Что такое космические лучи
Космические лучи
Cosmic rays
 Рис. 1. Галактические и солнечные космические лучи. |
Кроме этих двух основных типов космических лучей рассматривают также метагалактические космические лучи — космические частицы, возникшие вне нашей галактики. Их вклад в общий поток космических лучей невелик.
Космические лучи, не искаженные взаимодействием с атмосферой Земли, называют первичными. Поток галактических космических лучей, бомбардирующих Землю, примерно изотропен и постоянен во времени и составляет
1 частица/см 2. с (до входа в земную атмосферу). Плотность энергии галактических космических лучей
Солнечные
космические лучи
На рис.2 слева показаны энергетические спектры главных компонент первичных космических лучей. На рис 2 справа показаны вертикальные потоки главных компонент космических лучей с энергией > 1 ГэВ в атмосфере Земли. Кроме протонов и электронов все частицы возникли в результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атмосферы.
 |  |
50% своей энергии, а в результате взаимодействия возникают в основном пионы. Каждое последующее взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые адроны, которые летят примущественно по направлению первичной частицы, образуя адронный кор ливня.
Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами атмосферы, а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную компоненты ливня. Адронная компонента до поверхности Земли практически не доходит, превращаясь в мюоны, нейтрино и γ-кванты в результате распадов.
100 м, мюонная − нескольких сотен метров.
Поток космических лучей на уровне моря (
Новое исследование поможет раскрыть природу космических лучей
Основываясь на данных нейтринной обсерватории IceCube на Южном полюсе, ученые сообщили о некотором прогрессе в понимании старой тайны о том, как и где рождаются космические лучи. Зачем это нам нужно? Понимание вопроса поможет найти способ, как оградить астронавтов и электронику от космической радиации максимально эффективно.
Что такое космический луч?
Термин «космический луч» является неправильным. По правде говоря, это не лучи, а заряженные частицы, в основном высокоэнергетические протоны и атомные ядра, которые путешествуют сквозь межзвездное пространство с огромной скоростью.
Мы пока не знаем, как ускоряются космические лучи по мере прохождения сквозь космос, а также очень мало знаем о том, где они рождаются. Поскольку эти частицы заряжены, их траектория изменяется множество раз под воздействием межзвездных магнитных полей, которые частицы встречают на своем пути, что весьма усложняет задачу определения изначального местоположения частиц.
Космические лучи считаются самыми высокоэнергетическими частицами во Вселенной. Некоторые из них достигают энергии 300 ЭэВ, что в сорок миллионов раз выше энергии, при которой частицы сталкиваются на Большом адронном коллайдере и примерно равно кинетической энергии теннисного мяча, летящего на скорости 115 км/ч.
Зачем нам космические лучи?
Вы можете утверждать, что деньги, выделяемые на строительство сверхмощных новых телескопов, тратятся впустую, потому что знания, которые нам дает их работа, бесполезны для нас по существу, но в случае космических лучей вы бы очень ошиблись. Космические лучи — это уже забота о космической и электронной промышленности сегодняшнего дня, и этому влиянию суждено стать еще более серьезным в течение нескольких десятилетий — именно поэтому любой прогресс в этой области принимается с распростертыми объятиями.
Магнитное поле земли защищает нас от подавляющего большинства космических частиц, но за пределами нашего маленького пузыря угроза космического излучения становится очень реальной. Частицы крайне опасны, потому что их невероятно высокой энергии достаточно, чтобы разбить молекулы ДНК и испортить электронику.
Благодаря недавним экспериментам, мы знаем, что неэкранированные люди в космосе получат в 2,4 больше облучения за год, чем мы на Земле — от 400 до 900 мЗв. Радиация более 4 зивертов уже крайне опасна и потенциально летальна, а значит, если короткая поездка на каком-нибудь SpaceShipTwo будет относительно безопасна, долговременный полет на Марс вероятно погубит всю команду или потребует надежных способов экранирования.
Что касается электроники, высокоэнергетические космические лучи способны изменять биты внутри интегральных схем и вызывать кратковременные ошибки. Исследования IBM еще 90-х годов предполагают, что космические лучи вызывает одну ошибку на 256 Мб оперативной памяти в месяц и проблема будет только усугубляться, поскольку электроника становится все меньше и меньше. В 2008 году Intel запатентовала детектор космических лучей, которым могут быть оснащены процессоры следующего поколения.
Что мы узнали?
Поток космических лучей, которые достигают поверхности Земли, может быть проанализирован и классифицирован для выяснения того, как именно он ускорился, и эта информация может помочь нам строить эффективные защитные механизмы.
Когда рождаются высокоэнергетические космические лучи, это событие сопровождается рождением потока нейтрино также сверхвысоких энергий. Нейтрино не имеют заряда и практически невесомы, а также редко взаимодействуют с другим веществом. Что приводит к тому, что они движутся по прямой линии, и вполне можно отследить их источник.
«В редких случаях, когда нейтрино взаимодействуют с материей, они производят заряженные частицы», — рассказал физик Университета штата Делавэр Бахтияр Рузыбаев, автор исследования. — «И когда заряженные частицы проходят через прозрачную среду на скорости быстрее скорости света (в этой среде), они испускают свет. Большинство детекторов нейтрино построены так, чтобы уловить этот свет».
Используя нейтринные детекторы, ученые наблюдают за связью между энергией космических лучей и их потоком (то есть за тем, как часто они падают в определенной зоне). Частицы, которые рождаются в Млечном Пути, как правило, обладают меньшей энергией, но падают чаще, в то время как высокоэнергетические частицы летят издалека и зафиксировать их гораздо труднее, поскольку они ускорялись в течение более длительного времени, прежде чем достигли, наконец, Земли.
Недавние открытия, сделанные учеными Делавэрского университета показывают, что ситуация еще сложнее, чем выглядит. Энергия спектра космических лучей не соответствует простому закону мощности между коленом в 4 ПэВ (петаэлектровольт) и лодыжкой в 4 ЭэВ (эксаэлектронвольт), как предполагалось ранее, а 20 ПэВ и 130 ПэВ соответственно.
Отношение между потоком и энергией оказалось куда более сложным, чем предполагалось.
«Эти измерения приводят к новым ограничениям, которым должны удовлетворять любые модели, которые пытаются объяснить ускорение и распространение космических лучей», — объяснил Рузыбаев.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Самая быстрая из известных звезд Млечного Пути находится на пути прочь из галактики, и последнее исследование показывает, что галактического пинка с ускорени…
Ровно 100 лет назад наша концепция Вселенной сильно отличалась от сегодняшней. Люди знали о звездах в Млечном Пути и знали о расстояниях до них, но что за ни…
Человек всегда стремился найти во Вселенной кого-то, кто смог бы разделить его экзистенциальное одиночество. Несмотря на то, что современные телескопы способ…
Космические лучи
Полезное
Смотреть что такое «Космические лучи» в других словарях:
КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ — поток стабильных частиц высоких энергий (приблизительно от 1 до 1012 ГэВ), приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное этими частицами при взаимодействиях с атомными ядрами атмосферы вторичное излучение,… … Большой Энциклопедический словарь
КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ — поток элем. ч ц высокой энергии, преим. протонов, приходящих на Землю прибл. изотропно со всех направлений косм. пр ва, а также рождённое ими в атмосфере Земли в результате вз ствия с ат. ядрами воздуха вторичное излучение, в к ром встречаются… … Физическая энциклопедия
КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ — КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ, потоки заряженных частиц высокой энергии (до 1020 эВ), приходящих к Земле из космического пространства. Открыты австрийским физиком В. Гессом в 1912. По месту происхождения (ускорения) космические лучи разделяют на… … Современная энциклопедия
Космические лучи — КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ, потоки заряженных частиц высокой энергии (до 1020 эВ), приходящих к Земле из космического пространства. Открыты австрийским физиком В. Гессом в 1912. По месту происхождения (ускорения) космические лучи разделяют на… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
космические лучи — Высокоэнергичные ядра атомов и элементарные частицы космического происхождения. [ГОСТ 25645.103 84] [ГОСТ 25645.104 84] Тематики лучи космическиеусловия физические косм. пространства EN cosmic rays … Справочник технического переводчика
Космические лучи (КЛ) — По ГОСТ 25645.103 84 Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
космические лучи — Поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из мирового пространства, и продуктов их взаимодействия с атмосферными газами. Syn.: космическое излучение … Словарь по географии
КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ — потоки элементарных и фундаментальных частиц высоких энергий, приходящие из космического пространства на Землю и состоящие главным образом из протонов, электронов и атомных ядер различных химических веществ. Эти первичные К. л. практически не… … Большая политехническая энциклопедия
Космические лучи — Дифференциальный энергетический спектр космических лучей носит степенной характер (в дважды логарифмическом масштабе наклонная пря … Википедия
космические лучи — поток стабильных частиц высоких энергий (приблизительно от 1 до 1012 ГэВ), приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рождённое этими частицами при взаимодействиях с атомными ядрами атмосферы вторичное излучение,… … Энциклопедический словарь
Космические лучи
Косми́ческие лучи́ — элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве.
Содержание
Основные сведения
Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц.
Физика космических лучей изучает:
Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшими экспериментальными задачами.
Классификация по происхождению космических лучей:
Первичными принято называть внегалактические и галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц, проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.
Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.
До развития ускорительной техники космические лучи служили единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в космических лучах.
Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: L, M, H, VH (соответственно, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые). Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа. Данное явление объясняется тем, что частицы КЛ под воздействием галактического магнитного поля хаотически блуждают в пространстве около 7 млн лет, прежде чем достигнуть Земли. За это время ядра группы VH могут неупруго провзаимодействовать с протонами межзвёздного газа и расколоться на более легкие фракции. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии.
История физики космических лучей
Впервые указание на возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения было получено в начале XX века в опытах по изучению проводимости газов. Обнаруженный спонтанный электрический ток в газе не удавалось объяснить ионизацией, возникающей от естественной радиоактивности Земли. Наблюдаемое излучение оказалось настолько проникающим, что в ионизационных камерах, экранированных толстыми слоями свинца, все равно наблюдался остаточный ток. В 1911—1912 годах был проведен ряд экспериментов с ионизационными камерами на воздушных шарах. Гесс обнаружил, что излучение растет с высотой, в то время как ионизация, вызванная радиоактивностью Земли, должна была бы падать с высотой. В опытах Кольхерстера было доказано, что это излучение направлено сверху вниз.
В 1921—1925 годах американский физик Милликен, изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами. В 1925 году советские физики Л. А. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления — открыли «барометрический эффект». Опыты Д. В. Скобельцына с камерой Вильсона, помещенной в постоянное магнитное поле, дали возможность «увидеть», за счет ионизации, следы (треки) космических частиц. Д. В. Скобельцын открыл ливни космических частиц. Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий.
В 1932 году Андерсон открыл в космических лучах позитрон. В 1937 году Андерсоном и Неддермейером были открыты мюоны и указан тип их распада. В 1947 году открыли π-мезоны. В 1955 году в космических лучах установили наличие К-мезонов, а также и тяжелых нейтральных частиц — гиперонов. Квантовая характеристика «странность» появилась в опытах с космическими лучами. Эксперименты в космических лучах поставили вопрос о сохранении четности, обнаружили процессы множественной генерации частиц в нуклонных взаимодействиях, позволили определить величину эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии. Появление космических ракет и спутников привело к новым открытиям — обнаружению радиационных поясов Земли (1958 г., (С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков) [3] и, независимо от них в том же году, Ван Аллен), и позволило создать новые методы исследования галактического и межгалактического пространств.
Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве
В околоземном космическом пространстве (ОКП) различают несколько типов космических лучей. К стационарным принято относить галактические космические лучи (ГКЛ), частицы альбедо и радиационный пояс. К нестационарным — солнечные космические лучи (СКЛ).
Галактические космические лучи (ГКЛ)
Галактические космические лучи (ГКЛ) состоят из ядер различных химических элементов с кинетической энергией Е более нескольких десятков МэВ/нуклон, а также электронов и позитронов с Е>10 МэВ. Эти частицы приходят в межпланетное пространство из межзвёздной среды. Источником этих частиц являются сверхновые звезды нашей Галактики. Возможно, однако, что в области Е Вторичные частицы в магнитосфере Земли: радиационный пояс, частицы альбедо
Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше критической. Те же частицы с энергией E Солнечные космические лучи
Солнечными космическими лучами (СКЛ) называются энергичные заряженные частицы — электроны, протоны и ядра, — инжектированные Солнцем в межпланетное пространство. Энергия СКЛ простирается от нескольких кэВ до нескольких ГэВ. В нижней части этого диапазона СКЛ граничат с протонами высокоскоростных потоков солнечного ветра. Частицы СКЛ появляются вследствие солнечных вспышек.
Космические лучи ультравысоких энергий
Регистрация космических лучей
Долгое время после открытия космических лучей, методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях, чаще всего — газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии, поднимаемые в стратосферу, или в космическое пространство. Но данный метод не позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.
Современные обсерватории работают на других принципах. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых 100 г/см², рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые в свою очередь рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение, регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.
Значение для космических полётов
Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей — учёные из России и США уже ищут способы решения этой проблемы.
Космические лучи. Что это такое?
Они абсолютно невидимы. Их очень много. Они смертельно опасны. Это — космические лучи.
Каждый кубический сантиметр пространства пропитан космическими лучами. Это крошечные субатомные частицы, постоянно текущие через нас. Космические лучи в основном состоят из протонов. Но иногда включают и более тяжелые атомные ядра. Они движутся почти со скоростью света. Один из обнаруженных космических лучей (известный как «частица OMG (Oh-My-God)» из-за своей чрезвычайной энергии), врезался в атмосферу нашей планеты в 1991 году. Он прибыл к нам со скоростью 99,99999999999999999999951% от скорости света.
Но несмотря на свое название, космические лучи — это вовсе не лучи. Да как же так! (Возможно скажете Вы😁). Все дело в том, что в 1911 году, когда ученый Виктор Гесс отправил первые детекторы космических лучей на высоту 5300 метров в атмосферу, он не смог отличить обнаруженные частицы от электромагнитного излучения. (Кстати. Гесс впоследствии, несмотря на эту ошибку, получил за эту работу Нобелевскую премию). Но на момент открытия природа явления была не очень важна. Главное — это были лучи сверхвысокой энергии, приходящие из космоса! И несмотря на то, что более поздние эксперименты раскрыли истину, название прижилось.
Откуда берутся космические лучи?
Звездные слияния тоже могут генерировать подобную энергию. Рождение новых звезд, поглощение их черными дырами, неистовые аккреционные диски вокруг массивных черных дыр — все эти события и объекты испускают космические лучи различной энергии, которые разлетаются по всему космосу.
Однако точно определить, откуда берутся космические лучи, — непростая задача. Ведь они являются заряженными частицами. И реагируют на магнитные поля. Наша Галактика Млечный Путь имеет слабое (но глобальное) магнитное поле, которое изменяет траекторию любых космических лучей, приходящих их других частей Вселенной. Поэтому космические лучи из-за пределов нашей Галактики прибывают к детекторам на Земле с совершенно случайных направлений. Это лишает ученых возможности как-либо объяснить их происхождение.
У современных астрономов есть множество инструментов для поиска таких высокоэнергетических частиц. Самый простой метод — прямое обнаружение. Нужно просто построить специальный ящик и подождать, пока в него ударит космический луч. И записать результат. Такие детекторы установлены, например, на Международной космической станции. Но они весьма ограничены по размеру. И направляют свои взоры только на небольшую часть наблюдаемой Вселенной. Поэтому крупнейшие обсерватории космических лучей используют косвенные методы.
Как часто они попадают на Землю?
По данным НАСА, космические лучи постоянно попадают в атмосферу Земли. Когда это происходит, высвобождается накопленная энергия в виде потока вторичных частиц, которые затем попадают на Землю. И этот поток можно обнаружить, например, с помощью обсерватории Пьера Оже в Аргентине. Вы даже можете построить детектор космических лучей дома. Смочите войлочную подушку в изопропиловом спирте. И поместите ее над сухим льдом. Спирт будет образовывать перенасыщенный пар. Когда придет космический луч, он оставит видимый след в этом паре. Вы можете найти инструкции о том, как это сделать, на веб-сайте CERN.
С помощью самодельного детектора космических лучей Вы можете увидеть около одного низкоэнергетического (около 10 ^ 10 электронвольт) космического луча на квадратный метр в секунду. Более высокоэнергетические космические лучи, имеющие энергию порядка 10 в 15 степени эВ, поражают один квадратный метр примерно один раз в год.
Вредны ли космические лучи?
Космические лучи всех энергий опасны для людей и изделий тяжелой и легкой промышленности😁. Они могут нарушить работу электроники. И даже способны выводить из строя цифровые фотоаппараты. Как форма ионизирующего излучения они могут создать множество негативных последствий для здоровья человека.
Плотная атмосфера нашей планеты и ее мощное магнитное поле хорошо защищают людей от разрушительного воздействия космических лучей. Однако они представляют серьезную опасность для космонавтов. Шестимесячное пребывание на МКС обеспечивает космонавтам дозу космического излучения, эквивалентную той, что 25 человек получат за всю свою жизнь в обыкновенных условиях на Земле. А миссия на Марс туда и обратно, включая некоторое минимальное время пребывания на его незащищенной поверхности, утроит эту дозу.
Космические агентства в настоящее время усердно работают над определением долгосрочных неблагоприятных последствий для здоровья накопленных повреждений, наносимых космическими лучами. И пытаются разработать системы для снижения рисков. Такие, например, как проектирование специальных капсул, в которых груз действует как щит от космических лучей.
Хотя космические лучи обычно доставляют неудобства, без них эволюция жизни, возможно, была бы весьма затруднена. Поскольку они вызывают мутации, которые и предоставляют живым организмам способность эволюционировать.
