Источники и происхождение космических лучей Космические лучи — это высокоэнергетичные частицы, преимущественно протоны, ядра гелия и более тяжёлые ядра, а также электроны и позитроны, движущиеся с релятивистскими скоростями. Они поступают к Земле как из Солнечной системы, так и из Галактики и межгалактического пространства.
Различают первичные космические лучи, приходящие из космоса, и вторичные, возникающие в результате взаимодействия первичных с веществом атмосферы Земли. По происхождению выделяют:
Состав и энергетический спектр Основу космических лучей составляют:
Энергетический спектр космических лучей подчиняется степенному закону:
$$ \frac{dN}{dE} \propto E^{-\gamma} $$
где γ ≈ 2.7 при энергиях до 1015 эВ, затем спектр становится более крутым (γ ≈ 3.1). Эта особенность называется «коленом» спектра. При энергиях выше 1018.5 эВ наблюдается «пятка» спектра — возможное свидетельство смены галактического происхождения на внегалактическое.
Ускорение космических лучей Основной механизм ускорения — диффузионное ускорение на ударных волнах (модель Ферми первого рода). Частицы многократно пересекают фронт ударной волны, приобретая всё большую энергию. Такой механизм реализуется в остатках сверхновых, где скорость ударной волны достигает тысяч км/с.
Уравнение для энергии после n пересечений:
En = E0(1 + δ)n
где δ — средний относительный прирост энергии за одно пересечение.
Другие возможные механизмы включают ускорение в магнитосферах пульсаров, в джетах активных галактик и на фронтах столкновений галактик.
Взаимодействие с межзвёздной средой и магнитными полями Путь космической частицы от источника до Земли — не прямолинейный. Галактические и межгалактические магнитные поля (порядка нескольких μГс) отклоняют траектории частиц. Радиус гиромагнитного движения для частицы с энергией E и зарядом Z в магнитном поле B:
$$ R_g = \frac{E}{ZeB} $$
Для частиц с энергиями до 1015 эВ путь сильно искривлён, и определить точку происхождения практически невозможно.
Космические лучи также теряют энергию при взаимодействии с веществом и фоновым излучением. Особенно важен эффект Грейзена–Зацепина–Кузьмина (пороговое взаимодействие с фотонами реликтового излучения), ограничивающий максимальную наблюдаемую энергию космических лучей издалека (предел GZK ~ 5 ⋅ 1019 эВ).
Вторичные космические лучи и воздушные ливни При входе в атмосферу первичные частицы вызывают каскадные процессы: столкновения с атомами воздуха порождают пионов, каонов и другие нестабильные частицы. Их распады дают:
Этот каскад называется широким атмосферным ливнем. Его поперечный размер может достигать километров, а количество частиц — миллионов.
Основные фазы ливня:
Детекторы и методы наблюдения Для регистрации космических лучей применяют:
Крупнейшие наземные установки:
Космические лучи и астрофизика высоких энергий Изучение космических лучей тесно связано с другими проявлениями астрофизики высоких энергий: гамма-всплесками, активными ядрами галактик, пульсарами, реликтовым излучением. Их наблюдение позволяет:
Космические лучи и фундаментальная физика Наблюдение космических частиц с энергиями выше 1020 эВ предоставляет уникальные условия для тестирования физики за пределами достижимого на ускорителях. Например:
Радиоактивность и влияние на биосферу Космические лучи оказывают влияние на атмосферу и биосферу Земли:
Исторические аспекты и вклад в развитие физики Открытие космических лучей в начале XX века (эксперименты Виктора Гесса и Теодора Вульфа) стало поворотным моментом. Впоследствии в космических лучах впервые были обнаружены:
До появления крупных ускорителей космические лучи были основным источником информации о физике элементарных частиц.
Проблемы и нерешённые вопросы Несмотря на прогресс, остаются важные нерешённые задачи:
Космические лучи представляют собой фундаментальное явление, охватывающее пересечения астрофизики, ядерной и частичной физики, космологии и геофизики.