Галактические космические лучи

Размещено на http://allbest.ru

Космические лучи, которые постоянно регистрируются на Земле, поступают из источников в нашей Галактике, пока энергии ниже 10¹⁵-10¹⁸ эВ. Это вытекает из того факта, что Солнце, и, следовательно, солнечная энергия, как звезды лишь эпизодически ускоряет частицы до энергий, которые позволяют их обнаружить (зарегистрировать) на Земле, в то время как космические лучи, при более высоких энергиях, чем указанные выше ограничения, не будут ограничиваться нашей Галактикой. Обилие измеренных различных элементов в космических лучах, обнаруженных (зарегистрированных) на Земле, также дают доводы в пользу галактического происхождения. Возможно, регионами ускорения (частиц) являются сверхновые звезды и их остатки, которые возникают в выходных каскадах мощных ударов.

Это не так просто определить регионы (место, район), откуда пришли космические лучи, потому что заряженные частицы не распространяются вдоль прямой линии. Мы локализовали звезды, потому что их свет исходит от заданного направления в небе. Мы знаем, что космические лучи с энергией до 10¹⁰ эВ (10 ГэВ) иногда приходят от Солнца, путешествуя вдоль межпланетных магнитных силовых линий. Но непрерывный поток космических лучей до 1019 эВ приходит на Землю с любого направления в небе. Это потому, что заряженные частицы движутся вдоль турбулентных магнитных силовых линий в нашей Галактике. В результате, разбросанные космические лучи, подобны молекулам в горячих газах, и их первоначальные направления путешествия полностью размыты по энергии частиц, имеющих отношение к измерениям нейтронного монитора.

Учитывая скромную энергию от самых энергетичных частиц от Солнца, по сравнению с более чем 10²⁰ эВ и самыми энергетичными космическими лучами, ясно, что большинство космических лучей не могут быть ускорены в нормальных звездах, таких как Солнце. Некоторые специальные условия, когда в событиях выпущено большое количество энергии, должны быть причиной высокой энергии космических лучей.

На этой странице мы ограничимся энергиями, которые можно наблюдать с нейтронных мониторов на Земле и обсудим галактические космические лучи. Галактические космические лучи могут иметь энергию далеко за пределами регистрируемой нейтронными мониторами. В настоящее время мы предполагаем, что протоны до 10¹⁵ эВ из нашей Галактики, а также ионы до тысячи раз больше энергиями.

Как уже говорилось, солнечное ускорение частиц до высоких энергий 10 ГэВ, как показали наблюдения, носит спорадический характер. Воздействие космических лучей на Землю, однако, носит постоянный характер. Так что большинство космических лучей не могут исходить от Солнца или звезд солнечного типа.

Другая причина предположения, что большинство космических лучей приходят к нам с некоторого расстояния - об этом можно судить по распространенности различных химических элементов в космических лучах.

Рисунок сравнивает распространенность космических лучей, измеренную спутниками в околоземном пространстве (синяя линия) со средней распространенностью элементов в Солнечной Системе (красные линии). По горизонтальной оси дается число протонов в ядре, и символ соответствующего химического элемента, отмечаемый в верхней части диаграммы. Содержание выражается в отношении этого кремния: для одного ядра Si (14 протонов) имеется более одного миллиона ядер Н (1 протон) и 100-Fe (26 протонов).

Для большинства частиц относительное распространение в космических лучах и среднее солнечное распространение систем схожи. Это не означает, что космические лучи приходят из Солнечной системы, так как распространение в Солнечной системе самостоятельно (само по себе) похоже на общее элементарное распространение (частиц) в нашей Галактике и других. Но есть и отличия: свет ядер водорода (Н) и гелия (Не) менее обилен (количество ниже, менее распространен) в космических лучах, чем в Солнечной системе, которое может быть следствием процесса ускорения. Две группы частиц являются относительно более распространенными в составе космических лучей, чем в среднем во Вселенной: легкие литиевые частицы (Li), бериллия (Be) и бора (B), которые составляют от 3 до 5 протонов и тяжелых частиц с 21 до 25 протонов (скандий Sc, Ti титан, ванадий V, Cr хром, марганец Mn).

Почему эти виды частиц гораздо более распространены в составе космических лучей, чем в среднем во Вселенной? Заметим, что для обеих групп имеются распространенные частицы, которые немного тяжелее: C, N, O для группы легких элементов, Fe и др. для группы тяжелых элементов. Это предполагает объяснение переизбытка в космических лучах: основную часть космических лучей составляют ядра Li-B и Sc-Mn , которые не являются частью первоначально ускоренных частиц, но были созданы при столкновении первоначально ускоренных частиц с окружающими ядрами в межзвездном пространстве. При столкновениях разрушаются более тяжелые ядра и создается энергетический мусор - переизбыток видов (разновидности) космических лучей. Такое толкование требует, в свою очередь, что космические лучи должны были пройти минимальное количества вещества на пути от источника к нам, и мы можем вывести (рассчитать) их возраст и расстояние пути: пройденное расстояние не то же самое для каждого вида космических лучей, но в среднем оно оказывается больше, чем наша Галактика. С учетом того, что космические лучи проходят сложные траектории в турбулентных галактических магнитных полях, этот результат согласуется с происхождением космических лучей: протонов до 10¹⁵ эВ и ионов, возможно, до 10¹⁸ эВ, - в нашей Галактике.

Поэтому мы вынуждены искать активные (бурные) события в нашей Галактике, чтобы определить происхождение космических лучей. Крайний случай освобождения энергии в нашей Галактике от сверхновых: распад массивной звезды в конце своей жизни, когда у нее нет больше средств (необходимых веществ, элементов) для поддержания своего равновесия и производства энергии на основе ядерного синтеза в его структуре. Когда ядро такой звезды взрывается, ее внешние слои, содержащие несколько солнечных масс газа, вылетают на огромной скорости в межзвездное пространство. Как сверхзвуковой самолет в атмосфере Земли, также и эти интенсивные движения материи порождают ударную волну. В ионизованном газе ударные волны считаются эффективным ускорителем заряженных частиц. Сверхновая создает ударные волны с первоначальной скоростью несколько тысяч км/с. Их замедление происходит в течение десятков тысяч лет.

космический луч спутник звездный

Мы можем видеть сегодня остатки сверхновой, которая взорвалась в более или менее отдаленном прошлом. Примером являются остатки сверхновой в 1006 году, которая в то время была очень яркой в течение нескольких недель и, как показалось наблюдателям, это была "новая звезда". На месте этой звезды мы видим сегодня почти сферические туманности, представленные на рисунке как два светло-серых изображения (обратная цветовая гамма: темное затемнение показывает яркое излучение). Наблюдения были сделаны на радио-частотах (843 МГц) и Х-лучах.

Остатки сверхновой звезды появляются с оболочкой структуры, которая показывает нагретый газ (Х-лучи) и электроны высокой энергии (радиоволны и рентгеновские лучи) вокруг ударных волн, которые распространяются в окружающую межзвездную среду. Цветное изображение справа показывает комбинацию более поздних объектов, сочетающее рентгеновские наблюдения с телескопом Chandra (синий) с различными оптическими изображениями (желтое, оранжевое, синее) и радио изображение (красного цвета).

Что означают эти изображения, и что они могут нам рассказать о быстрых заряженных частицах? Из наблюдений на разных частотах мы знаем, что радиоизлучение и часть Х-лучей синхротронного излучения. Синхротронное излучение происходит с электронами и позитронами очень высоких энергий, циркулирующих вокруг линий магнитного поля. Частота этого излучения тем выше, чем выше энергия частицы. Из наших знаний о механизме синхротронного и межзвездного магнитного поля, мы получаем, что электроны, излучающие радиоволны на 843 МГц имеют энергии в несколько ГэВ (10⁹ eV). Х-лучи являются электромагнитными волнами при более высоких частотах, чем радиоизлучение. Таким образом, энергия излучающих электронов или позитронов, должна быть гораздо выше, чем та, которую излучают радиоволны. Рентгеновское излучение показывает электроны с энергиями выше, чем 10¹⁴ эВ.

Такие остатки сверхновых являются источниками электронов с высокими энергиями в составе космических лучей. Но как насчет протонов и ядер? К сожалению, нам известно намного меньше об электромагнитном излучении для них. Протоны и ядра испускают часть излучения через ядерные взаимодействия. Более ясна сигнатура (квантовое число) гамма-лучей от распада нейтральных пионов. Нейтральные пионы нестабильных частиц. Они появляются, когда протон с высокой энергией сталкивается с протоном или ядром в межзвездной среде. Нейтральный пион распадается почти сразу на гамма-лучи с различными энергиями около 67 МэВ, при измерении в кадре, где пион находится в покое. Если распадающийся пион двигается (движется) на большой скорости, излучение можно увидеть при более высоких энергиях фотонов, распространяющееся в ТэВ (10¹² eV) диапазоне.

Но это излучение, если оно существует, скрыто в различных типах излучения высокоэнергичных электронов. Матрица телескопа HESS в Намибии зафиксировала протяженные выбросы при очень высокой энергии гамма-излучения (гамма-лучей) (свыше 100 ГэВ), что объясняется протонами и ядрами в космических лучах. Выявление (определение, распознавание) спектра гамма-лучей от распада пиона также является ключевым проектом для нового телескопа FERMI.

Ударная волна действует на заряженную частицу, как теннисная ракетка действует на мяч: если игрок попадает по мячу быстрым движением ракетки вперед, то мяч будет отражен со скоростью большей, чем скорость, с которой он прилетел. Мяч был ускорен.

Ударная волна в ионизованном и намагниченном газе отражает частицы, так как магнитное поле сжимается и усиливается после удара. Отражение частицы похоже на отражение от магнитосферы Земли, которое предотвращает попадание космических лучей низкой энергии, входящих в атмосферу. В случае магнитосферы, заряженная частица сталкивается с объектом, который практически в состоянии покоя. Частица отражается с той же скоростью, с которой она попадает в магнитосферу - так же, как если теннисист не двигает ракетку, когда в нее ударяет мяч. Но ударная волна не является статичной. Она путешествует от родительской звезды, в межзвездном пространстве. После отражения эта путешествующая ударная частица обладает более высокой скоростью, чем раньше - заряженная частица была ускорена после столкновения с ударной сверхновой. Одна встреча (столкновение) не приводит к увеличению энергии намного, но когда частица сталкивается много раз или много раз ударяется, то она может быть разогнана до значительных энергий. Это настоящее представление о том, как протоны и ядра ускоряются до энергий порядка 10¹⁵-10¹⁸ эВ, так называемое "колено" в спектре космических лучей.

Предельные энергии, до которых частицы могут ускоряться зависят от свободного времени и от способности среднего отражения энергичных частиц возвращаться обратно от удара, чтобы они получили дополнительный толчок. Сверхновые ударные волны развиваются: они энергичны (сильны) в течение некоторого времени, но постепенно теряют силу, поскольку они распространяются в окружающей межзвездной среде и ускоряют частицы. Именно поэтому исследователи считают, что для протонов космических лучей с энергией значительно выше 10¹⁵ эВ и ионов выше 10¹⁸ эВ необходим более мощный ускоритель, который недоступен в нашей Галактике.

Размещено на Allbest.ru