Происхождение и свойства космических лучей Открытие космических

Происхождение и свойства космических лучей

Открытие космических лучей (КЛ). Их свойства КЛ были открыты в 1912 г. Гессом. Было обнаружено увеличение степени ионизации воздуха гамма-излучением с высотой. Позже Скобельцин с помощью камеры Вильсона установил, что причиной гамма-излучения являются протоны высоких энергий. КЛ представляют собой разреженный газ, не взаимодействующий между собой, но взаимодействующий с веществом и электромагнитными полями МЗС. В результате столкновений и отклонений в магнитных полях траектория частицы выглядит как случайное блуждание, при котором она «забывает» о породившем ее источнике. КЛ имеют галактическое и солнечное происхождение. Энергия солнечных КЛ не превышает 10^9 э. В. КЛ сверхвысоких энергий (> 10^18 э. В) имеют внегалактическое происхождение. Интегральный поток КЛ на поверхность Земли составляет 1 частица/(см^2 сек). Средняя плотность энергии КЛ равна 1 э. В/см^3 и сравнима с энергией теплового движения межзвездного вещества и энергией магнитного поля Галактики.

Свойства космических лучей (продолжение) Нетепловое происхождение энергии КЛ. Энергия частиц с температурой 1 млрд. К составляет 10^5 э. В. Основная часть регистрируемых у поверхности Земли КЛ имеет энергию от 10^8 э. В и выше. КЛ приобретают энергию в астрофизических процессах. Низкие энергии: спектр имеет минимум при 3 х 10^7 э. В и максимум при 3 х 10^8 э. В. Провал в спектре связывают с наиболее эффективным рассеянием частиц на неоднородностях межпланетного магнитного поля. В спектре присутствуют сильные и частые вариации, вызванные солнечными КЛ. Высокие энергии: КЛ имеют энергетический спектр вида При энергиях, выше 10^15 э. В, спектр терпит излом, показатель степени увеличивается до 3. 1. В области сверхвысоких энергий поток частиц очень мал: на площадь 1 м^2 приходится 1 частица в год с энергией 10^16 э. В; на площадь 10 км^2 попадает 1 частица в год с энергией 10^20 э. В.

Свойства космических лучей (продолжение) Вплоть до энергий 10^15 э. В анизотропия интенсивности КЛ по направлению мала и составляет 0. 1 %. При энергиях 10^19 - 10^20 э. В анизотропия составляет более 10 %. Поток галактических КЛ практически не меняется со временем. Состав КЛ: 91% - протоны, 7% - ядра гелия, 1% - ядра тяжелых элементов, 1% - электроны, небольшое количество позитронов и антипротонов. Широтный эффект КЛ: при движении поперек линий магнитного поля поверхности Земли достигают частицы с энергиями, превышающими пороговое значение и определяемое условием ее разворота. При вертикальном падении экватора достигают протоны с энергией 10^10 э. В, на широте 50 град. – протоны с 3 х 10^9 э. В Интегральная интенсивность КЛ на экваторе ниже, чем в высоких широтах.

КЛ в атмосфере Земли Первичные КЛ в атмосфере сталкиваются с атомами кислорода и азота, порождая пи- и мю-мезоны, электроны и фотоны. До потери своей энергии протон КЛ успевает около 10 раз столкнуться с частицами атмосферы. Потеря энергии КЛ в атмосфере происходит не за счет передачи кинетической энергии при столкновениях, а за счет генерации вторичных частиц. Вторичные частицы, рожденные при первичном столкновении, сталкиваясь с частицами атмосферы, порождают новые каскады. Происходит лавинообразное размножение частиц. Каскад, образуемый частицей с 10^14 э. В, содержит 10^6 – 10^9 вторичных частиц. Каскад может расходиться на расстояния в несколько сотен метров от первичного удара. Это явление получило название широкого атмосферного ливня.

Широкий атмосферный ливень

Вариации космических лучей При достижении Солнечной системы КЛ взаимодействуют с магнитным полем гелиосферы, формируемой солнечным ветром. Влияние поля чувствуют частицы с энергиями до 10^10 э. В. Их ларморовский радиус сравним с размерами неоднородностей поля. Параметры гелиосферы изменяются в течение 11 -летнего цикла солнечной активности. В интенсивности КЛ наблюдается 11 -летняя вариация. Интегральный поток изменяется в два раза, интенсивность КЛ изменяется в противофазе с солнечной активностью. Существует 27 -дневная вариация в 10% интенсивности, связанная с вращением Солнца вокруг своей оси и вызванная несимметричным потоком неоднородностей магнитного поля в солнечном ветре. Эффект Форбуша: нерегулярное кратковременное (на несколько суток) понижение интенсивности КЛ (на 50% в межпланетном пространстве), связанное со вспышкой на Солнце. В результате выброса увеличивается напряженность магнитного поля, что приводит к дополнительному экранированию КЛ. Вариации КЛ позволяют оценить среднюю напряженность межпланетного магнитного поля и исследовать свойства солнечного ветра в плоскости, перпендикулярно эклиптики.

Происхождение космических лучей КЛ с энергиями до 10^9 э. В рождаются при вспышках на Солнце, получая ускорение в электрических полях. Частицы с энергиями от 10^9 до 10^16 -10^18 э. В имеют галактическое происхождение. Происхождение частиц сверхвысоких энергий (до 3 х 10^20 э. В) неизвестно. Возможно их внегалактическое рождение. Как получают информацию о КЛ? Первое: исследование излучения в радиодиапазоне. При движении вокруг линий магнитного поля электроны испускают синхротронное излучение. Это излучение является индикатором КЛ. Исследования радиоизлучения показывает, что КЛ практически равномерно заполняют Галактику и область гало. Второе: исследование гамма-излучения. При столкновениях протонов КЛ с частицами МЗС образуются нейтральные пи-мезоны. Распад пи-мезона сопровождается испусканием гамма-фотонов.

Происхождение галактических космических лучей Исследование гамма-диапазона показывает, что его распределение неоднородно и подобно распределению сверхновых по галактической долготе. Этот факт свидетельствует в пользу сверхновых как источника КЛ. Оценки: полная мощность КЛ оценивается как эрг/с. Энергия при вспышке одной сверхновой эрг. Одна вспышка происходит в 10 -30 лет. Мощность вспышки составляет эрг/с. Если 10% энергии вспышки трансформируется в энергию КЛ, то ее достаточно, чтобы обеспечить наблюдаемую мощность. Ограничения на энергию КЛ, рождающихся в оболочках сверхновых: Частица подвергается ускорению, пока удерживается магнитным полем в оболочке Отсюда При H=10^-3 Гс и R=1 пс W=10^6 эрг или 10^18 э. В.

Время жизни космических лучей в Галактике 1. КЛ могут поглощаться при прямых столкновениях со звездами. Объем Галактики равен 10^68 см^3. Плотность звезд 10^11/10^68=10^-57 см^-3. Радиус звезды 10^11 см. Время столкновения 10^24 сек =3 х 10^16 лет. 2. Столкновения с межзвездным газом. Его масса в Галактике Плотность газа есть M/(V m_p)=10^-2 см^-3. Время столкновения составляет 10^17 сек=3 х 10^9 лет. 3. Оценка времени потерь энергии протона на синхротронное излучения составляет 10^12 лет. 4. Столкновения с пылью. Масса пыли -1% от массы газа=10^40 г. Масса пылинки 10^-13 г. Число пылинок N=10^53 штук, их плотность n=10^53/10^68=10^-15 см^-3. Время столкновения с пылинкой радиуса 10^-5 см равно =10^13 сек. Вероятность столкновения с ядром вещества пылинки очень мала. Требуется 10^6 столкновений, чтобы частица КЛ испытала ядерное взаимодействие. T=10^11 лет.

Время жизни космических лучей в Галактике (продолжение) 5. Диффузия на неоднородностях магнитного поля. Характерный масштаб неоднородности составляет L=100 пк. Коэффициент диффузии D=c. L/3=10^30 см. Уход на длину Галактики R=4 х 10^22 см происходит за время T=R^2/D=10^15 сек=10^8 лет. Время жизни КЛ определяется минимальным из рассмотренных времен. Поэтому основной источник потерь КЛ в Галактике – диффузия на неоднородностях магнитного поля. Какая энергия необходима для подпитки КЛ в их стационарном состоянии? Плотность энергии КЛ составляет 1 э. В см^-3. При объеме Галактики 10^68 см^3 полная энергия КЛ составляет 10^56 эрг. Лучи покидают Галактику за 10^8 лет. Требуется мощность 10^48 эрг/год или 3 х 10^40 эрг/с. Она поставляется при вспышках сверхновых.

Механизмы ускорения космических лучей Основной источник ускорения – вспышки сверхновых. Механизмы ускорения КЛ: 1. Механизм Ферми. Столкновения с магнитными облаками приводят к увеличению энергии частицы КЛ при встречных столкновениях и ее уменьшению при догоняющих столкновениях. Вероятность столкновения зависит от относительной скорости облака и частицы. Поэтому чаще будут происходить встречные столкновения. Время такого ускорения оказывается больше времени жизни КЛ. 2. Ускорения на фронтах ударных волн сверхновых. Необходимое условие – наличие сильной турбулентности и неоднородностей магнитного поля. При рассеяниях на неоднородностях частица многократно попадает на фронт волны и ускоряется. 3. Механизм Ферми второго рода. Это явление квазилинейной диффузии по импульсам при столкновениях с ленгмюровскими, магнитозвуковыми и альфвеновскими волнами в турбулентной плазме. Волны выполняют роль магнитных облаков. Малая часть частиц приобретает значительную энергию.

Иллюстрация механизма ускорения Ферми

Выброс вещества из сверхновой и ускорение частиц

Механизмы ускорения космических лучей (альтернативные возможности) Ускорение в космических пинчах. Наличие магнитного поля Галактики предполагает наличие токов. Альфвен оценивал величину тока в пинчах космического масштаба до 10^19 А. В плазменных атмосферах черных дыр и нейтронных звезд могут возникать разряды огромной силы тока (в атмосфере Юпитера длина молний составляет до 1000 км). При возникновении неустойчивости типа перетяжки (z-пинч) шнур обрывается, плазма выдавливается наружу, часть частиц приобретает очень большую энергию. Механизм предсказывает как сопутствующее явление гамма-всплески. Ускорение в двойных системах, состоящих из нейтронных звезд. Переменное магнитное поле нейтронной звезды порождает переменное электрическое поле огромной напряженности, в котором ускоряются частицы.

Проблема КЛ сверхвысоких энергий КЛ широкого диапазона энергий имеет галактическое происхождение. Ограничение на расстояния, проходимые КЛ, обусловлено взаимодействием с реликтовыми фотонами. Ультрарелятивистские электроны рассеиваются на реликтовых фотонах и генерируют рентгеновское и гамма-излучение. Потери энергии не позволяют им дойти до Галактики даже из ближайших объектов (4 Мпк). При плотности электронной компоненты в Метагалактике, сравнимой с галактической, интенсивность такого излучения должна быть существенно выше наблюдаемой Эффект Зацепина-Грейзена. Протоны при столкновениях с реликтовыми фотонами рождают пи-мезоны. Частицы с энергиями выше 10^19 э. В теряет энергию на расстояниях в десятки Мпк. Поэтому они могут приходить лишь из ближайших галактик. Частицы таких энергий практически не отклоняются магнитными полями. Однако их угловое распределение относительно однородно. Значит, они рождаются в удаленных источниках. Но дойти до Галактики они не в состоянии из-за потерь энергии. Возможное объяснение: компонента КЛ сверхвысоких энергий представляет собой нейтрино, которое при таких энергиях обладает способностью к сильному взаимодействию, но не взаимодействует с реликтовыми фотонами. Ливни, вызываемые КЛ сверхвысоких энергий, распространяются в атмосфере Земли в виде достаточно плоского веера.

Плазменные эффекты космических лучей В работе Гинзбурга и др. (A & Sp Sci. , 21, 13 (1973)) предсказаны коллективные эффекты при распространении КЛ: при степени анизотропии 10^-3 для лучей с энергией 10^11 э. В за время 10^5 лет развивается потоковая (пучковая) неустойчивость. Эффективное ускорение КЛ на фронтах ударных волн от сверхновых невозможно без развития потоковых неустойчивостей КЛ в предвестниках ударной волны. Это создает структуру поля с необходимым размером неоднородностей. В работе Паркера (Ap. J, 401, 137 (1992)) показано, что под действием КЛ над галактическим диском возникают магнитные петли и арки, необходимые для динамо-генерации магнитного поля Галактики. КЛ высоких энергий обеспечивают смешение и диссипацию в сильном среднем магнитном поле Галактики. Равновесное распределение МЗС над галактической плоскостью подвержено паркеровской неустойчивости. В ее развитии существенен вклад давления КЛ. Гипотеза о галактическом ветре. Потоковая неустойчивость КЛ, выходящих из Галактики вдоль спирального магнитного поля, приводит к генерации МГД-турбулентности. Турбулентность приводит к переносу частиц. Течение на расстоянии 20 кпк становится сверхзвуковым, а на расстоянии 300 кпк образуется ударная волна при его взаимодействии с межгалактическим газом. Космические лучи приводят к специфическим механизмам генерации МГД волн через взаимодействие с тепловой компонентой посредством флуктуирующих ЭМ полей, в частности, вблизи фронтов от сверхновых. Это приводит к усилению магнитного поля и влияет на темп ускорения КЛ (Топтыгин, УФН, 177, 149 (2007)).