Pământul este supus bombardamentului cosmic. Nu, nu este un citat dintr-un film de acțiune fantastic, dar realitatea - planeta noastră este în mod constant "bombardată" de fluxurile de particule încărcate din spațiu adânc
În coliziuni cu atomii de gaze din aer, particulele cosmice declanșează lanțurile de ramificații ale reacțiilor nucleare care produc o varietate de produse secundare. Un proton cu o energie de zeci și sute de TeV care intră în atmosferă dă naștere altor particule de energie înaltă care sunt împrăștiate în jurul atomilor înconjurători și determină generațiile viitoare de particule să vină la viață. Ca rezultat, producția de particule în cascadă are loc în bazinul aerian, multe dintre acestea fiind instabile și se pot deteriora rapid. Acesta este modul în care apar dușuri atmosferice cu multe particule, pe care Dmitrii Skobeltsyn le-a observat pentru prima dată la sfârșitul anilor 1920.
Compoziția "ploii"
Radiații
Potrivit NASA, razele cosmice sunt compuse din 98% din baryoni (protoni și particule alfa - nuclee de heliu). Când se ciocnesc cu nucleele de atomi de gaze din atmosferă, ele generează o mulțime de fragmente și particule încărcate și neutre, care la rândul lor se ciocnesc cu nucleele atomilor, se descompun și provoacă un "duș cosmic"
De la o picătură la dușuri
Înregistrarea ploilor abundente nu este o sarcină ușoară. Per pătrat kilometru limita superioară a atmosferei, în medie, o particulă cu o energie de 10 eV 19 scade anual, în timp ce particula cu o energie de 10 eV 20 intersectează aceeași zonă mult mai rar decât o dată un secol. Prin urmare, pentru detectarea dușurilor generate de astfel de particule, sunt construite instalații de dimensiuni gigantice. Astfel, complexul principal al Observatorului Pierre Auger constă din 1600 de cisterne cu apă ultrapură și senzori de radiație Cerenkov împrăștiați pe o suprafață de 3000 km2.
Pentru formarea dușului există două tipuri de procese: procesele hadronic și electromagnetice. Protonul primar se ciocnește cu nucleul atomic și îl rup în fragmente. Dacă energia ei nu depășește câteva sute de MeV, toate acestea se termină, dar protonii cu energii de zeci și sute de GeV produc consecințe mult mai grave. După prima coliziune, un astfel de proton continuă să se deplaseze cu mai puțină energie (aproximativ 30% din original). În timpul acestei întâlniri, de regulă, se produc pioni încărcați și neutri, dar pot apărea particule mai masive. Un pion încărcat se ciocnește cu nucleul unui alt atom, și dă naștere unor noi procese nucleare, sau nu au timp să facă acest lucru, și se dezintegrează într-un muon are același semn și neutrinii muonici (există un alt canal de degradare, dar probabilitatea sa este foarte mic). Muon, a cărui imens de standardele de vieti ale particulelor elementare măsurate în microsecunde pereche care se deplasează la aproape viteza luminii și interacționează foarte slab cu nuclee, pierde un pic de energie numai atunci când trece prin cochilii lor de electroni. Prin urmare, are șanse excelente să atingă suprafața pământului și chiar să pătrundă adânc în pământ.
În cele din urmă, muonii se degradează și aproape întotdeauna un electron sau positron (în funcție de semnul lor) și o pereche de neutrini, muon și electron. pionul neutră, care trăiește aproximativ o sută de milioane de ori mai puțin încărcat, mai probabil, cu nimic pentru a face față, și să se întoarcă în atmosferă în câteva fotoni de radiații gamma. Acestea sunt împrăștiate de atomi și produc perechi de electroni-pozitivi, iar pozitronii sunt anihilați rapid, dând naștere unor noi quanta gamma. Astfel, se declanșează o cascadă de furtună electromagnetică, care conduce la nașterea unei componente moi a radiației cosmice. În același timp, protonului primar, deși, și a dat o parte din energie, și nu a avut timp pentru a sparge pioni și alte particule instabile continuă să se ocupe de nuclee atomice, dând naștere la toate noile particule care interacționează puternic Hadron în cascadă. În cursul tuturor acestor transformări nu apar doar pioni, ci și alți hadroni, cum ar fi kaoni și hiperoni.
Atmosfera sub foc
Radiațiile cosmice afectează cu adevărat atmosfera pământului. Dacă protoni se rup pur și simplu nucleul fund, partenerii lor mai masive se pot rupe în bucăți (de exemplu, de zburat miezul de magneziu spațiu poate împărți în șase particule alfa). Două astfel de reacții merită o mențiune specială. Printre produsele secundare razele cosmice generează neutroni, o parte din ele, astfel încetinind în ciocniri cu atomii de aer care se unește cu nucleele de azot atmosferic. În acest fel, nucleele unui izotop de carbon instabil 14 C cu un timp de înjumătățire de 5730 de ani apar la o altitudine de 15 km. Combinând cu oxigenul, formează dioxid de carbon radioactiv 14 CO2. care, împreună cu dioxidul de carbon obișnuit, este absorbit de plante și participă la procesele de fotosinteză. Această circumstanță stă la baza metodei datei radiocarbonului, care este folosită pe scară largă în paleontologie și arheologie. Utilizarea de carbon-14 și mult mai lungă de viață izotop radioactiv beriliu 10 Be origine cosmică poate reconstrui chiar și istoria intensitatea de oscilație a razelor cosmice în sine la o adâncime de până la 200 000 de ani (în această linie de cercetare numit paleoastronomiey experimentale).
Atmosferice dușuri poate declanșa și electroni ultrarelativist venind din spațiu. Cu toate acestea, acestea cad din rar, deoarece densitatea acestor electroni este foarte mica. În spațiu, ele apar din abundență, dar se decelerează repede, se disipa pe fotoni și emit unde electromagnetice în timp ce trec prin câmpuri magnetice. Prin urmare, electronii cu energii de ordinul a 1000 GeV ajung pe Pământ numai din surse destul de apropiate, distanța până la care nu depășește 3000 de ani-lumină. Protonii cosmici ai energiilor înalte acoperă distanțe nemaiîntâlnite.
Densitatea energetică a radiațiilor cosmice primare în apropierea Soarelui este aproximativ egală cu 1 eV / cm 3. Energia pe care o furnizează planetei noastre este foarte stabilă și este aproximativ egală cu 100 MW. Această valoare este de două miliarde de ori mai mică decât energia razele soarelui, dar comparabilă cu energia luminoasă a stelelor incidente. Adevărat, razele cosmice, spre deosebire de stele, nu inspiră poeți - sunt invizibili.
Taina originii
Pedigree-ul aproape tuturor particulelor cosmice este stabilit destul de fiabil. În 1934, astronomii americani Fritz Zwicky și Walter Baade au presupus că sursa lor ar putea fi explozii supernova. În anii 1950, această ipoteză a fost puternic întărită și, de atunci, a fost în general acceptată.
Cu toate acestea, ea întâlnește imediat o obiecție evidentă. Este normal să presupunem că partea de leu a raselor cosmice se naște în galaxia noastră. Cu toate acestea, stelele, inclusiv supernovele, sunt concentrate în planul Ecuatorial al Calei Lactee (mai precis, în brațele spirituale situate acolo), în timp ce razele ajung pe Pământ din toate direcțiile. Faptul este că protonii și alte particule încărcate se mișcă în spațiu nu este deloc rectilinie. Căile lor sunt îndoite în mod repetat de câmpul magnetic galactic și de coliziuni cu atomi și molecule împrăștiate în spațiul interstelar. Situația este complicată de faptul că particulele de raze cosmice își creează propriile câmpuri magnetice, care se suprapun pe câmpul general al Galaxiei și își deformează structura. Deci, mișcarea particulelor de la surse către Pământ este foarte confuză, iar pentru modelarea acesteia în ultimele decenii s-au creat coduri computerizate foarte complexe.
Supranova va avea suficienta energie pentru a produce raze cosmice? Așa cum am menționat deja, densitatea energiei lor în apropierea Soarelui este de 1 eV / cm3; Densitatea medie a discului galactic poate fi mai mare, dar, probabil, nu mai mult de 2 eV / cm 3. Deoarece volumul discului 67 este de 10 cm 3. totale Razele cosmice maximă de energie este de 2 x 10 67 eV sau 10 x 55 6 erg. Durata medie de viață a particulelor rătăcitoare ale radiațiilor cosmice din galaxia noastră este estimată la 15 milioane de ani sau 5,4 × 10 14 s. Câtul dintre aceste valori egale cu 6 x 10 40 erg / s, egal cu energia medie care are fiecare secundă irosite pentru a menține o densitate stabilă a radiației cosmice. Pe de altă parte, exploda în galaxia noastră super-nouă nu mai puțin de o dată la fiecare 50 de ani, sau 1,5 × 10 9, iar fiecare explozie emite particule cu o energie medie totală de 10 până la 50 ERG. Deci fiecare a doua generație de energie este de cel puțin 6 × 10 40 ergs - cât mai mult. Indiferent cât de gravă este această estimare, funcționează pe ipoteza lui Zwicky și Baade.
Energia protonilor cosmici, care ajung în vecinătatea planetei noastre, variază de la 10 8 la 10 20 eV. Se crede că aproape toate, cu excepția particulelor foarte rare la limita superioară a acestui interval, sunt accelerate de undele de șoc care însoțesc explozii de supernove intragalactice. O astfel de explozie aruncă în spațiu substanța carcasei exterioare a stelei decedate cu viteze de până la zece procente din viteza luminii. Este mult mai mult decât viteza sunetului în mediul interstelar, ceea ce duce la apariția undelor de șoc. În acest caz, sunt generate câmpuri haotice magnetice, care forțează protonii să sară de mai multe ori între fronturile undelor de șoc și substanța mediului interstelar care nu a fost încă comprimat. La fiecare hop, protonul crește energia cinetică datorată energiei undelor de șoc.
Surfing pe supernove
Particulele încărcate sunt accelerate la raze cosmice de energie enormă a supernovei șoc val sărituri chiar substanță necomprimat gaz interstelar, la fel ca și surferul accelerează în jos de pe creasta valului
Protonii, care suferă de numărul maxim de tranziții, câștigă cea mai mare energie, dar rămân numeric în minoritate. Ca urmare, o explozie a supernovei scoate într-un cosmos nucleele de hidrogen cu energie de până la 10 12 eV, dar în cantități mult mai mici generează particule cu energii ridicate. „Acest mecanism explică bine accelerarea protonilor și nuclee compuse la o energie de ordinul din 16 octombrie eV, - spune profesorul de Astronomie și Astrofizică, Universitatea din Chicago Angela OLINTO. - Este posibil ca exploziile cele mai masive stele dezintegreze protoni dispersează, chiar înainte de 18 octombrie eV. Posibilele surse de protoni cu energii înalte în Calea Lactee nu au fost găsite încă, deci aproape sigur vin din alte galaxii ".
Exploziile de supernove sunt generate de asemenea de electroni super-rapidi cu pozitroni. Cu toate acestea, aceste particule sunt ușor inhibate și împrăștiate în mediul interstelar și, în cea mai mare parte, nu ajung pe Pământ (și anihilați și positronii). Prin urmare, fracțiunea lor în razele cosmice primare este mică, iar energiile nu sunt prea mari.
Suporturi de înregistrare pentru raze
Dar, indiferent de modul în care a avut loc protoni cu energii de sute EEV, sursele lor nu sunt atât de departe de galaxia noastră - cel puțin, nu la distanțe cosmologice. În timp ce călătoresc în spațiu, ele interacționează cu CMB cuante, densitatea care este de aproximativ 400 de fotoni la 1 cm 3. Aceste coliziuni conduc la pioni ca pozitiv încărcat și neutru. Un pion incarcat apare impreuna cu un neutron, dupa care cele doua particule se distrug - primul foarte repede, cel de-al doilea in cateva minute. pionul neutru, care se dezintegreaza mai repede, va apărea în conjuncție cu un proton a cărui energie este în mod evident inferior particulelor energetice parentale (același lucru se aplică protonilor, născuți ca urmare a cariilor neutroni). Ca rezultat, la distanțe de peste 50 de megaparseci de la sursă (160 milioane ani-lumină) nu există protoni cu energii mai mari de 50 EeV. Acest efect la mijlocul anilor 1960 a prezis profesor la Universitatea Cornell și apoi personalul Kenneth Gray LPI Georgi Zatsepin și Vadim Kuzmin.
Metrofizica Muon
Razele rasiale sunt studiate cu ajutorul detectoarelor instalate în observatoarele de sol și subterane, pe avioane, baloane și vehicule spațiale. Un astfel de observator a funcționat timp de 10 ani în adăposturi conservate de rachete la centrele de metrou Kropotkinskaya și Park Kultury din Moscova. După cum a spus la „PM“ profesor si consultant Departamentul de Fizică Irina Rakobolskaya acolo la sfârșitul anilor 1960, 144 multi-camere au fost instalate, care au inregistrat muonilor generate de nucleoni primare cu energii de până la 15 octombrie -10 16 eV. Muonilor lasă urme pe teancul de coli fețe de film cu raze X, cu o suprafață totală de 4000 m 2 plăci de plumb sandwich. Fizicienii din Moscova au obținut rezultate interesante, ceea ce a permis corectarea greșelilor făcute de omologii lor americani.
Urmați traseul
Către o nouă fizică
Cea de-a doua posibilitate constă în utilizarea celor mai energice particule cosmice ca un fel de completare la Colliderul de Large Hadron de la Geneva. Consecințele coliziunilor acestor particule cu atomii de aer depind de energia lor în sistemul de referință legat de centrul de masă al perechii "atom-particulă". Este mult mai mică decât energia lor de ordinul a sute de EeV în cadrul de referință al laboratorului, dar este încă de zece ori mai mare decât energia corespunzătoare realizabilă în experimentele de la LHC. Dacă vă înregistrați în detaliu diferitele componente ale unui duș larg, puteți obține informații despre procesele imediat după prima coliziune a particulei "părinte".
Există, de asemenea, o linie de căutare mai exotică. Unele date indică faptul că 2-3% din particulele cu energii de ordinul a 10 EeV sosesc de la lacertide, surse puternice de radiație electromagnetică în nucleele unor galaxii. Lângă Calea Lactee, pur și simplu nu există, sunt la cel puțin o sută cincizeci de megaparsec departe de noi. Cu toate acestea, punctul este că nici unul dintre particulele neutre cunoscute nu poate zbura o astfel de distanță. Protonii și nucleele atomice sunt capabili de acest lucru, cu toate acestea, ei s-ar abate în câmpurile magnetice intergalactice cu unghiuri mult mai mari de la direcții către sursele lacerte asumate decât arată observațiile. Așa se pune întrebarea: există o nouă fizică aici?