Физическая энциклопедия - 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 практически все известные элем. ч-цы.

Среди первичных К. л. различают высоко-энергичные (вплоть до 1021 эВ) галактические К. л. (ГКЛ), приходящие к Земле извне Солн. системы; и солнечные К. л. (СКЛ) умеренных энергий (?1010 эВ), связанные с активностью Солнца. Существование К. л. было установлено в 1912 австр. физиком В. Ф. Гессом по производимой ими ионизации воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение; отклонение их в магн.

поле (амер. физик Р. Э. Милликен, 1923; Д. В. Скобельцын, 1927; С. Н. Вернов, 1935) доказало, что К. л. представляют собой поток заряж. ч-ц. В 30-40-х гг. проводились интенсивные исследования вторичной компоненты К. л. с помощью камеры Вильсона, газоразрядных счётчиков, яд. фотоэмульсий. С 50-х гг.

центр тяжести науч. исследований постепенно перемещается в сторону изучения первичных К. л. В 80-е гг. регистрация разл. компонент К. л. в широком диапазоне энергий проводится наземной мировой сетью станций (на уровне моря, в горах, шахтах), в стратосфере, на ИСЗ, на межпланетных автоматич. станциях. В исследовании К. л. чётко выделяются два осн.

аспекта космофизический и ядерно-физический. В первом занимаются изучением природы К. л., их происхождения, состава, энергетич. спектров, временных вариаций, связи разл. явлений в К. л. с хар-ками среды, в к-рой происходит их движение; исследуются возможные источники К. л., механизмы ускорения ч-ц и т. п. Во втором направлении изучаются вз-ствия К.

л. высоких энергий с в-вом, генерация элем. ч-ц в атмосфере и их св-ва. Этот аспект тесно примыкает к физике ч-ц высоких энергий. Именно детальное изучение зарядов и масс ч-ц вторичных К. л. привело к открытию таких элем. ч-ц, как позитрон, мюоны, pи К-мезоны, L-гиперон. К. л. ещё долго будут оставаться уникальным источником ч-ц сверхвысоких энергий, т. к. в самых больших совр. ускорителях макс. достигнутая энергия пока ещё =1014 эВ. Энергетический спектр. Большое значение для определения источника К. л. имеет тщательное измерение их спектров. В интервале энергий от 1010 до 1015 эВ (рис. ) интегр. спектр всех ч-ц ГКЛ описывается степенной ф-цией ?-g с пост. показателем степени g»1,7 (? полная энергия). Как видно из этого выражения и рис., интенсивность тем больше, чем меньше энергия ч-цы.

Однако при энергиях ? Энергетич. спектр косм. лучей: а дифф. спектр протонов и ос-частиц умеренных энергий; б, в интегр. спектры всех ч-ц в области высокой и сверхвысокой энергий. Точки данные наблюдений. Состав ГКЛ. Поток К. л. у Земли равен =1 частице (см2•с). Более 90% ч-ц первичных К. л. всех энергий составляют протоны, 7% a-частицы и лишь небольшая доля (1%) приходится на ядра более тяжёлых элементов.

Такой состав прибл. соответствует ср. распространённости элементов во Вселенной с двумя существ. отклонениями: в К. л. значительно больше лёгких (Li, Be, В) и тяжёлых ядер с Z?20. Согласно совр. представлениям, «обогащение» К. л. тяжёлыми ядрами явл. следствием более эффективного их ускорения в источнике по сравнению с лёгкими ядрами.

А большое кол-во ядер Li, Be, В по сравнению со ср. распространённостью связано с расщеплением тяжёлых ядер при столкновениях с ядрами атомов межзвёздной среды. Из наблюдаемого кол-ва ядер лёгкой группы и изотопного состава ядер Be получены оценки расстояния, проходимого К. л. в межзвёздной среде (=3 г/см2), и времени жизни К. л. в Галактике (=3•107 лет).

В составе К. л. имеются также эл-ны (1%), обнаружение к-рых (1961) в необходимом кол-ве экспериментально подтвердило гипотезу о синхротронной природе косм. радиоизлучения. Благодаря этому появилась возможность исследовать К. л. не только вблизи Земли, но и в удалённых областях Галактики с помощью радиоастр. методов. Радиоастр. данные показали, что К.

л. более или менее равномерно заполняют всю Галактику. С помощью энергетич. спектра можно вычислить поток и плотность энергии К. л. в пр-ве. Плотность энергии ГКЛ составляет прибл. 10-12 эрг/см3=0,6 эВ/см3, что сравнимо по порядку величины с плотностью всех др. видов энергии: гравитац., магн., кинетич. энергии движения межзвёздного газа. Для решения вопроса об источнике К. л. привлекаются данные астрофизики и радиоастрономии. Как показывают оценки, наблюдаемую величину плотности энергии К. л. могут обеспечить вспышки сверхновых звёзд, к-рые происходят в нашей Галактике не реже одного раза в сто лет, и образующиеся при этом пульсары. Отсюда можно предполагать, что К. л. имеют галактическое (а не метагалактическое) происхождение. Ускорение ч-ц до сверхвысоких энергий может происходить при столкновении с движущимися нерегулярными и неоднородными межзвёздными магн. полями. Хим. состав К. л. формируется при прохождении ими межзвёздной среды. За счёт длит. диффузии в Галактике в межзвёздных магн. полях происходит перемешивание К. л. от разл. источников и достигается наблюдаемая изотропия (=0,1%) косм. излучения. Вариации К. л. Геомагнитные эффекты.

Проникая в Солн. систему, ГКЛ вступают во вз-ствие с межпланетным магн. полем, к-рое формируется намагнич. плазмой, движущейся радиально от Солнца (солнечный ветер). В Солн. системе устанавливается равновесие между конвективным потоком К. л., выносимым солнечным ветром наружу, и потоком, направленным внутрь системы. Влияние межпланетного поля «чувствуют» ч-цы сравнительно небольших энергий (? 1014 эВ, содержат 106 109 ч-ц; они наз.

широкими атм. ливнями (ШАЛ). С помощью ШАЛ проводится исследование К. л. в области сверхвысоких энергий. Солнечные К. л., в отличие от первичных ГКЛ, наблюдаются эпизодически после нек-рых хромосферных вспышек. Частота появления СКЛ коррелирует с уровнем солн. активности: в годы максимума солн. активности регистрируется =10 событий в год с энергией ч-ц ??107 эВ, а в годы минимума одно или не бывает вовсе. В СКЛ наблюдаются ч-цы с более низкими (по сравнению с ГКЛ) энергиями; энергии протонов обычно ограничиваются долями ГэВ, иногда достигают неск. ГэВ. Интенсивность СКЛ падает с уменьшением энергии ч-ц резче, чем интенсивность ГКЛ, причём показатель степени интегр.

спектра изменяется от события к событию в пределах от 2 до 7. Верх. предел энергии СКЛ точно не установлен. Ниж. граница регистрируемых ч-ц СКЛ составляет десятки кэВ. В большинстве случаев состав СКЛ в интервале ?=(1-3) •107 эВ/нуклон соответствует распространённости элементов на Солнце. Часто наблюдаются вариации в 2-3 раза относит.

содержания ядер Не и Fe. Из данных по составу «легких» ядер, как и в случае ГКЛ, получена оценка толщи в-ва, проходимого СКЛ в атмосфере Солнца, составляющая ?0,2 г/см2. Это показывает, что ускорение ч-ц во время солн. вспышки происходит не в глубине солн. атмосферы, а в верхних её слоях короне или верх. хромосфере. В интервале ? .