Космические лучи: частицы из космоса

07.07.2024
0
15 мин
50
Космические лучи: частицы из космоса

Здравствуйте, мои уважаемые друзья!

Космические лучи — это частицы из внешнего космоса, которые путешествуют по вселенной.

Они могут быть созданы солнцем, другими взрывающимися звездами и даже черными дырами.

Лучи движутся очень быстро, почти со скоростью света, но когда они попадают на Землю, они, как правило, блокируются нашей атмосферой и становятся безвредными для людей.

Ученые увлечены космическими лучами, поскольку они могут рассказать нам о космосе — откуда они взялись и с чем столкнулись на своем пути, а также о строении галактики и Вселенной.

Название «космические лучи» появилось в 1925 году, когда лауреат Нобелевской премии и бывший преподаватель Чикагского университета Роберт Милликен (Robert Millikan) ввел этот термин в своей статье.

Что такое космические лучи?

Космические лучи на самом деле являются частицами из космоса, которые путешествуют по вселенной.

Они начинались как атомы, которые лишились внешних слоев и теперь являются просто ядрами.

Они движутся чрезвычайно быстро — почти со скоростью света.

Триллионы и триллионы космических лучей попадают на Землю каждый день.

Подавляющее большинство из них блокируется атмосферой и магнитным полем Земли, но иногда они сталкиваются с частицами в атмосфере и создают поток вторичных частиц, которые достигают Земли.

Большая часть космических лучей, которые мы получаем здесь, на Земле, исходит от Солнца, но мы также улавливаем частицы, которые, как мы думаем, исходят из других галактик.

Космические лучи могут рассказать нам о космосе и вселенной.

В 20 веке космические лучи помогли ученым открыть антиматерию и мюон — первое свидетельство существования субатомных частиц за пределами протона, нейтрона и электрона.

Космические лучи также могут рассказать нам о химическом и физическом составе вселенной; о том, как вселенная менялась с течением времени; и о том, что происходит вокруг сверхмассивных черных дыр и в недрах взрывающихся звезд.

Название «космические лучи» восходит к 1925 году, когда лауреат Нобелевской премии и бывший ученый Чикагского университета Роберт Милликен ввел этот термин в статье в журнале Science.

С тех пор мы узнали, что это частицы, а не лучи, но название прижилось.

Иллюстрация, показывающая два космических луча, попадающих в атмосферу и распадающихся на частицы, которые затем распадаются на другие частицы несколько раз, прежде чем упасть на землю.

Когда космические лучи сталкиваются с молекулами в атмосфере Земли, они распадаются на множество вторичных частиц, которые теряют большую часть своей энергии еще до того, как достигнут земли. Детекторы на Земле отслеживают эти характерные следы.

Откуда берутся космические лучи?

Космические лучи постоянно путешествуют по вселенной во всех направлениях.

Трудно сказать, откуда они взялись, потому что космические лучи — это заряженные частицы, поэтому их могут притягивать магнитные поля, когда они путешествуют в пространстве.

Но мы можем измерить их энергию и использовать это для расчета того, какие силы потребуются для ускорения частиц, что дает нам подсказки о том, откуда они взялись.

Мы можем измерить, что получаем всплески космических лучей, когда солнце вспыхивает, так что некоторые из них исходят от Солнца.

Но многие из них, кажется, исходят из более отдаленных мест.

Большинство, вероятно, исходят откуда-то из нашей галактики, но некоторые, похоже, исходят из-за ее пределов!

Ученые полагают, что космические лучи выплевываются далекими звездами, которые взрываются (сверхновыми).

Другие могут образовываться, когда материя падает в сверхмассивные черные дыры, из сильно намагниченных нейтронных звезд или при столкновении галактик.

Что космические лучи говорят нам о Вселенной?

Ученые уже давно интересуются космическими лучами, поскольку они могут многое рассказать нам о Вселенной.

К ним относятся:

  • Что такое элементарные частицы. Первое открытие субатомных частиц за пределами протона, нейтрона и электрона произошло, когда ученые, наблюдая за космическими лучами в камере Вильсона в 1933 году, открыли позитрон — первую известную антиматерию — а затем и мюон. Это открыло область современной физики элементарных частиц, которая в дальнейшем раскрыла весь состав субатомных частиц;
  • Какова окружающая среда в нашей солнечной системе. Измерение космических лучей помогло ученым обнаружить, что Земля и внутренняя часть солнечной системы окружены магнитными полями и потоком излучения, исходящего от поверхности Солнца, который образует плазму;
  • Состав вселенной за пределами нашей солнечной системы. Некоторые космические лучи — редкая возможность изучить материю, пришедшую из-за пределов нашей солнечной системы или даже из-за пределов нашей галактики. По ним ученые могут оценить количество материи во вселенной и количество различных элементов;
  • Что происходит вокруг взрывающихся звезд, черных дыр и других экстремальных мест во Вселенной. Считается, что космические лучи возникают в результате взрыва звезд, когда сверхмассивные черные дыры пожирают свое окружение и когда сталкиваются галактики. Изучение космических лучей может дать нам редкое окно в эти процессы, которые в противном случае слишком далеки для ученых, чтобы легко получить к ним доступ;
  • Когда образовались метеориты, когда они упали на Землю и история Солнечной системы. Некоторые космические лучи достаточно энергичны, чтобы поразить объект, летящий в космосе, и превратить некоторые его элементы в новые изотопы. Когда метеорит падает на Землю, эти изотопы начинают распадаться и не заменяются, поэтому ученые иногда могут использовать этот факт, чтобы оценить, как давно упал метеорит. Ученые также использовали тот же принцип, чтобы оценить, как долго некоторые зерна в метеоритах путешествовали по Солнечной системе, что может рассказать нам об истории нашей Солнечной системы.

Наконец, космические лучи могут быть полезны и в других неожиданных случаях.

Например, нейтронные датчики космических лучей используются для мониторинга влажности почвы для более эффективного земледелия и ирригации.

Космические лучи также являются ключом к тому, как мы проводим датирование по углероду-14, которое может рассказать нам о возрасте археологических артефактов, ледников и многого другого.

Как были открыты космические лучи?

Вырезка научной статьи 1925 года

Вырезка из статьи 1925 года в журнале Science, где Роберт Милликен вводит термин «космические лучи».

Начиная с 1700-х годов ученые время от времени замечали странности в своих экспериментах.

Например, частицы в полностью герметичном контейнере иногда спонтанно разряжали свое электричество.

В течение следующих полутора столетий ученые сузили круг возможных источников.

Они знали, что существует некий источник излучения, который время от времени взаимодействует с частицами в их экспериментах, но никто не был уверен, откуда он исходит.

Земная кора? Атмосфера? Солнце?

Затем в 1912 году австрийский физик Виктор Гесс (Victor Hess) поднял воздушный шар на высоту более 5 000 метров (17 000 футов) и обнаружил, что уровень радиации значительно увеличился.

Он пришел к выводу, что излучение должно исходить из-за пределов атмосферы.

За это он был удостоен Нобелевской премии в 1936 году.

Само название «космические лучи» появилось в 1925 году, когда лауреат Нобелевской премии и бывший преподаватель Чикагского университета Роберт Милликен ввел этот термин в статье в журнале Science.

С тех пор мы узнали, что это частицы, а не лучи, но название прижилось.

Как обнаружить космические лучи?

Существует несколько способов обнаружения космических лучей.

Вы можете искать их напрямую — на земле или над атмосферой — или вы можете искать ливни других частиц, которые возникают, когда космические лучи сталкиваются с молекулами в атмосфере.

В число основных текущих экспериментов с космическими лучами входят:

  • Обсерватория Пьера Оже (The Pierre Auger Observatory). Это большая установка, расположенная на западе Аргентины, состоящая из резервуаров с водой, расположенных на площади размером с Род-Айленд (Rhode Island), и детектора, смотрящего в небо. Детектор улавливает ультрафиолетовый свет, создаваемый при попадании космических лучей в атмосферу Земли, а резервуары с водой улавливают сигналы, когда космические лучи попадают в них. Объединив эти два метода, ученые могут определить, насколько энергичным был космический луч и с какого направления он пришел. Обсерватория Пьера Оже была соучредителем покойного лауреата Нобелевской премии и профессора Чикагского университета Джеймса Кронина (James Cronin).
  • Большая высотная обсерватория атмосферных ливней. Наземный эксперимент в Сычуани, Китай (Sichuan, China), (LHAASO — The Large High Altitude Air Shower Observatory) занимает площадь более 300 акров и предназначен для обнаружения атмосферных ливней из космических лучей и гамма-лучей. Он начал работу в 2019 году.
  • Международная сеть нейтронных мониторов. По всему миру более 50 приборов непрерывно собирают данные о нейтронах, образующихся из космических лучей. Это помогает ученым контролировать поступающее космическое излучение. (Американские станции известны как Сеть нейтронных мониторов Симпсона в честь пионерского исследования космических лучей профессора Чикагского университета Джона А. Симпсона.) Вы можете увидеть текущие показания в базе данных нейтронных мониторов.
  • Другие наземные обсерватории. Многие более мелкие эксперименты ищут определенные подмножества космических лучей. Например, High Altitude Water Cherenkov Observatory (HAWC) в Мексике ищет космические лучи с очень высокими энергиями (от 100 ГэВ до 100 ТэВ). Другие ищут побочные продукты космических лучей, такие как Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) в Аризоне, которая улавливает входящие гамма-лучи, некоторые из которых производятся космическими лучами. Многие другие эксперименты и обсерватории также предоставляют данные о космических лучах — например, обсерватория IceCube в Антарктиде ищет нейтрино, которые часто производятся, когда космические лучи попадают в атмосферу.
  • Воздушные шары. Атмосфера мешает космическим лучам, поэтому для самых чистых измерений ученые часто отправляют приборы на борт воздушных шаров — начиная со знаменитого полета Виктора Гесса 1912 года над Парижем. На протяжении всего 20-го века ученые запускали воздушные шары на разные высоты, чтобы сделать эти показания. Сегодня ученые из Чикагского университета и многих других учреждений работают с NASA, чтобы запускать детекторы космических лучей на борт очень высоких воздушных шаров — всего в нескольких километрах от космоса.
  • Спутники и космические аппараты. Космические аппараты могут получать измерения космических лучей еще дальше — с орбиты Земли или даже вокруг Солнечной системы. Спутники, такие как китайский телескоп Dark Matter Particle Explorer ( DAMPE), могут улавливать космические лучи с орбиты. Космические аппараты Voyager 1 и 2, запущенные в 1977 году, чтобы исследовать края нашей Солнечной системы, оснащены приборами для обнаружения космических лучей. То же самое делает и солнечный зонд Parker от NASA, совершающий петлю вокруг Солнца.

Фотография астронавта, работающего над оборудованием во время выхода в открытый космос, на фоне поверхности Земли, видной ниже.

Астронавт НАСА Дрю Морган (Drew Morgan) выходит в открытый космос для проведения технического обслуживания альфа-магнитного спектрометра (AMS-02) — прибора, который обнаруживает космические лучи с Международной космической станции.

Что мы знаем о космических лучах, а что остается загадкой?

После более чем столетия интенсивных исследований мы знаем много о космических лучах.

Но остается много загадок.

Мы знаем:

  • Из чего они сделаны. Около 90% из них — водород, 9% — гелий и 1% — более тяжелые элементы, такие как железо;
  • Каковы их энергии. Мы можем измерить кинетическую энергию, которую они имеют при входе. Энергия зависит от того, какова масса частицы и как быстро она движется. Она может варьироваться от менее 1 МэВ до более 1 ЭэВ. Это меньше энергии летящего комара, вплоть до энергии теннисного мяча, летящего со скоростью 100 километров в час;
  • Подавляющее большинство космических лучей имеют очень низкую энергию, но есть несколько с более высокой энергией. Космические лучи с самой высокой энергией примерно в сто миллионов раз более энергичны, чем частицы, сталкиваемые в созданных человеком коллайдерах. (Один конкретный космический луч, обнаруженный в 1991 году и прозванный «частицей О-мой-Бог», двигался почти со скоростью света, когда врезался в детектор в Юте.);
  • Что в небе есть «горячие точки» космических лучей. Масштабные исследования космических лучей показывают, что в небе есть несколько горячих точек, которые, по-видимому, производят больше космических лучей, чем другие, но мы не знаем наверняка, какой объект или объекты их производят.

Мы не знаем наверняка:

  • Откуда берутся космические лучи. Процент почти наверняка исходит от Солнца (теперь их называют «солнечными энергетическими частицами»). Но многие космические лучи, по-видимому, приходят откуда-то из других мест галактики или даже из других галактик. Трудно определить их источники, поскольку их пути к нам искажаются магнитными полями;
  • Как ускоряются частицы с самой высокой энергией. Люди предположили, что они могут быть созданы в типе галактики, известной как галактика со вспышкой звездообразования (названной так потому, что она производит много звезд). Другим возможным источником являются сверхмассивные черные дыры — возможно, звезда или другая материя падает в черную дыру, и космические лучи выплевываются из обломков;
  • Как они влияют на планеты и жизнь. В атмосферу попадает так много космических лучей, что, возможно, частицы играют роль в нашем климате, включая образование и поведение облаков. Эксперимент CLOUD ЦЕРНа создает «искусственные космические лучи» для изучения физики космических лучей и, в конечном счете, их возможной роли в воздействии на облака в нашей атмосфере.

Опасны ли космические лучи?

Большинство космических лучей отклоняются или нейтрализуются атмосферой и магнитными полями Земли.

Некоторые достигают земли, но они, как правило, не хуже любого другого фонового излучения, которому мы регулярно подвергаемся.

Вы подвергаетесь большему их воздействию на больших высотах и во время полетов на самолете.

Хотя космические лучи иногда могут быть причиной сбоев компьютеров.

Однако как только вы покидаете защитный пузырь Земли, космические лучи становятся проблемой.

НАСА и другие изучают, как защитить астронавтов и оборудование от космической радиации во время длительных космических путешествий.

Инфографика космических лучей

Инфографика предоставлена EKA.

Как космические лучи влияют на Землю и Вселенную?

Ученые полагают, что космические лучи влияют на нашу Вселенную несколькими способами!

Космические лучи, вероятно, играют роль в создании как звезд, так и более легких элементов, нагревая межзвездную материю.

Они также влияют на Землю.

Они являются источником процента фонового излучения, наблюдаемого повсюду на Земле.

Космические лучи также могут играть роль в нагревании атмосфер планет, и ученые изучают, влияют ли они на формирование облаков на Земле.

Некоторые предполагают, что космические лучи могли даже сыграть определенную роль в возникновении жизни на Земле, что особенно интересно, поскольку мы обнаруживаем все больше планет вокруг далеких звезд и хотим лучше понять факторы, влияющие на возможность существования жизни на планете.

Какую роль сыграл Чикагский университет в исследовании космических лучей?

Чикагский университет имеет богатую историю исследований космических лучей — многое из того, что мы о них знаем, получено в результате экспериментов, проведенных в Чикагском университете.

Роберт А. Милликен, лауреат Нобелевской премии и бывший преподаватель Чикагского университета, провел сотни измерений космических лучей, начиная с 1920-х годов (и дал им название «космические лучи» в основополагающей статье 1925 года).

Он погрузил приборы на глубину 18 метров (60 футов) в высокогорное озеро в Колорадо и обнаружил, что некоторые из этих лучей имели чрезвычайно высокую энергию и что они исходили из космоса во всех направлениях.

Он писал: «Самые проникающие рентгеновские лучи, которые мы производим в наших больницах, не могут пройти через полдюйма свинца. Здесь были лучи, исходящие откуда-то из космоса, по крайней мере в сто раз более проникающие, чем эти».

Черно-белое фото с земли, на котором показан запуск дюжины больших воздушных шаров, за которыми наблюдают люди с земли. На заднем плане видны здания Чикагского университета, включая клубы Bartlett и Reynolds.

Профессор Чикагского университета Марсель Шейн (Marcel Schein) запустил воздушные шары для изучения космических лучей на больших высотах. На фото запуск воздушного шара в 1946 году с бывшего футбольного стадиона Stagg Field в Чикагском университете.

В 1931 году лауреат Нобелевской премии и профессор Чикагского университета Артур Комптон (Arthur Compton) организовал глобальное исследование космических лучей — сам разместил приборы в горах в нескольких странах и координировал работу других в разных местах по всему миру от Аляски до Южной Африки — и обнаружил, что на полюсах Земли космических лучей больше, чем на экваторе.

Это связано с тем, что космические лучи представляют собой заряженные частицы, и поэтому магнитное поле Земли направляет их к магнитным полюсам Земли.

Милликен и Комптон впоследствии провели серию дебатов о природе космических лучей, которые были освещены в New York Times , в том числе на первой странице.

Лауреат Нобелевской премии и профессор Чикагского университета Энрико Ферми (Enrico Fermi) заинтересовался тем, как можно ускорить космические лучи, и в основополагающей статье 1949 года предположил, что космические лучи могут ускоряться ударными волнами, исходящими от очень сильных явлений в космосе, таких как взрывающиеся звезды.

Модифицированная версия этой теории широко рассматривается как вероятная, но прямых доказательств пока нет.

Тем временем профессор Уиллард Либби (Willard Libby) пришел к выводу, что космическое излучение влияет на изотопы углерода на Земле, и использовал этот принцип для разработки метода датирования по углероду-14, позволяющего определить, как давно организм мертв.

Эта методика произвела революцию в таких областях, как археология, антропология и климатология, и за которую он получил Нобелевскую премию.

Во второй половине 20-го века Чикагский университет стал центром по созданию инструментов для измерения космических лучей.

Это можно было делать с земли или перевозить на воздушных шарах, самолетах и даже космических кораблях.

Черно-белая фотография, на которой слева изображено «Чикагское яйцо», а справа — ученый в очках, работающий с оборудованием.

Ученые из Чикагского университета построили «Чикагское яйцо», которое будет использоваться на борту космического челнока для измерения космических лучей в космосе.

В 1940-х годах профессор Марсель Шейн запустил воздушные шары и провел другие эксперименты, которые, среди прочего, обнаружили, что большинство космических лучей являются протонами — идентичными протонам, обнаруженным в ядре каждого атома.

Профессор Джон А. Симпсон (John A. Simpson) изобрел нейтронный монитор для сбора частиц из космических лучей на Земле, с помощью которого он сделал фундаментальные открытия об условиях в космосе около Земли и который до сих пор используется во всем мире для мониторинга входящего космического излучения.

Его приборы зафиксировали огромную солнечную вспышку в 1956 году, что помогло доказать, что излучение от Солнца окутывает Солнечную систему и взаимодействует с частицами, приходящим из более отдаленных мест.

Симпсон, вместе с профессорами Энтони Туццолино (Anthony Tuzzolino), Саймоном Сворди (Simon Swordyr), Дитрихом Мюллером (Dietrich Müller) и Питером Мейером (Peter Meyer), также разработали такие эксперименты, как «Чикагское яйцо», которое летало на борту космического корабля Challenger.

Инструменты Симпсона все еще собирают данные на борту нескольких текущих миссий космических кораблей, таких как Pioneer 10.

Результаты всех этих экспериментов внесли вклад в наше понимание космических лучей — Симпсон и Мейер показали, как цикл солнечных пятен влияет на все космические лучи, кроме самых высокоэнергетических, а Мейер открыл соотношения интенсивностей компонентов космических лучей, что дало ключи к пониманию происхождения космических лучей.

Лауреат Нобелевской премии профессор Джеймс (Джим) Кронин также посвятил вторую половину своей карьеры изучению космических лучей.

Он провел эксперимент, известный как Chicago Air Shower Array (CASA), который проводился с 1992 по 1999 год в Юте для изучения сверхвысокоэнергетических космических лучей.

Он также стал одним из основателей масштабного международного эксперимента, который в конечном итоге стал обсерваторией Пьера Оже, которая измеряет атмосферные ливни в Аргентине с 2005 года.

Эти исследования продолжаются и сегодня.

Профессор Скотт Уэйкли (Scott Wakely) руководит разработкой эксперимента HELIX, который будет летать на воздушном шаре для измерения химического и изотопного содержания легких ядер космических лучей.

Профессор Анджела Олинто (Angela Olinto) руководит запланированной космической миссией Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics и запущенной миссией Extreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon, призванной обнаружить происхождение космических частиц с самой высокой энергией, их источники и их взаимодействия.

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!

Средний балл: 0