Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 186
Текст из файла (страница 186)
Космические лучи Турбулентное движение газа Магнитное поле Полное излучение звезд Таким образом, в пределах нашей звездной системы Галактики полная энергия всех космических лучей сравнима с энергией звездного излучения, энергией теплового и турбулентного движения межзвездного газа, а также с энергией магнитного поля Галактики. По теореме вириала (см. 3 100) средняя кинетическая энергия движения межзвездного газа равна половине его потенциальной энергии, взятой со знаком минус. Поэтому в динамике Вселенной, помимо сил тяготения, газового и светового давления, должны приниматься во внимание и сравнимые с ними силы, обусловленные движением частиц космических лучей и создаваемых ими магнитных полей. 10.
Подавляющая часть первичных космических лучей приходит к Земле из окружающего галактического пространства. Но неболыпая часть космических лучей, преимущественно низких энергий (й ( 1 ГэВ), приходит к Земле и от Солнца. Энергетический спектр солнечных космических лучей круто падает в области высоких энергий, так что они вносят заметный вклад только в первичные космические лучи низких энергий.
Средний по времени поток энергии солнечных космических лучей у поверхности Земли составляет около 3,5 10 ~ эргДс см ), что в 20 рвз меньше потока энергии всех космических лучей 7 10 в эрг/(с смз). Однако во время кратковременных вспышек на Солнце поток солнечных космических лучей может превысить его среднее значение в тысячи раз. Например, 23 февраля 1956 г. на поверхности Солнца произошла сильная хромосферная вспышка, зарегистрированная на Земле.
Спустя несколько минут скорость счета детекторов космических лучей на специальных станциях, расположенных в различных местах Земли, стала быстро возрастать. В течение 15 — 20 мин скорость счета достигла максимума, затем начала спадать, а через несколько часов снизилась до нормального уровня. Возрастание скорости счета было зарегистрировано не только в высоких широтах, но и вблизи экватора. На этом основании можно заключить, что в пришедших солнечных космических лучах должны содержаться хотя бы в относительно небольшом количестве частицы с энергиями больше 10 — 20 ГэВ, чтобы преодолеть вблизи экватора отталкивающее действие земного магнитного поля.
В последующие годы — примерно раз в год — наблюдалось еще несколько подобных явлений, хотя и менее крупного масштаба. ~ 1"л. ХН Нвпото~ ые вопросы астрогГгивипи 728 Солнечные космические лучи сравнительно легко отделить от галактических, так как они появляются эпизодически во время сильных хромосферных всггьгпгек на Солнце. От галактических они отличаются еще составом — в них практически нет ядер легких атомов Ы, Ве, В, а также ядер тяжелых элементов.
В целом химический состав солнечных космических лучей близок к составу атмосферы Солнца. Солнечная активность проявляется также в вариации интенсивности и галактических космических лучей, приходящих на Землю. В результате «магнитных бурь» на Земле, связанных с солнечной активностью, меняется земное магнитное поле, а с ним и интенсивность космических лучей, наблюдаемых на Земле. Это явление наблюдается не только в полярных, но и в экваториальных областях Земли. Например, в период максимальной солнечной активности в 1957 — 1958 гг. интенсивность космических лучей с энергиями, превышающими 1 ГэВ, была почти втрое меньше, чем в последующий период минимума активности в 1964-1965 гг.
11. Затронем вопрос о происхождении космических лучей, хотя он и очень далек от окончательного решения. Солнце испускает частицы с энергиями в сотни мегаэлектронвольг. Во время солнечных вспышек в межпланетное пространство выбрасываются большие массы ионизованных газов и порождаются, хотя и в малых количествах, частицы с энергиями 10 — 20 ГзВ. Нельзя ли предположить, что в результате каких-то еще не известных процессов возникают в нужном количестве и частицы более высоких энергий, наблюдаемые в космических лучах7 От такой гипотезы следует отказаться. Основным возражением против нее является постоянство интенсивности и изотропия направлений космических лучей в любое время дня и ночи.
Главную долю наблюдаемых космических лучей составляют частицы с энергией порядка 10 ГэВ. Если бы такие частицы возникали на Солнце, то они должны были бы приходить на Землю по направлению от него и, следовательно, наблюдались бы только днем, а не ночью. Тем более это заключение относится к частицам больших энергий. Возьмем для примера протон с энергией 10гв эВ.
Магнитная жесткость НГг, вычисленная по формуле (103.1), для такого протона составит 3 10г~ Гс. см. Магнитное поле в межпланетном пространстве — порядка нескольких единиц на 10 в Гс. Возьмем ориентировочно 3 10 в Гс. Тогда радиус кривизны траектории протона будет порядка 10' смг что примерно в 6500 раз больше радиуса земной орбиты. Напряженность земного магнитного поля равна 0,5 Гс. В нем радиус кривизны меньше 6 10г~ см, но и эта величина все же в 10000 раз больше радиуса Земли. Можно предположить, что источниками космических лучей являются звезды. Однако такие источники не могли бы создать необходимую энергию космических лучей в Галактике, если бы они были обыкновенными нормальными звездами.
Действительно, объем Галактики 10вт смз, средняя плотность энергии космических лучей в Галактике 1,6 10 гз эрг/смгг, а полная энергия космических лучей в ней 10св эрг. 1 1ОЗ) Космические лучи 729 Мощность излучения солнечных космических лучей 10эл эрг/с. Если предположитеч что со времени образования Солнца (5 . 10э лет) оно излучало космические лучи равномерно, а это излучение целиком удерживалось магнитными полями в Галактике, то энергия солнечных космических лучей в объеме Галактики составляла бы 1Оло эрг. Если бы все звезды Галактики в среднем излучали энергию космических лучей так же, как Солнце, то полная энергия космических лучей в Галактике бьгла бы равна 10м эрг, что в 10000 раз меньше требуемой.
Поэтому естественно предположить, что основная масса космических лучей возникает при взрывах сверхновых. При взрыве сверхновой освобождается энергия, сравнимая с собственной энергией Солнца: Л1шсг 2 10эз (Д 10~о)з = 18 10вз эрг. Известная часть этой энергии уносится космическими лучами. Взрывы сверхновых, по-видимому, в состоянии обеспечить необходимую плотность энергии космических лучей в Галактике. Считается маловероятным, что основная часть космических лучей имеег метагалактическое происхождение, т.е. приходит в Солнечную систему от удаленных галактик, лежащих за пределами нашей !'алактики. Космические лучи «блуждаюти в Галактике, отклоняясь галактическими магнитными полями. Их движение в Галактике имеет характер диффузии. За время существования Вселенной (10ю лет) за пределы Галактики продиффундирует или может вступить в нее извне лишь сравнительно небольшая часть космических частиц.
Это могут сделать только частицы очень высоких энергий, которые почти не отклоняются галактическими магнитными полями. Но таких частиц в Галактике и за ее пределами относительно мало. Для космических частиц, энергии которых заполняют практически весь энергетический спектр, указанные эффекты не играют существенной роли. Подавляющая часть света (за исключением света от Солнца, планет и их спутников) приходит к Земле от звезд нашей Галактики. На долю Метагалактики приходится лишь незначительная часть.
По-видимому, это справедливо и для космических лучей. Если это так, то космические лучи, приходящие на Землю, в основном должны возникать в пределах нашей Галактики. Если даже справедлива гипотеза, что источниками космических лучей являются сверхновые нашей Галактики, то еще остается открытым вопрос о механизме ускорения заряженных частиц до тех громадных энергий, которые характерны для космических лучей. Вопрос этот не может считаться решенным. Одна из гипотез была предложена Ферми, который предположил, что при взрывах сверхновых образуются протяженные намагниченные облака плазмы.
Не только плазма в облаках совершает сложное турбулентное движение, но и сами облака движутся с громадными скоростями. Заряженные частицы могут сталкиваться с такими облаками и отражаться от них. Гели частица движется навстречу облаку, то при отражении ее энергия увеличивается; если она движется в ту же сторону, что и облако, то энергия уменьшается. При Некоторые вопросы астро4ивики 730 хаотическом движении облаков преобладают встречные столкновения, так что в среднем происходит увеличение кинетической энергии частиц. 12.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
