Что такое космические лучи?
Кроме электромагнитного излучения и гравитационных волн, на Землю каждую секунду прилетает множество космических частиц. Их называют космическими лучами. Северное сияние, охота на которое в последние годы стала настоящим трендом — тоже частицы, прилетевшие из космоса, а именно от Солнца.
Однако ученым интересно изучать те лучи, которые достигают планеты из-за пределов Солнечной системы.
Любое вещество состоит из протонов, электронов и нейтронов. Нейтрон — весьма нестабильная частица, поэтому в тех космических лучах, которые проделали долгий путь, нейтронов нет: они распадаются по дороге к Земле. Остаются только протоны и электроны. Однако кроме единичных электронов и протонов в потоках космических лучей могут быть и позитроны (античастицы электронов), и антипротоны. Таким образом, на Землю из космоса постоянно прилетают:
- протоны;
- электроны;
- позитроны;
- антипротоны;
- ядра элементов.
Как ученые открыли космические лучи
Ученые далеко не сразу поняли, что является источником это излучения, земная кора или космос. Чтобы ответить на этот вопрос, была проведена серия экспериментов.
Первый эксперимент провел австрийский и американский физик Виктор Гесс, получивший за открытие космических лучей Нобелевскую премию в 1936 году. Его идея была проста: сесть в гондолу воздушного шара и лететь вверх, периодически замеряя количество загадочных частиц. Если их будет становиться все больше, значит, эти частицы прилетают из космоса.
Второй эксперимент менее известен и был проведен немного позже, в Италии. Его идея такова: чтобы понять, является ли источником загадочных частиц земная кор, необходимо от нее удалиться на некое расстояние и также замерить количество частиц. При этом необязательно лететь вверх, достаточно сесть в лодку и уплыть на ней как можно дальше от берега. Чем глубже больше будет толща воды, тем дальше земная кора.
В результате серии таких экспериментов ученые пришли к выводу, что поток частиц не изменяется, как бы глубоко ни находилось дно. Значит, чем бы ни являлись эти частицы, их точно излучает не земная кора.
Откуда у космических частиц столько энергии?
Этот вопрос в науке оказался вторым по степени важности. Особенно в первой половине XX века, когда люди еще не умели строить мощных ускорителей, а эксперименты проводить хотелось. Проблема в том, что «вручную» ускорить частицы до таких высоких значений крайне трудно: их энергия в сотни миллионов раз больше, чем энергия частиц в Большом адронном коллайдере.
К примеру, самые сильные космические лучи обладают такой же энергией, как теннисный мяч при подаче профессионального теннисиста. Для микрочастицы это очень много. Этой энергии вполне хватает, чтобы выводить из строя приборы на земной орбите.
Но откуда берется эта огромная энергия в космосе, долго оставалось загадкой. Ученым было ясно одно: эти загадочные космические «ускорители» находится точно не в нашей Галактике.
Галактика Млечный Путь, как и все прочие, обладает магнитным полем. Частицы космических лучей это поле «чувствуют», а значит, двигаются в нем по искривленным траекториям. Насколько магнитное поле может искривить траекторию частицы, зависит от ее энергии: чем выше энергия частицы, тем труднее заставить ее отклониться от изначального пути. Поэтому частицы относительно небольшой энергии легко «запутываются» в галактическом магнитном поле и накапливаются там, долго не покидают Галактику. А частицы самой высокой энергии улетают быстро, фактически не замечая магнитного поля.
Откуда прилетают космические лучи?
Казалось бы, задача простая: зарегистрировать вспышку в небе — свидетельство о прилете космической частицы, — посмотреть на нее через телескоп и понять, что является ее источником. Но оказалось, что это далеко не так просто.
Преодолевая миллиарды световых лет, даже частицы очень высокой энергии оказываются чувствительными к влиянию магнитных полей различных космических объектов и потому немного сбиваются со своей траектории. Поэтому нельзя узнать точно, откуда они прилетают.
Впрочем, ученые нашли способ решить эту задачу: они стали наблюдать за другими частицами — нейтрино. Их особенность заключается в том, что они совсем не чувствительны к влиянию магнитного поля. И вполне вероятно, что нейтрино рождаются в тех же местах, где и ускоряются космические лучи сверхвысокой энергии.
Нейтрино высоких энергий регистрируют с помощью детекторов:
- IceCube — на антарктической станции Амундсен-Скотт,
- Байкальского нейтринного детектора (Baikal-GVD) — на дне озера Байкал,
- ANTARES — в Средиземном море.
Нейтринные детекторы регистрируют довольно большое количество частиц высоких энергий. Это помогло обнаружить интересные совпадения, когда астрономы видели вспышку в гамма-диапазоне и избыток нейтрино высокой энергии на установке IceCube — и это происходило одновременно. Это значит, что можно почти наверняка утверждать, что источник гамма-излучения является одновременно и источником нейтрино высоких энергий. Не исключено, что такие объекты и ускоряют космические лучи высоких энергий. Кстати, одна из гипотез: эти «ускорители» могут быть активными ядрами галактик.
Каждая галактика имеет в центре черную дыру. Эта черная дыра притягивает вещество. Вещество, попадая в черную дыру, часто образует диск вокруг. Лишнее вещество из внутренней части этого диска выбрасывается в виде двух струй — джетов. Теоретически они могут быть очень хорошим источником частиц высокой энергии и космических лучей.
Как космические лучи помогают изучать Солнце
Поскольку интенсивность потока космических лучей тесно связана с солнечной активностью, с их помощью ученые могут изучать Солнце на масштабе многих сотен световых лет. Для этого есть два способа:
- Космические лучи провоцируют появление новых химических элементов (например, бора и бериллия) — они образуются в результате реакции скалывания из ядер других элементов, прилетевших на Землю.
- Частицы космических лучей взаимодействуют с веществом атмосферы и рождают редкие изотопы. Эти изотопы оседают на поверхность, и ученые могут обнаруживать их во льду или в спилах деревьев.
Опасны ли космические лучи для человека?
Хоть частицы из космоса могут выводить из строя технику на орбите, для человека они не представляют особой опасности.
Человечество от космических лучей надежно защищает атмосфера Земли и Солнце. Чем выше активность Солнца, тем меньше космических лучей попадает к нам из Галактики и внегалактического пространства.
Впрочем, некоторое количество радиации из космоса попадает на Землю: космические лучи все-таки создают небольшой уровень радиоактивности. Однако даже регулярные авиаперелеты, если вы не член экипажа и не летаете ежедневно, не слишком вредят здоровью. Более того, краткосрочное радиоактивное облучение не нанесет существенный урон даже космическим туристам.
Скорее, опаснее была бы обратная история: если бы космических лучей вдруг не стало. Это привело бы к эффекту дистиллированной воды, то есть полному исчезновению естественного радиоактивного фона. Такое обстоятельство, конечно, уменьшило бы количество мутаций в нашей ДНК, но, как известно, мутации бывают не только вредными, но и полезными. В конце концов, это важная часть человеческой эволюции.