в 2011 году на МКС детектор AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) для изучения космических лучей за 14 месяцев работы зарегистрировал 18 млрд частиц. Это больше, чем число частиц, найденных всеми наземными детекторами за сто лет
Серфинг на сверхновых Заряженные частицы космических лучей разгоняются до огромных энергий, перескакивая из ударной волны взрыва сверхновой в еще несжатое вещество меж-звездного газа, подобно тому, как серфер ускоряется, скатываясь с гребня волны

При столкновениях с атомами газов в составе воздуха космические частицы запускают ветвящиеся цепочки ядерных реакций, каковые создают множество вторичных продуктов. Влетевший в воздух протон с энергией в сотни и десятки ТэВ, дает начало вторым высокоэнергетичным частицам, каковые рассеиваются на окружающих атомах и вызывают к судьбе следующие поколения частиц.

В следствии в воздушном бассейне происходит каскадное рождение частиц, многие из которых выясняются нестабильными и скоро распадаются.Космические дожди: опасноли это для человека Так появляются многочастичные атмосферные ливни, каковые в первый раз замечал Дмитрий Скобельцын в начале прошлого века.

От капли к ливням

общее выпадения количество и Площадь ливня его «капель» быстро возрастают по мере роста энергии первичной частицы. Протон с энергией порядка 1015 эВ рождает около миллиона вторичных частиц, 1016 эВ — до десяти миллионов, 1020 эВ — пара миллиардов. Каскадные процессы для того чтобы масштаба, названные широкими атмосферными ливнями, в первый раз замечал во второй половине 30-ых годов XX века французский физик Пьер Оже.

Его имя носит действующая с 2005 года большая интернациональная обсерватория космических лучей, расположенная в западной части Аргентины.

Регистрация широких ливней — дело нелегкое. На квадратный километр верхней границы воздуха в среднем каждый год падает одна частица с энергией 1019 эВ, тогда как частица с энергией 1020 эВ пересекает такую же площадь значительно менее, чем раз в столетие. Исходя из этого для детектирования ливней, порожденных такими частицами, строят установки великанских размеров.

Так, основной комплекс Обсерватории имени Пьера Оже складывается из 1600 цистерн со датчиками и сверхчистой водой черенковского излучения, разбросанных на площади 3000 км?.

За формирование ливня отвечают процессы двух типов — адронные и электромагнитные. Первичный протон сталкивается с ядром атома и разбивает его на осколки. В случае если его энергия не превышает нескольких сотен МэВ, этим все и кончается, но протоны с энергиями в сотни и десятки ГэВ вызывают уже куда более важные последствия. По окончании первого столкновения таковой протон продолжает перемещение с меньшей энергией (около трети начальной).

Входе данной встречи, в большинстве случаев, рождаются заряженные и нейтральные пионы, но смогут появляться и более массивные частицы. Заряженный пион или сталкивается с ядром другого атома и дает начало новым ядерным процессам, или не успевает этого сделать и распадается на мюон того же символа и мюонное нейтрино (имеется и второй канал распада, но его возможность мала).

Мюон, чье огромное по меркам элементарных частиц время судьбы измеряется парой микросекунд, движется практически со скоростью света и весьма слабо взаимодействует с ядрами атома, мало теряя энергию лишь при проходе через их электронные оболочки. Исходя из этого он имеет хорошие шансы дойти до земной поверхности а также пробраться глубоко под почву.

В итоге мюоны также распадаются, причем практически в любое время на электрон или позитрон (в зависимости от их символа) и несколько нейтрино, мюонное и электронное. Нейтральный пион, что живет приблизительно в сто миллионов раз меньше заряженного, вероятнее, ни с чем не столкнется и превратится в воздухе в несколько фотонов гамма-излучения. Они рассеиваются на атомах и создают электронно-позитронные пары, причем позитроны скоро аннигилируют, давая начало новым гамма-квантам.

Так запускается электромагнитный ливневый каскад, приводящий к рождению мягкой компоненты космического излучения. В один момент первичный протон, пускай и давший часть энергии, и не успевшие распасться пионы и другие нестабильные частицы сталкиваютсяс ядрами атома, давая начало все новым очень сильно взаимодействующим частицам адронного каскада. На протяжении всех этих превращений появляются не только пионы, но и другие адроны, такие как гипероны и каоны.

Воздух под обстрелом

Космические лучи в полной мере реально воздействуют на земную воздух. В случае если протоны попавшиеся им ядра, то их более массивные партнеры смогут и сами дробиться на части (к примеру, прилетевшее из космоса ядро магния может расколоться на шесть альфа-частиц). Две такие реакции заслуживают особого упоминания.

В числе вторичных продуктов космические лучи порождают нейтроны, часть их так замедляется при столкновениях с атомами воздуха, что сливается с ядрами атмосферного азота. Таким методом на 15-километровой высоте появляются ядра нестабильного изотопа углерода 14С с периодом полураспада 5730 лет. Соединяясь с кислородом, он образует радиоактивный углекислый газ 14СО2, что наравне с простой углекислотой поглощается растениями и участвует в процессах фотосинтеза.

Это событие лежит в базе способа радиоуглеродной датировки, что обширно используют в археологии и палеонтологии. Посредством углерода -14 и куда более долгоживущего радиоактивного изотопа бериллия 10Be космического происхождения возможно кроме того восстанавливать историю колебаний интенсивности самих космических лучей на глубину до 200 000 лет (это направление изучений именуется экспериментальной палеоастрономией).

Атмосферные ливни смогут инициировать и ультрарелятивистские электроны, приходящие из космоса. Но они выпадают нечасто, потому, что плотность таких электронов мала. В космосе они появляются в изобилии, но скоро тормозятся, рассеиваясь на фотонах и излучая электромагнитные волны при прохождении через магнитные поля.

Исходя из этого электроны с энергиями порядка 1000 ГэВ приходят к Почва лишь от достаточно родных источников, расстояния до которых не превышают 3000 световых лет. Космические протоны высоких энергий покрывают неизмеримо громадные расстояния.

Плотность энергии первичных космических лучей в окрестности Солнца приблизительно равна 1 эВ/см3. Энергетическая подпитка, которую они снабжают отечественной планете, очень стабильна и приблизительно равна 100 МВт. Эта величина в два миллиарда раз меньше энергии солнечных лучей, но сравнима с энергией падающего на Землю звездного света.

Действительно, космические лучи, в отличие от звезд, не воодушевляют поэтов — они невидимы.

Тайна происхождения

Родословная практически всех космических частиц установлена в полной мере надежно. В первой половине 30-ых годов XX века американские астрологи Фриц Цвикки и Вальтер Бааде высказали предположение, что их источником смогут быть взрывы сверхновых звезд. В 1950-е годы эта догадка очень сильно укрепилась и с того времени считается общепринятой.

Однако она сходу встречает очевидное возражение. Конечно вычислять, что львиная часть космических лучей рождается в отечественной Галактике. Но звезды, включая сверхновые, концентрируются в экваториальной плоскости Млечного Пути (правильнее, в лежащих в том месте спиральных рукавах), тогда как лучи приходят на Землю со всех направлений.

Дело в том, что протоны и другие заряженные частицы движутся в пространстве отнюдь не прямолинейно. Их пути многократно искривляются галактическим столкновениями и магнитным полем с молекулами и атомами, рассеянными в межзвездном пространстве. Обстановка осложняется тем, что частицы космических лучей создают личные магнитные поля, каковые накладываются на неспециализированное поле Галактики и деформируют его структуру.

Так что перемещение частиц от источников к Почва весьма запутано, и для его моделирования в последние десятилетия созданы сверхсложные компьютерные коды.

Хватит ли у сверхновых энергии для производства космических лучей? Как уже говорилось, плотность их энергии вблизи Солнца равна 1 эВ/см3; средняя плотность по всему галактическому диску возможно больше, но вероятнее не превышает 2 эВ/см3. Потому, что количество диска равен 1067 см³, полная большая энергия космических лучей равна 2х1067 эВ, либо 6х1055 эрг.

Среднее время судьбы странствующих частиц космического излучения в отечественной Галактике оценивается в 15 млн лет, либо 5,4х1014с. Частное от деления этих размеров, равное 6х1040 эрг/с, равняется средней энергии, которая за одну секунду тратится на поддержание стабильной плотности космических излучений. Иначе, сверхновые взрываются в отечественной Галактике не реже, чем раз в 50 лет, либо 1,5х109с, и любой взрыв выбрасывает частицы со средней суммарной энергией 1050 эрг.

Так что ежесекундное генерирование энергии образовывает как минимум 6х1040 эрг — столько, сколько и требуется. Как ни приблизительна эта прикидка, она трудится на догадку Цвикки и Бааде.

Энергия космических протонов, каковые долетают до окрестностей отечественной планеты, варьирует от 108 до 1020 эВ. Как полагают, практически все они, не считая очень редких частиц у верхней границы этого промежутка, разгоняются ударными волнами, каковые сопутствуют взрывам внутригалактических сверхновых. Таковой взрыв выбрасывает в пространство вещество внешней оболочки гибнущей звезды со скоростями до десяти процентов скорости света.

Это намного больше скорости звука в межзвездной среде, что и ведет к происхождению ударных волн. Наряду с этим рождаются хаотические магнитные поля, каковые вынуждают протоны многократно перескакивать между фронтами ударных волн и еще не подвергшимся сжатию веществом меж-звездной среды. На каждом перескоке протон увеличивает кинетическую энергию за счет энергии ударной волны.

Протоны, каковые претерпевают предельное количество переходов, набирают самую высокую энергию, но численно остаются в меньшинстве. В следствии взрыв сверхновой в изобилии выбрасывает в космос ядра водорода с энергией до 1012 эВ, но в куда меньших количествах генерирует частицы с громадными энергиями. «Данный механизм прекрасно растолковывает ускорение составных ядер и протонов до энергии порядка 1016 эВ, — говорит астрофизики и профессор астрономии Университета Чикаго Анжела Олинто. — Нельзя исключать, что взрывы самых массивных коллапсирующих звезд разгоняют протоны кроме того до 1018 эВ. Вероятные источники протонов с громадными энергиями в пределах Млечного Пути пока не отысканы, так что они наверняка приходят из вторых галактик».

Взрывы сверхновых порождают и сверхбыстрые электроны с позитронами. Но эти частицы легко тормозятся и рассеиваются в межзвездной среде и в основном не успевают дойти до Почвы (а позитроны еще и аннигилируют). Исходя из этого их часть в первичных космических лучах мелка, да и энергии не через чур громадны.

Лучи-рекордсмены

Полвека назад американские физики зарегистрировали широкий космический ливневой дождь, порожденный частицей с энергией 100 ЭэВ (эксаэлектронвольт). С того времени наблюдались только десятки событий таких масштабов. Все еще неперекрытый рекорд был установлен 15 октября 1991 года, в то время, когда детектор Fly s Eye в американском штате Юта нашёл ливневую подпись частицы с энергией 320 ЭэВ, либо 51 Дж (такую кинетическую энергию имеет теннисный мяч, летящий со скоростью 160 км/ч).

на данный момент эти частицы изучают лишь в трех местах — это Обсерватория имени Оже, трудящийся с 2007 года комплекс Telescope Array в штате Юта и русский установка ШАЛ в поселке Октемцы к югу от Якутска (единственная из трех с мюонными детекторами). Происхождение этих частиц до тех пор пока неизвестно; нет кроме того полной уверенности, что все они являются протонами, альфа-частицами либо ядрами металлов. По самой распространенной версии, они рождаются в активных ядрах галактик.

Но существуют и другие объяснения, каковые их связывают с гамма-всплесками, аккреционными процессами вблизи очень сильно намагниченных нейтронных звезд, слиянием черных дыр а также распадом гипотетических массивных частиц чёрной материи либо дезинтеграцией еще более гипотетических топологических недостатков пространства, унаследованных от эры Громадного взрыва.

Но как бы ни появлялись протоны с энергиями в много ЭэВ, их источники находятся не так уж на большом растоянии от отечественной Галактики — по крайней мере, не на космологических расстояниях. Путешествуя в космосе, они взаимодействуют с квантами микроволнового реликтового излучения, плотность которых равна приблизительно 400 фотонов на 1 см³. Эти столкновения приводят к рождению пионов, как положительно заряженных, так и нейтральных.

Заряженный пион появляется совместно с нейтроном, по окончании чего обе частицы распадаются — первая весьма скоро, вторая через 60 секунд. Нейтральный пион, что распадается еще стремительнее, появляется вместе с протоном, чья энергия заметно уступает энергии родительской частицы (это же относится к протонам, появившимся в следствии нейтронного распада). В итоге на расстояниях более чем 50 мегапарсек от источника (160 млн световых лет) не остается протонов с энергиями более 50 ЭэВ.

Данный эффект в середине 1960-х годов предсказали доктор наук Корнеллского университета Кеннет Грейзен и тогдашние сотрудники ФИАН Георгий Вадим и Зацепин Кузьмин.

Пойти по следу

Ультрарелятивистские барионы весьма слабо отклоняются межгалактическими магнитными полями, так что их траектории примерно показывают направление на источник. Астрологи пробуют выйти таким методом на сами источники, но, по словам доктора наук Олинто, без особенных удач. Дабы уменьшить ответ данной задачи, нужно регистрировать побольше частиц очень высоких энергий.

На это нацелен интернациональный проект JEM-EUSO (Japanese Experiment Module — Extreme Universe Space Observatory), что предполагает установку в 2016 году в японском модуле Интернациональной космической станции неповторимого широкоугольного телескопа. Данный аппарат будет отслеживать ультрафиолетовые фотоны, каковые появляются в атмосферных ливнях, порожденных частицами с энергиями в сотни и десятки ЭэВ. Потому, что орбитальный телескоп будет иметь более большой угол обзора, нежели наземные установки, он сможет отлавливать намного больше частиц.

В подготовке проекта JEM-EUSO уже пара лет принимают российские учёные и участие. «В рамках данной программы мы сконструировали устройства для научных мини-спутников «Татьяна-1» и «Татьяна-2», а на будущий год сохраняем надежду запустить куда более тяжелый спутник «Ломоносов», — говорит директор НИИ ядерной физики имени Скобельцына при МГУ Михаил Панасюк. — Одна из целей этих запусков пребывает в отработке способов выделения ультрафиолетовых вспышек от космических лучей на неспециализированном фоне ультрафиолетового свечения воздуха. Это весьма сложная задача, и информация со спутников окажет помощь ее решить.

Мы кроме этого занимаемся моделированием атмосферных процессов, имеющих отношение к работе телескопа, и его механическими совокупностями: телескоп будет доставлен на орбиту в сложенном виде, по окончании чего его приведут в рабочее состояние. К сожалению, пока что будущее этого опыта не ясна, потому, что в сентябре прошлого года NASA отказалось участвовать в проекте. Вследствие этого в Японии пока не принято решение о запуске телескопа, не смотря на то, что данный опыт деятельно поддерживается и субсидируется Космическим агентством ЕС».

На пути к новой физике

Сейчас космические лучи снова вошли в сферу заинтересованностей фундаментальной физики. «Частиц низких энергий, не превышающих 1012эВ, довольно много, их легко регистрируют устройства наземного, воздушного и космического базирования. Этим занимается и детекторный комплекс PAMELA, установленный на русском спутнике «Ресурс-ДК1», запущенном в июне 2006 года, — растолковывает «Популярной механике» ведущий научный сотрудник Университета ядерной физики РАН Сергей Троицкий. — Устройства зафиксировали избыток позитронов определенных энергий, что достаточно тяжело растолковать.

Имеется подозрения, что «лишние» позитроны появляются при аннигиляции еще не открытых частиц чёрной материи. В случае если эти подозрения подтвердятся, покажутся шансы извлекать данные о ее особенностях из наблюдений космических излучений.

Вторая возможность пребывает в применении самых энергичных космических частиц в качестве собственного рода дополнения к женевскому Громадному адронному коллайдеру. Последствия столкновений этих частиц с атомами воздуха зависят от их энергии в совокупности отсчета, привязанной к центру весов пары «атом-частица». Она куда меньше их энергий порядка много ЭэВ в лабораторной совокупности отсчета, но все же в десятки раза больше соответствующей энергии, достижимой в опытах на БАК.

В случае если подробно зарегистрировать различные компоненты широкого ливня, возможно получить данные о процессах, конкретно следующих за первым столкновением «родительской» частицы.

Имеется и более экзотическая линия поиска. Кое-какие эти показывают на то, что 2−3 процентов частиц с энергиями порядка 10 ЭэВ прилетают от лацертид, замечательных источников

электромагнитного излучения в ядрах некоторых галактик. Вблизи от Млечного Пути их попросту нет, они удалены от нас как минимум на полтораста мегапарсек. Но дело в том, что ни одна из известных нейтральных частиц пролететь такое расстояние неимеетвозможности.

атомные ядра и Протоны на это способны, но они отклонялись бы в межгалактических магнитных полях на куда громадные углы от направлений на предполагаемые лацертиды-источники, чем показывают наблюдения. Вот и появляется вопрос: нет ли тут какой-нибудь новой физики?»

Состав «дождей»

Радиационные ливни По данным NASA, космические лучи на 98 процентов складываются из альфа (частиц и барионов-протонов — ядер гелия). При столкновении с ядрами атомов газов в воздухе они порождают множество осколков и заряженных и нейтральных частиц, каковые со своей стороны сталкиваются с ядрами атомов, распадаются и приводят «к космическому ливню»

Согласно данным, опубликованным NASA в 2010 году, потоки космических заряженных частиц на 98 процентов складываются из барионов и лишь на 2 процентов из позитронов и (стабильных лептонов электронов). Барионная компонента, со своей стороны, содержит протоны (87 процентов), альфа-частицы (12 процентов) и ядра элементов тяжелее гелия, каковые астрологи именуют металлами (1 процентов). Среди них первое место занимают углерод, кислород и азот, за которыми следуют литий, бор и бериллий.

На эту шестерку приходится около 90 процентов космических «металлов», так что на долю всех других остается очень мало. Приблизительно четыре пятых оставшихся частиц представлены элементами с ядерными номерами от 9 до 25, лежащими в таблице Менделеева между железом и кислородом. Практически целый остаток захватило железо, к которому примыкают кобальт и никель.

Суммарная пропорция элементов тяжелее кобальта измеряется стотысячными долями процента. Но они все же видятся — так, в первичных космических лучах найдены ядра золота, ртути, платины, свинца а также урана. Иначе, в том месте отсутствуют радиоактивные элементы с маленьким временем судьбы.

Мюонная метрофизика

Космические лучи изучаются посредством детекторов, установленных в наземных и подземных обсерваториях, на самолетах, воздушных шарах и космических аппаратах. Одна такая обсерватория 10 лет действовала в законсервированных бомбоубежищах на станциях столичного метро «Кропоткинская» и «Парк Культуры».

Как поведала «ПМ» доктор наук-консультант физического факультета московского университета Ирина Ракобольская, в том месте во второй половине шестидесятых годов прошлого века были смонтированы 144 многослойные камеры, каковые регистрировали мюоны, порожденные первичными нуклонами с энергией впредь до 1015−1016 эВ. Мюоны оставляли следы на стопках страниц двусторонней рентгеновской пленки неспециализированной площадью 4000 м?, прослоенных свинцовыми пластинами. Столичные физики взяли занимательные результаты, каковые разрешили исправить неточности, допущенные их американскими сотрудниками.

Статья «Космические дожди» размещена в издании «Популярная механика» (№119, сентябрь 2012).

Случайные записи:

УЖАСЫ ОТКРЫТОГО КОСМОСА


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , , ,