Космические лучи

Косми́ческие лучи́ — элементарные частицы, фотоны и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве^[1][2].

Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц.

Физика космических лучей изучает:

• процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;
• частицы космических лучей, их природу и свойства;
• явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет.

Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшей экспериментальной задачей.

Космические лучи могут возникать:

• вне нашей Галактики;
• в нашей Галактике;
• на Солнце;
• в межпланетном пространстве.

Первичными принято называть внегалактические, галактические и солнечные космические лучи.

Вторичными космическими лучами принято называть потоки частиц, возникающих под действием первичных космических лучей в атмосфере Земли и регистрирующихся на поверхности Земли.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.

До развития ускорительной техники космические лучи служили единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в космических лучах.

Диапазон энергий частиц в космических лучах велик — от 10⁶ эВ до 5⋅10²¹ эВ^[3].

По количеству частиц космические лучи на 92 % состоят из протонов, на 6 % — из ядер гелия, около 1 % составляют более тяжёлые элементы, и около 1 % приходится на электроны^[4][5]. При изучении источников космических лучей вне Солнечной системы протонно-ядерная компонента в основном обнаруживается по создаваемому ею потоку гамма-лучей орбитальными гамма-телескопами, а электронная компонента — по порождаемому ею синхротронному излучению, которое приходится на радиодиапазон (в частности, на метровые волны — при излучении в магнитном поле межзвёздной среды), а при сильных магнитных полях в районе источника космических лучей — и на более высокочастотные диапазоны. Поэтому электронная компонента может обнаруживаться и наземными астрономическими инструментами^[6][1].

Традиционно частицы космических лучей делят на следующие группы: p ${\displaystyle (Z=1),}$ α ${\displaystyle (Z=2),}$ L ${\displaystyle (Z=3...5),}$ M ${\displaystyle (Z=6...9),}$ H ${\displaystyle (Z\geqslant 10),}$ VH ${\displaystyle (Z\geqslant 20)}$ (соответственно, протоны, альфа-частицы, лёгкие, средние, тяжёлые и сверхтяжёлые). Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа^[4][3]. Данное явление объясняется тем, что механизм генерации космических частиц в первую очередь ускоряет тяжёлые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра^[5]. Данное предположение подтверждается тем, что космические лучи обладают очень высокой степенью изотропии.

Впервые указание на возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения было получено в начале XX века в опытах по изучению проводимости газов. Обнаруженный спонтанный электрический ток в газе не удавалось объяснить ионизацией, возникающей от естественной радиоактивности Земли. Наблюдаемое излучение оказалось настолько проникающим, что в ионизационных камерах, экранированных толстыми слоями свинца, всё равно наблюдался остаточный ток. В 1911—1912 годах был проведён ряд экспериментов с ионизационными камерами на воздушных шарах. Гесс обнаружил, что излучение растёт с высотой, в то время как ионизация, вызванная радиоактивностью Земли, должна была бы падать с высотой. В опытах Кольхерстера было доказано, что это излучение направлено сверху вниз.

В 1921—1925 гг. американский физик Милликен, изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами.

В 1925 году советские физики Л. Р. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления — открыли «барометрический эффект». Опыты Д. В. Скобельцына с камерой Вильсона, помещённой в постоянное магнитное поле, дали возможность «увидеть», за счёт ионизации, следы (треки) космических частиц. В 1938 году Пьер Оже открыл ливни космических частиц.

Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий: в 1932 году Андерсон открыл в космических лучах позитрон; в 1937 году Андерсоном и Неддермейером были открыты мюоны и указан тип их распада; в 1947 году открыли π-мезоны; в 1955 году в космических лучах установили наличие К-мезонов, а также и тяжёлых нейтральных частиц — гиперонов.

Квантовая характеристика «странность» появилась в опытах с космическими лучами. Эксперименты в космических лучах поставили вопрос о сохранении чётности, обнаружили процессы множественной генерации частиц в нуклонных взаимодействиях, позволили определить величину эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии.

Появление космических ракет и спутников привело к новым открытиям — обнаружению радиационных поясов Земли (февраль 1958 г., Ван Аллен и, независимо от него, июль того же года, С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков^[7]), и позволило создать новые методы исследования галактического и межгалактического пространств.

В околоземном космическом пространстве (ОКП) различают несколько типов космических лучей. К стационарным принято относить галактические космические лучи (ГКЛ), частицы альбедо и радиационный пояс. К нестационарным — солнечные космические лучи (СКЛ).

Галактические космические лучи (ГКЛ) состоят из ядер различных химических элементов с кинетической энергией Е более нескольких десятков МэВ/нуклон, а также электронов и позитронов с Е > 10 МэВ. Эти частицы приходят в межпланетное пространство из межзвёздной среды. Наиболее вероятными источниками космических лучей считаются вспышки сверхновых звёзд и образующиеся при этом пульсары. Электромагнитные поля пульсаров ускоряют заряженные частицы, которые затем рассеиваются на межзвёздных магнитных полях^[8]. Возможно, однако, что в области Е < 100 МэВ/нуклон частицы образуются за счёт ускорения в межпланетной среде частиц солнечного ветра и межзвёздного газа. Дифференциальный энергетический спектр ГКЛ носит степенной характер.

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном магнитном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E меньше критической. Те же частицы с энергией E < E_кр, которые всё-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).

В околоземном пространстве можно выделить две торообразные области, расположенные в экваториальной плоскости примерно на расстоянии от 300 км (в зоне БМА) до 6000 км (внутренний РПЗ) и от 12 000 км до 40 000 км (внешний РПЗ). Основным наполнением внутреннего пояса являются протоны с высокими энергиями от 1 до 1000 МэВ, а внешнего — электроны.

Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстояниях L ~ 3 радиусов Земли от её центра. Малоэнергичные электроны заполняют всю область захвата. Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Поток протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени.

Процесс взаимодействия ядер первичного космического излучения с атмосферой сопровождается возникновением нейтронов. Поток нейтронов, идущий от Земли (нейтроны альбедо), беспрепятственно проходит сквозь магнитное поле Земли. Поскольку нейтроны нестабильны (среднее время распада ~900 с), часть из них распадается в зонах, недоступных для заряженных частиц малых энергий. Таким образом, продукты распада нейтронов (протоны и электроны) рождаются прямо в зонах захвата. В зависимости от энергии и питч-углов эти протоны и электроны могут либо оказаться захваченными, либо покинуть эту область.

Частицы альбедо — это вторичные частицы, отражённые от атмосферы Земли. Нейтроны альбедо обеспечивают радиационный пояс протонами с энергией до 10³ МэВ и электронами с энергией до нескольких МэВ.

Солнечными космическими лучами (СКЛ) называются энергичные заряженные частицы — электроны, протоны и ядра, — инжектированные Солнцем в межпланетное пространство. Энергия СКЛ простирается от нескольких кэВ до нескольких ГэВ. В нижней части этого диапазона СКЛ граничат с протонами высокоскоростных потоков солнечного ветра. Частицы СКЛ появляются вследствие солнечных вспышек. Впервые за пределами земной атмосферы вспышка СКЛ была зарегистрирована аппаратурой искусственного спутника Земли «Спутник-3» как результат солнечной хромосферной вспышки 7 июля 1958 года^[9][10].

Запрос «Космические лучи сверхвысоких энергий» перенаправляется сюда. На эту тему нужно создать отдельную статью.

см. Ultra-high-energy cosmic ray^[англ.], UHECR)^[11]

Энергия некоторых частиц (например, частицы «Oh-My-God») превышает предел ГЗК (Грайзена — Зацепина — Кузьмина) — теоретический предел энергии для космических лучей 5⋅10¹⁹ эВ, вызванный их взаимодействием с фотонами реликтового излучения. Несколько десятков таких частиц за год было зарегистрировано обсерваторией AGASA. Частицы сверхвысоких энергий чрезвычайно редки, природа их появления пока не понятна и не имеет достаточно обоснованного научного объяснения.

• Частица Oh-My-God (320 ЭэВ), обнаруженная в 1991 году, — самая энергичная из когда-либо зарегистрированных;
• частица с энергией 280 ЭэВ, обнаруженная в 2001 году^[12];
• третья по энергии частица (244 ЭэВ), получившая собственное имя в честь богини Аматэрасу и зарегистрированная в 2021 году.

Также в 2021 году в ходе поисков, проводившихся с 1990-х годов, коллаборацией Tibet ASγ с помощью антенного массива площадью 70 000 м² и подземных мюонных детекторов, расположенных на Тибетском плато на высоте 4200 метров, были зарегистрированы гамма-кванты с энергией почти в один петаэлектронвольт (10¹⁵ эВ); всего было обнаружено 23 частицы. Предположительно такое излучение образуется в результате прохождения излучения от самых мощных внегалактических источников через межзвёздный газ Млечного Пути, так как направления прилёта зарегистрированных гамма-квантов имели диффузный (пространственно рассеянный) характер^[13].

Долгое время после открытия космических лучей методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях, чаще всего — газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии, поднимаемые в стратосферу или в космическое пространство. Но данный метод не позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.

Современные обсерватории используют другие принципы регистрации космических лучей. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу, она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых 100 г/см², рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые, в свою очередь, рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц, который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение, регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.

Космонавты МКС, когда закрывают глаза, не чаще, чем раз в 3 минуты, видят вспышки света^[14], возможно, это явление связано с воздействием частиц высоких энергий, попадающих в сетчатку глаза. Однако экспериментально это не подтверждено, возможно, что этот эффект имеет под собой исключительно психологические основы.

Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей — учёные из России и США уже ищут способы решения этой проблемы.

• Форбуш-эффект
• Широкий атмосферный ливень
• Обсерватория Пьер Оже^[англ.]
• Тункинский эксперимент

• Мурзин В. С. Физика космических лучей. Учеб. пособие для физ. специальностей ун-тов. — М.: Изд-во МГУ, 1970. — 285 с.
• Мурзин В. С. Введение в физику космических лучей. — М.: Атомиздат, 1979. — 303 с.
• Модель космического пространства (рус.) / Под ред. акад. С. Н. Вернова. — М.: Изд-во МГУ, 1971. — Т. 1—3.
• Филоненко А. Д. Радиоастрономический метод измерения потоков космических частиц сверхвысокой энергии (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2012. — Т. 182. — С. 793—827.
• Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. — М.: Наука, 1975. — 464 с.
• ред. Ширков Д.В. Физика микромира. — М.: Советская энциклопедия, 1980. — 528 с.
• Панасюк М. И. Странники Вселенной или эхо Большого взрыва. — М.: Век 2, 2005. — 272 с. — ISBN 5-85099-160-3.
• Зацепин Г. Что такое космические лучи? // Наука и жизнь : журнал. — 1987. — № 1. — С. 82-86. — ISSN 0028-1263.

• Космические лучи. Их состав и происхождение
• Cosmic Ray Shower Simulations
• Pierre Auger — Обсерватория наблюдений Космических лучей
• Научно-образовательный открытый проект по исследованию Космических лучей
• Космические лучи самых высоких энергий
• Новый шаг в изучении космических лучей