Что такое космические лучи?
Всем привет, уважаемые любители космоса!
В этом посте я бы хотел рассказать вам что такое космические лучи и откуда они берутся.
Космические лучи — это фрагменты атомов, которые падают на Землю дождем из-за пределов Солнечной системы.
Они летят со скоростью света, и их обвиняют в проблемах с электроникой спутников и других механизмов.
Обнаруженные в 1912 году, многие вещи о космических лучах остаются загадкой более века спустя.
Одним из ярких примеров является именно то, откуда они берутся.
Большинство ученых подозревают, что их происхождение связано со сверхновыми (звездными взрывами), но проблема заключается в том, что в течение многих лет происхождение космических лучей казалось одинаковым для обсерваторий, изучающих все небо.
Большой скачок вперед в науке о космических лучах произошел в 2017 году, когда обсерватория Пьера Оже (Pierre Auger), которая раскинулась на 3000 квадратных километров или 1160 квадратных миль на западе Аргентины, изучила траектории прибытия 30 000 космических частиц.
Он пришел к выводу, что существует разница в том, как часто приходят эти космические лучи, в зависимости от того, куда вы смотрите.
По словам исследователей, хотя их происхождение все еще туманно, знание того, где искать, является первым шагом в изучении того, откуда они взялись.
Ливни частиц высокой энергии возникают, когда энергетические космические лучи достигают верхней части земной атмосферы. Большинство космических лучей представляют собой ядра атомов: большинство из них — ядра водорода, некоторые — ядра гелия, а остальные — более тяжелых элементов. Хотя многие космические лучи с низкой энергией исходят от нашего Солнца, происхождение космических лучей с самой высокой энергией остается неизвестным и предметом многих исследований. На этом рисунке показаны воздушные ливни от космических лучей очень высокой энергии.
Космические лучи можно использовать даже для приложений вне астрономии.
В ноябре 2017 года исследовательская группа обнаружила возможную пустоту в Великой пирамиде в Гизе, которая была построена около 2560 года до нашей эры, с помощью космических лучей.
Исследователи обнаружили эту полость с помощью мюонной томографии, которая исследует космические лучи и их проникновение через твердые объекты.
История
Хотя космические лучи были обнаружены только в 1900-х годах, ученые знали, что происходит что-то таинственное еще в 1780-х годах.
Именно тогда французский физик Шарль-Огюстен де Кулон (Charles-Augustin de Coulomb), наиболее известный тем, что в его честь была названа единица измерения электрического заряда, внезапно и таинственным образом обнаружил электрически заряженную сферу, которая больше не была заряжена.
В то время воздух считался изолятором, а не электрическим проводником.
Однако после дополнительной работы ученые обнаружили, что воздух может проводить электричество, если его молекулы заряжены или ионизированы.
Чаще всего это происходит, когда молекулы взаимодействуют с заряженными частицами или рентгеновскими лучами.
Но откуда взялись эти заряженные частицы, оставалось загадкой — даже попытки заблокировать заряд большим количеством свинца заканчивались ничем.
7 августа 1912 года физик Виктор Гесс (Victor Hess) поднял высотный воздушный шар на высоту 17 400 футов (5 300 метров).
Он обнаружил там в три раза больше ионизирующего излучения, чем на земле, а это означало, что излучение должно было исходить из космоса.
Но на отслеживание «историй происхождения» космических лучей ушло более века.
В 2013 году космический гамма-телескоп Ферми НАСА опубликовал результаты наблюдения двух остатков сверхновых в Млечном Пути: «IC 433» и «W44».
Среди продуктов этих звездных взрывов есть фотоны гамма-излучения, на которые (в отличие от космических лучей) не действуют магнитные поля.
Изученные гамма-лучи имели ту же энергетическую сигнатуру, что и субатомные частицы, называемые нейтральными пионами.
Пионы образуются, когда протоны застревают в магнитном поле внутри ударной волны сверхновой и сталкиваются друг с другом.
Другими словами, совпадающие энергетические сигнатуры показали, что протоны могут двигаться с достаточно высокими скоростями внутри сверхновых, чтобы создавать космические лучи.
Текущая наука
Сегодня мы знаем, что галактические космические лучи представляют собой фрагменты атомов, такие как протоны (положительно заряженные частицы), электроны (отрицательно заряженные частицы) и атомные ядра.
Хотя теперь мы знаем, что они могут быть созданы в сверхновых, могут быть и другие источники для создания космических лучей.
Также неясно, как именно сверхновые звезды могут создавать эти космические лучи с такой скоростью.
Космические лучи постоянно падают на Землю дождем, и в то время как высокоэнергетические «первичные» лучи сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы Земли и редко доходят до земли.
«Вторичные» частицы выбрасываются при этом столкновении и достигают нас на земле.
Но к тому времени, когда эти космические лучи достигают Земли, невозможно проследить, откуда они пришли.
Это потому, что их путь изменился, поскольку они путешествовали через несколько магнитных полей (галактики, Солнечной системы и самой Земли).
Ученые пытаются проследить происхождение космических лучей, изучая, из чего они состоят.
Также ученые могут выяснить это, глядя на спектроскопическую сигнатуру, испускаемую каждым ядром в излучении, а еще взвешивая различные изотопы (типы) элементов, которые попадают в детекторы космических лучей.
Результат, добавляет НАСА, показывает очень распространенные элементы во Вселенной.
Примерно 90 процентов ядер космических лучей составляют водород (протоны) и 9 процентов — гелий (альфа-частицы).
Водород и гелий являются наиболее распространенными элементами во Вселенной и источником образования звезд, галактик и других крупных структур.
Оставшийся 1 процент — это все элементы, и именно из этого 1 процента ученые могут лучше всего искать редкие элементы, чтобы проводить сравнения между различными типами космических лучей.
Сотрудничество обсерватории Пьера Оже обнаружило некоторые вариации в траекториях прихода космических лучей в 2017 году, что дало некоторые намеки на то, откуда эти лучи могли возникнуть.
Ученые также могут датировать космические лучи, глядя на радиоактивные ядра, которые со временем уменьшаются.
Измерение периода полураспада каждого ядра дает оценку того, как долго космические лучи находятся в космосе.
В 2016 году космический корабль НАСА обнаружил, что большинство космических лучей, вероятно, исходит от (относительно) близких скоплений массивных звезд.
Космический корабль «Advanced Composition Explorer» (ACE) агентства обнаружил космические лучи с радиоактивной формой железа, известной как iron-60 (железо-60).
Поскольку эта форма космических лучей со временем деградирует, по оценкам ученых, она должна была возникнуть на расстоянии не более 3000 световых лет от Земли — расстояние, эквивалентное ширине местного спирального рукава Млечного Пути.
Эксперимент под названием ISS-CREAM (Cosmic Ray Energetics and Mass) был запущен на Международной космической станции в 2017 году.
Ожидается, что он будет работать в течение трех лет, отвечая на такие вопросы, как, генерируют ли сверхновые звезды большинство частиц космических лучей, когда возникли частицы космических лучей и можно ли объяснить все наблюдаемые энергетические спектры космических лучей с помощью единого механизма.
На МКС также находится «CALorimetric Electron Telescope» (CALET), который занимается поиском типов космических лучей с самой высокой энергией.
CALET был запущен там в 2015 году.
Космические лучи также можно обнаружить с помощью воздушного шара, например, с помощью эксперимента «Super Trans-Iron Galactic Element Recorder» (SuperTIGER), в котором участвуют Лаборатория реактивного движения НАСА и несколько университетов.
Он совершал полеты несколько раз, в том числе рекордный 55-дневный полет над Антарктидой в период с декабря 2012 г. по январь 2013 г.
«С данными этого полета мы изучаем происхождение космических лучей. В частности, тестируем новую модель происхождения космических лучей в OB-ассоциации, а также модели для определения того, какие частицы будут ускорены», — говорится на сайте SuperTIGER.
Гражданские ученые также могут участвовать в поиске космических лучей, зарегистрировавшись на сайте crayfis.io.
Там они присоединятся к эксперименту «CRAYFIS», проводимому Лабораторией методов анализа больших данных (LAMBDA) НИУ ВШЭ в России.
Исследователи изучают космические лучи сверхвысоких энергий с помощью мобильных телефонов.
Опасения по поводу космического излучения
Магнитное поле и атмосфера Земли защищают планету от 99,9% излучения из космоса.
Однако для людей, находящихся вне защиты магнитного поля Земли, серьезной опасностью становится космическое излучение.
Прибор на борту марсохода «Curiosity» во время его 253-дневного полета к Марсу показал, что доза радиации, полученная астронавтом даже в самом коротком полете от Земли до Марса туда и обратно, составит около 0,66 зиверта.
Это количество равносильно тому, чтобы проходить компьютерную томографию всего тела каждые пять или шесть дней.
Доза в 1 зиверт связана с 5,5-процентным увеличением риска смертельного рака.
Нормальная суточная доза радиации, получаемая среднестатистическим человеком, живущим на Земле, составляет 10 микрозивертов (0,00001 зиверта).
У Луны нет атмосферы и очень слабое магнитное поле.
Астронавты, живущие там, должны были бы обеспечить свою собственную защиту, например, похоронив свою среду обитания под землей.
Марс не имеет глобального магнитного поля.
Солнечные частицы уничтожили большую часть атмосферы Марса, что привело к очень плохой защите от радиации на поверхности.
Самое высокое давление воздуха на Марсе равно высоте 22 мили (35 километров) над поверхностью Земли.
На малых высотах атмосфера Марса обеспечивает несколько лучшую защиту от космической радиации.
В 2017 году НАСА провело некоторые модернизации своей Лаборатории космических излучений, расположенной в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, чтобы провести дополнительные исследования того, как космические лучи могут влиять на астронавтов во время длительных путешествий, в том числе на Марс.
Эти обновления позволяют исследователям легче изменять типы ионов и интенсивность энергии благодаря программному управлению.
Пристальный взгляд на космические лучи
Что-то в космосе посылает чрезвычайно энергичные частицы.
Помимо этого, наши знания о составе, происхождении, назначении и потенциале этих частиц — космических лучей — в лучшем случае неполны.
Хотя в настоящее время мы мало знаем о них, мы знаем, что их лучшее понимание может привести к более глубокому пониманию и познанию остальной Вселенной.
Что такое космические лучи?
Короче говоря, космические лучи — это быстро движущиеся частицы из космоса, которые сталкиваются с нашей планетой со всех сторон.
Эти частицы, большинство из которых являются протонами или ядрами более тяжелых атомов, движутся почти со скоростью света и поэтому обладают очень высокой энергией.
Фактически, космические лучи с самой высокой энергией имеют в десять миллионов раз больше энергии, чем частицы, произведенные любым ускорителем здесь, на Земле.
Откуда они?
Мы знаем, что низкоэнергетические частицы космических лучей, падающие на Землю, исходят из нашей собственной галактики Млечный Путь.
Они могут возникать в результате вспышек сверхновых, отметивших смерть многих звезд.
Эти взрывы могут генерировать огромные быстро движущиеся магнитные поля, которые, в свою очередь, могут ускорять заряженные частицы — космические лучи могут получать энергию, когда они взаимодействуют с этими интенсивными, флуктуирующими магнитными полями.
Иногда частицы могут застрять между двумя отражателями и отскакивать туда-сюда с высокой скоростью, приобретая все больше энергии.
Эта модель «магнитного ударного ускорения» была впервые предложена Энрико Ферми (Enrico Fermi) для объяснения ускорения большинства космических лучей.
Однако эти толчки недостаточно сильны, чтобы объяснить присутствие космических лучей самых высоких энергий.
Мы все еще ищем происхождение этих лучей, которые могут лежать за пределами Млечного Пути.
Как можно обнаружить лучи?
Непосредственное наблюдение космических лучей возможно только над земной атмосферой.
А космические лучи высоких энергий настолько редки, что было бы невозможно иметь достаточно большой детектор, чтобы захватить значительное количество этих лучей для изучения.
Единственный реальный способ наблюдать космические лучи на поверхности земли — это запечатлеть «воздушные ливни», падающие на землю.
Эти ливни образуются, когда космические лучи сталкиваются с молекулами воздуха в атмосфере и создают вторичные частицы.
Эти частицы обычно падают на землю на большой площади, обычно на многих квадратных километрах.
Это объясняет, почему площадь детектора обсерватории Пьера Оже примерно в 30 раз превышает размер Парижа.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
