Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 96
Текст из файла (страница 96)
Андерсон, 1932 г.; мюон (р) — К.Д. Андерсон и С. Неддермейер, ! 937 гл пион (я)— С. Ф. Пауэлл, 1947 г.). Различают следуюшие типы космических лучей (рис. 1О. ! 2): 1. Галактические космические лучи — космические частицы, приходящие на Землю из нашей галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем. 2. Солнечные космические лучи — космические частицы, генерируемые Солнцем. Кроме этих двух основных типов космических лучей рассматривают также метагалактические космические лучи — космические частицы, возникшие вне нашей галактики. Их вклад в обший поток космических лучей невелик. Космические лучи, не искаженные взаимодействием с атмосферой Земли, называют лераичяыми.
Поток галактических космических лучей, бомбардируюших Землю, примерно изотропен и постоянен во времени и составляет !частица/(смз с) (до входа в земную атмосферу). Плотность энергии галактических космических лучей 1эВ/смз, что сравнимо с суммарной энергией электромагнитного излучения звезд, теплового движения межзвездного газа и галактического магнитного поля. Таким образом, космические лучи — важный компонент Галактики.
Состав космических лучей приведен на рис.! О.! 3 и в табл. 10.б. в 12. Кослги«еские лучи 1О 0.1 о и - 1О-З ю Е бь ш-л м х и 1О-л 3 м 1о-ь з л Й 1О-Я 3 зо-т ш-л 1О-л Ш 1ОЗ 1ОЗ ге 4 1ОЗ Юе Шт Кинетическая энергия (МэВ/нухлон) Рне. 10.13. Основные компоненты первичных космических лучей. Характер спектра прн Е с 3. 1О' МэВ/нухлон обусловлен отклонением заряженных частиц магнитным полем Земли По содержанию в космических лучах элементов лития, бериллия и бора, которые образуются в результате ядерных взаимодействий космических частиц с атомами межзвездной среды, можно определить то количество вещества, которое прошли космические частицы, блуждая в межзвездной среде.
Время жизни космических лучей можно оценить, исходя из соотношения 8 = к/(ро), где а — средний пробег космических частиц в веществе, о ъ с — скорость частиц, р — средняя плотность межзвездной среды в диске Галактики ( 1О 14 г/см'). так как величина х = 5-10 г/смз, то время жизнн космических лучей составляет в 1О' лет. Энергии галактических космических лучей охватывают огромный диапазон — не менее 14 порядков (10ь — 3 1Озо зВ). Их поток для частиц 486 Глава 10.
Оуклеосинтез и Вселенная Табляаа 10.б Характеристики первичных космических лучей (гелактическнх и солнечных) Солнечные космические лучи Галактические космические лучи во время солнечных вспышек может достигать ге 1Оь см ' с ' =!ем~ с' Поток 1) ядерная компонента (ге 95% протонов, 4-5% ядер гелия, < ! % более тяжелых ядер, 2) электроны (ге ! % от числа ялер), 3) позитроны (- !0% от числа электронов), 4) антипротоны (< 0,01%) 98-99% протоны, - 1,5% ядра гелия Состав Диапазон энергий 10~-3 1Он эй 101-1Ои эй с Е > 1Оэ эВ быстро уменьшается с ростом энергии. Дифференциальный энергетический спектр ядерной компоненты космических лучей в области 1Оьз — 1024 зВ описывается соотношением оЖ вЂ” =)!го Е» (10.31) ДЯ где лГа — константа, а у слабо зависит от энергии.
В спектре наблюдается излом в районе 10" — 10!" эВ. Показатель наклона спектра до излома 7 = 2,7. Для космических частиц с большей энергией спектр становится круче: 7 3. Зта ситуация видна из рис. 10.14, на котором показан дифференциальный спектр первичных космических лучей с энергией больше !Оп эВ, умноженный на Ез ~. Наблюдаемый излом в спектре при энергиях 1О" — 10м эВ может быть вызван более быстрым выходом космических лучей с Е > 1Ом-10н эВ из нашей галактики по сравнению с частицами меньших энергий. Другой причиной этого излома может быть изменение природы их источников.
Возможно также изменение ядерного состава космических лучей в области излома. При энергии частиц Л > 1О'а эВ спектр становится еше круче (Т = 3,1). Зто, по-видимому, обусловлено тем, что изменяется соотношение между космическими лучами галактического и метагалактического происхождения, причем при Е > 10!э зВ метагалактические космические лучи начинают доминировать и спектр для них вновь становится более пологим ( у 2,7). Взаимодействие метагалактических космических лучей с реликтовыми фотонами, которым они передают часть своей энергии, должно при- 487 $ 12. Космические лучи 10 иа я и 1 'ы ы л ы го ьз 1ОЫ 1О1З !с!а 1ОГ4 ГОГа зсга 1Огт заза !О!а 1оаа 1Оаз Е (эВ/нуклон) Ряс.
10.14. Дифференциальный энергетический спектр первичных космических лучей с энергией > 1Ои эВ, умноженный иа Е" водить к обрезанию спектра космических лучей прн энергии > 5 1Он эВ (Г Зацепин, В. Кузьмин и К. Грейзен). Поток частиц предельно высоких энергий действительно крайне маа. Так, на плошадь 1О км~ за год попадает в среднем не более одной частицы с энергией > 10'а эВ.
В настояшее время зарегистрировано лишь несколько событий с энергиями 10!а эВ, что можно объяснить, если предположить, что источники этих частиц удалены ст нас на расстояние не более 50 Мегапарсек. Характер спектра для электронов с энергиями >! Оэ эВ в целом также может быть описан выражением (10.31), но с ббльшим значением 7, чем лля ялерной компоненты. Галактические космические лучи, очевидно, имеют нетепловое происхождение.
Действительно, максимальные температуры ( 1Оэ К) достигаются в центре звезд. При этом энергия теплового лвижения частиц 10! эВ. В то же время частицы галактических космических лучей, достигаюших окрестности Земли, в основном имеют энергии > 10' эВ. Есть веские основания полагать, что космические лучи генерируются главным образом вспышками сверхновых. Другие источники космических лучей — пульсары, рааиогалактики, квазары. В нашей галактике взрывы сверхновых происхолят в среднем не реже одного раза в 100 лет.
Легко подсчитать, что для поддержания наблюдаемой плотности энергии космических лучей (1 эВ/см') достаточно им передавать всего несколько процентов мощности взрыва. Выбрасываемые при вспышках сверхновых протоны, более тяжелые ядра, электроны и позитроны далее ускоряются, приобретая энергетические характеристики, присущие космическим Глава 1О. Нукяеосиннгез и Вселенная лучам. В составе космических лучей, достигающих Земли, практически нет метагалактических частиц, т.е. попавших в нашу галактику извне (если не рассматривать область энергий > 3 1Оц эВ). Все наблюдаемые свойства космических лучей можно объяснить исходя из того, что они образуются, накапливаются и длительное время удерживаются в нашей галактике, медленно вытекая в межгалактическое пространство.
Если бы космические частицы двигались прямолинейно, они вышли бы за пределы Галактики через несколько тысяч лет после своего возникновения. Столь быстрая утечка привела бы к невосполнимым потерям н резкому снижению интенсивности космических лучей. В межзвездных магнитных полях с сильно запутанной конфигурацией силовых линий заряженные частицы двигаются по сложным траекториям (это движение напоминает диффузию молекул), увеличивая время своего пребывания в Галактике в тысячи раз.
Возраст частиц космических лучей оценивают в десятки миллионов лет. Космические частицы сверхвысоких энергий отклоняются галактическим магнитным полем слабо и сравнительно быстро покидают Галактику. Остановимся очень кратко на проблеме ускорения космических лучей. Частицы космических лучей двигаются в электрически нейтральной космической плазме.
В плазме могут возникать электрические поля индукционного импульсного типа. Так, индукционное (вихревое) электрическое поле появляется, как известно, при увеличении напряженности магнитного поля со временем (так называемый бетатронный эфФект). Ускорение частиц может быть также вызвано их взаимодействием с электрическим полем плазменных волн в областях с интенсивной турбулентностью плазмы. Главным же механизмом ускорения космических лучей считается механизм передачи им энергии ударными волнами в расширяющейся оболочке сверхновых. Существуют и другие механизмы ускорения частиц космических лучей. Более детальное рассмотрение показывает, что предложенные механизмы ускорения способны обеспечить рост энергии заряженных частиц, выброшенных при взрывах сверхновых, с 1Оз до 10г' эВ. Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, — солнечные космические лучи — важный компонент космического излучения, бомбардирующего Землю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
