Что такое космические лучи и откуда они берутся?

Великие тайны вселенной постоянно окружают нас. Одной из таких загадок являются космические лучи, состоящие из крошечных частиц атомов. Эти лучи, проходящие через нас в данный момент, не вредны ни для нас, ни для какой-либо другой жизни на поверхности Земли .

Но некоторые из них несут столько энергии, что физики недоумевают, какой объект во Вселенной мог их создать. Многие из них слишком сильны, чтобы происходить от нашего солнца. Многие из них слишком сильны, чтобы возникнуть из-за взрыва звезды. Поскольку космические лучи редко распространяются по прямой линии, мы даже не знаем, откуда они берутся.

Хотя мы не знаем, откуда они берутся или как они попадают сюда, мы можем видеть, что происходит, когда эти космические лучи достигают атмосферы нашей планеты почти со скоростью света.

Космические лучи — посланники из более широкой вселенной; напоминание о том, что мы являемся частью этого, и напоминание о том, что вокруг еще много тайн. Давайте внимательнее посмотрим на эти удивительные частицы, падающие на Землю словно дождь.

Что такое космические лучи?

Космические лучи — это форма высокоэнергетического излучения, которая распространяется по всей нашей родной галактике, т. е. по Млечному Пути . Космические лучи могут исходить от Солнца, но известно, что большинство из них исходят за пределами Солнечной системы и распространяются по всей галактике.

Когда частицы космических лучей сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы, они взрываются, разрывая атомы на части. Частицы от этого взрыва затем продолжают разрывать другие частицы материи в цепной реакции, нарастающей как снежный ком. Часть этой атомной шрапнели даже попадает в землю.

«Наши коллеги-физики-теоретики недоумевают» по поводу того, как эти частицы получают энергию, — говорит Чарльз Джуи, физик из Университета Юты, занимающийся поиском космических лучей. «Мы также не можем понять, откуда они берутся».

Большинство галактических космических лучей (~85%) состоят из ядер атомов водорода (протонов), а альфа-частицы (ядра гелия) составляют около 12% космических лучей. Остальные — просто ядра и электроны более тяжелых атомов.

Когда эти высокоэнергетические частицы попадают в атмосферу нашей планеты и взаимодействуют с атмосферными ядрами, они производят ливни вторичных частиц, также называемые «воздушными ливнями».

Открытие солнечных лучей

Воздушный душ

Воздушный ливень — это просто обширный каскад электромагнитного излучения и ионизированных частиц (например, электронов, фотонов и мюонов), который возникает в атмосфере (и иногда достигает поверхности) при взаимодействии космического луча с другими ядрами атмосферы.

Когда радиоактивность была впервые открыта Марией Кюри и Анри Беккерелем, ученые полагали, что ионизация атмосферы (т. е. когда электроны отрываются от молекул воздуха) происходит только из-за излучения, производимого радиоактивными элементами, присутствующими в горных породах, или радиоактивными газами в самой атмосфере. Затем другой физик по имени Виктор Гесс провел эксперимент, используя три электрометра, привязанных к воздушному шару, который подняли в небо.

Он заметил, что скорость ионизации на высоте 4600 метров была в несколько раз выше, чем на уровне земли. Он утверждал, что такой высокий уровень ионизации можно объяснить только наличием мощного источника, излучение которого бомбардировало атмосферу Земли сверху. Так были открыты космические лучи.

Французский физик Пьер Оже в 1937 году обнаружил, что такие обширные воздушные ливни возникают, когда космические лучи сталкиваются с частицами высоко в атмосфере.

Доза космического излучения максимальна вблизи Северного полюса или Южного полюса, поэтому экипажи авиакомпаний получают больше космических лучей, если они регулярно работают рядом с этими районами ( Источник ).

До открытия космических лучей физики считали, что на самом деле это гамма-лучи, образующиеся в результате радиоактивного распада. Только в 1930-х годах серия экспериментов доказала, что космические лучи в основном представляют собой заряженные частицы. Затем, в 1954 году, группа космических рентгеновских лучей Росси в Массачусетском технологическом институте в Кембридже собрала первые существенные образцы атмосферных ливней.

Типы космических лучей

Ученые классифицируют космические лучи на четыре основные категории.

Аномальные космические лучи

Это низкоэнергетические космические лучи, которые, как полагают, возникают в гелиооболочке (пузырькообразной области пространства, простирающейся далеко за пределы орбиты Плутона, другими словами, на краю нашей Солнечной системы), где солнечный ветер (поток заряженных частиц, выбрасываемых из атмосферы Солнца) не оказывает никакого действия.

Считается, что аномальные космические лучи образуются, когда электрически нейтральные атомы в гелиооболочке ионизируются и ускоряются. Интересно, что когда космический аппарат «Вояджер-1» прошел гелиооболочку, он не обнаружил наличия такого ускорения частиц.

Галактические космические лучи

Обычно сокращенно называемые GCR, эти лучи входят в нашу солнечную систему извне, но обычно формируются внутри нашей галактики. Космические ученые считают, что эти типы космических лучей являются результатом мощных сверхновых.

Предполагается, что после взрыва сверхновой частицы многократно отскакивают от газовых остатков взрыва и ускоряются, пока не будет достигнута точка, когда они улетают в галактику.

Солнечные космические лучи

Они исходят от центральной звезды нашей Солнечной системы — Солнца. Большинство этих лучей представляют собой просто протоны с относительно низкой энергией, которые получают ее от интенсивных магнитных полей на поверхности Солнца.

Космические лучи сверхвысокой энергией

Как следует из названия, это частицы космических лучей с очень высокой кинетической энергией. Эти частицы чрезвычайно редки, и их происхождение еще предстоит полностью понять астрономам.

Обсерватория Пьера Оже, международная обсерватория космических лучей в Аргентине, была создана для обнаружения космических лучей сверхвысоких энергий в попытке решить загадку их происхождения и существования!

Огромная глыба льда на Южном полюсе — гигантский детектор космических лучей

На дне мира мало живого, кроме физиков. Там, на южном полюсе, они построили нейтринную обсерваторию IceCube , выкованную прямо во льду под поверхностью Южного полюса.

Это блок кристально чистого льда объемом 1 кубический километр (около 1,3 миллиарда кубических ярдов), окруженный датчиками. Эти датчики настроены на обнаружение, когда субатомные частицы, называемые нейтрино, которые путешествуют вместе с другими субатомными частицами в космических лучах, врезаются в Землю.

Возможно, вы слышали, что ничто не может двигаться быстрее света. Это верно, но только в вакууме. Фотоны, из которых состоит свет , на самом деле немного замедляются, когда входят в плотное вещество, такое как лед. Но другие субатомные частицы, такие как мюоны и электроны, не замедляются.

Когда частицы движутся быстрее света через такую ​​среду, как лед, они светятся. Это так называемое черенковское излучение. И это явление похоже на звуковой удар. (Когда вы движетесь со скоростью, превышающей скорость звука, вы производите взрыв шума.) Когда частицы движутся со скоростью, превышающей скорость света, они оставляют следы жуткого голубого света, как следы от катера на воде. Вот как художник изобразил, как все это выглядит. Нейтрино имеет форму капли серого цвета.