Космические составляющие и излучения

Межпланетное пространство далеко не пустое. Оно содержит электромагнитное излучение (фотоны), горячую плазму (электроны, протоны и другие ионы) - солнечный ветер, космические лучи, микроскопические частицы пыли и магнитные поля (прежде всего Солнца). В то время как излучение Солнца очевидно, другие компоненты межпланетной среды не были обнаружены до недавнего времени. Температура межпланетной среды составляет приблизительно 100 000

K, ее плотность - примерно 5 частиц на кубический см в пределах Земли и уменьшается обратно пропорцианально квадрату расстояния от Солнца. Необходимо отметить, что плотность межпланетной среды - переменная величина, она может доходить и до 100 частиц на кубический см. За исключением пространств в непосредственной близости к некоторым из планет, межпланетный космос заполнен магнитным полем

Солнца. Взаимодействия с солнечным ветром очень сложны. Некоторые планеты (например, Земля, Юпитер) имеют свои собственные магнитные поля. Они создают меньшие магнитосферы, которые доминируют над влиянием Солнца в пределах границ этих планет. Магнитосфера Юпитера очень большая, она простирается более чем на миллион км во всех направлениях от него.

Магнитосфера Земли намного меньше и простирается только на несколько тысяч км, но она защищает нас от очень опасных воздействий солнечного ветра. Cолнечный ветер оказывает непосредственное воздействие на поверхность немагнитных тел, таких, как Луна. Cамые высоко-энергетические частичы межпланетной среды называются космическими лучами. Некоторые из них имеют солнечное происхождение, но наиболее энергетические приходят из внешнего космоса. Взаимодействие солнечного ветра, магнитного поля

Земли и верхних слоев атмосферы Земли вызывает полярные сияния. Другие планеты со значительными магнитными полями (например, Юпитер) также имеют подобные эффекты Метеорные тела - мелкие тела, движущиеся в межпланетном пространстве, размеры которых не превышают нескольких десятков метров в поперечнике. Мельчайшие из М.т. (космическая пыль) очень многочисленны, поэтому земная атмосфера играет роль "

панциря", защищающего Землю от космической пыли: мельчайшие из М.т. в основном задерживаются в верхних слоях атмосферы на высоте от 80 от 200 км. Масса М.т. редко превышает несколько граммов, хотя встречаются тела с массой, составляющей даже миллионы тонн. Некоторые из М.т вторгающихся в земную атмосферу, порождают явление метеоров (для этого скорость частицы, влетающей в атмосферу должна быть более 20 км/с).

Чем больше масса М.т тем на большую глубину в атмосферу Земли оно может проникнуть - вплоть до выпадения в виде осколков на поверхность. . Если же в атмосферу влетает кусок побольше, например размером с кулак, и притом не с самой большой скоростью атмосфера может сработать как тормоз и погасить космическую скорость, прежде чем кусок полностью сгорит. Тогда его остаток упадёт на поверхность Земли.

Это и есть метеорит. Падение метеорита сопровождается полётом по небу огненного шара и громоподобными звуками, сам светящийся шар часто назвают болидом. Такие явления мало кому доводилось наблюдать. Классификация туманностей. Газовые туманности. Огромные межзвездные облака из светящихся разреженных газов получили название газовых диффузных туманностей. Одна из самых известных - туманность в созвездии

Ориона, которая видна даже невооруженным глазом около средней из трех звездочек, образующих "меч" Ориона. Газы, ее образующие, светятся холодным светом, переизлучая свет соседних горячих звезд. В состав газовых диффузных туманностей входят главным образом водород, кислород, гелий и азот. Такие газовые или диффузные туманности служат колыбелью для молодых звезд, которые рождаются так же, как некогда родилась наша Солнечная система. Процесс звездообразования непрерывен, и звезды продолжают

возникать и сегодня. В межзвездном пространстве наблюдаются также диффузные пылевые туманности. Эти облака состоят из мельчайших твердых пылинок. Если вблизи пылевой туманности окажется яркая звезда, то ее свет рассеивается этой туманностью и пылевая туманность становится непосредственно наблюдаемой (рис. 1). Газовые и пылевые туманности могут вообще поглощать свет звезд, лежащих за ними, поэтому на снимках

неба они часто видны как черные зияющие провалы на фоне Млечного Пути. Такие туманности называют темными. На небе южного полушария есть одна очень большая темная туманность, которую мореплаватели прозвали Угольным мешком. Между газовыми и пылевыми туманностями нет четкой границы, поэтому часто они наблюдаются совместно как газопылевые туманности. Диффузные туманности являются лишь уплотнениями в той крайне разреженной

межзвездной материи, которая получила название межзвездного газа. Межзвездный газ обнаруживается лишь при наблюдениях спектров далеких звезд, вызывая в них дополнительные линии поглощения. Ведь на большом протяжении даже такой разреженный газ может поглощать излучение звезд. Возникновение и бурное развитие радиоастрономии позволили обнаружить этот невидимый газ по тем радиоволнам, которые он излучает. Огромные темные облака межзвездного газа состоят в основном из водорода, который

даже при низких температурах излучает радиоволны на длине 21 см. Эти радиоволны беспрепятственно проходят сквозь газ и пыль. Именно радиоастрономия помогла нам в исследовании формы Млечного Пути. Сегодня мы знаем, что газ и пыль, перемешанная с большими скоплениями звезд, образуют спираль, ветви которой, выходя из центра Галактики, обвивают ее середину, создавая нечто похожее на

каракатицу с длинными щупальцами, попавшую в водоворот. В настоящее время огромное количество вещества в нашей Галактике находится в виде газопылевых туманностей. Межзвездная диффузная материя сконцентрирована сравнительно тонким слоем в экваториальной плоскости нашей звездной системы. Облака межзвездного газа и пыли загораживают от нас центр

Галактики. Из-за облаков космической пыли десятки тысяч рассеянных звездных скоплений остаются для нас невидимыми. Мелкая космическая пыль не только ослабляет свет звезд, но и искажает их спектральный состав. Дело в том, что когда световое излучение проходит через космическую пыль, то оно не только ослабляется, но и меняет цвет. Поглощение света космической пылью зависит от длины волны, поэтому из всего оптического спектра звезды сильнее поглощаются синие лучи и слабее - фотоны, соответствующие красному цвету.

Этот эффект приводит к явлению покраснения света звезд, прошедших через межзвездную среду. Туманности, излучающие свет Межзвездные облака в основном состоят из водорода. В глубинах космоса они слишком холодны, чтобы светиться. Но иногда водородное облако окружает горячую звезду. И тогда туманность предстает перед нами в виде облака раскаленного газа.

Звезда разогревает водород до тех пор, пока он не начинает светиться розоватым светом. В Большом Магеллановом облаке находится огромная самосветящаяся туманность, излучающая розовый свет. Туманности, поглощающие свет. Межзвездное облако может оказаться чересчур холодным для того, чтобы излучать свет. И даже наоборот: холодное облако может поглощать свет ярких объектов (например, звезд), находящихся за ним. В этом случае мы видим его как темный силуэт на светлом фоне. "

Угольный мешок", темное пятно в южной части Млечного Пути - это видимая невооруженным глазом туманность, поглощающая свет. Туманности, отражающие свет. Иногда холодное облако в космическом пространстве может оказаться видимым из-за того, что пыль, из которой оно состоит, отражает свет ближайших звезд. Пыль образует ажурную отражающую туманность вокруг самых ярких звезд скопления под названием

Плеяды. Туманности, отражающие свет, на фотографиях выглядят голубыми. Характеристики и виды излучений. Несомненно. вопросы защиты от ионизирующих излучений (радиационная безопасность) превращаются в одну из важнейших проблем. Радиация (от латинского radiatio - излучение) характеризуется лучистой энергией. Ионизирующим излучением (ИИ) называют потоки частиц и электромагнитных квантов, образующихся при ядерных

превращениях, т.е. в результате радиоактивного распада. Чаще всего встречаются такие разновидности ионизирующих излучений, как рентгеновское и гамма-излучения, потоки альфа-частиц, электронов, нейтронов и протонов. Ионизирующее излучение прямо или косвенно вызывает ионизацию среды, т.е. образование заряженных атомов или молекул - ионов. Альфа-частицы Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра атомов

гелия. Эти частицы испускаются при радиоактивном распаде некоторых элементов с большим атомным номером, в основном это трансурановые элементы с атомными номерами более 92. Альфа-частицы распространяются в средах прямолинейно со скоростью около 20 тыс. км/с, создавая на своём пути ионизацию большой плотности. Альфа-частицы, обладая большой массой, быстро теряют свою энергию и поэтому имеют незначительный пробег: в воздухе - 20-110 мм, в биологических тканях -

30-150 мм, в алюминии - 10-69 мм. Бета-частицы Бета-частицы - это поток электронов или позитронов, обладающий большей проникающей и меньшей ионизирующей пособностью, чем альфа-частицы. Они возникают в ядрах атомов при радиоактивном распаде и сразу же излучаются оттуда со скоростью, близкой к скорости света. При средних энергиях пробег бета-частиц в воздухе составляет несколько метров, в воде - 1-2 см, в тканях человека - около 1 см, в металлах -

1 мм. Рентгеновское излучение Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное излучение высокой частоты и с короткой длиной волны, возникающее при бомбардировке вещества потоком электронов. Важнейшим свойством рентгеновского излучения является его большая проникающая способность. Гамма-излучение Гамма-излучение относится к электромагнитному излучению и представляет собой поток квантов энергии, распространяющихся со скоростью света.

Они обладают более короткими длинами волн, чем рентгеновское излучение. Гамма-излучение свободно проходит через тело человека и другие материалы без заметного ослабления и может создавать вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходит. Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника. Нейтронное излучение Нейтронное излучение - это поток нейтральных частиц.

Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана и плутония. Вследствие того, что нейтроны не имеют электрического заряда, нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. В зависимости от кинетической энергии нейтроны условно делятся на быстрые, сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение возникает при работе ускорителей заряженных частиц и реакторов, образующих мощные

потоки быстрых и тепловых нейтронов. Отличительной особенностью нейтронного излучения является способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, что резко повышает опасность нейтронного облучения. Виды космического излучения. До 40-х годов нашего столетия почти все сведения о небесных телах были получены с помощью оптического метода исследования. Дело в том, что атмосфера Земли пропускает только электромагнитные волны длиной от 0,3 мкм до нескольких

микрометров и еще радиоволны от нескольких сантиметров до десятков метров, Для остальной части шкалы электромагнитных волн атмосфера непрозрачна, Между тем во Вселенной излучаются электромагнитные волны всех диапазонов - от радиоволн до гамма-излучения. Космическое радиоизлучение впервые было обнаружено в 30-х годах при изучении грозовых помех, В 40-х-50-х годах начались поиски и изучение источников космического радиоизлучения,

Для этой цели использовали радиолокаторы, затем начали строить радиотелескопы с огромными чашеобразными антеннами и чувствительными приемниками излучения· Быстрое развитие радиоастрономии привело к целому ряду важнейших открытий, Было обнаружено, что нейтральный холодный водород, который составляет основную массу межзвездного газа и в оптическом диапазоне невидим, испускает монохроматическое радиоизлучение с длиной волны 21 см,

Это помогло изучить распределение водорода в нашей звездной системе - Галактике, включая даже далекие области, закрытые пылевыми облаками, которые, однако, для радиоволн прозрачны. Далее были открыты галактики, мощность радиоизлучения которых в миллионы раз больше, чем у нашей галактики (их назвали радиогалактиками)· Оказалось, что такое мощное радиоизлучение имеет нетепловую природу, Оно вызвано гигантскими взрывами, при которых выбрасываются огромные массы вещества, в миллионы

раз большие массы Солнца. Выброшенные при взрыве быстро летящие заряженные частицы в межзвездном магнитном поле движутся по криволинейным траекториям, т. е. с ускорением. Ускоренное же движение заряда сопровождается излучением электромагнитных волн. Это нетепловое излучение называют магнитотормозным или синхротронным (оно наблюдается в синхротронах-ускорителях заряженных частиц). Изучение синхротронного излучения дает ценные сведения о движении потоков

космических частиц и о межзвездных магнитных полях, Обычно излучаются радиоволны, но если частицы движутся с очень большими скоростями или в достаточно сильном магнитном поле, то они испускают видимое, ультрафиолетовое и даже рентгеновское излучение. Для регистрации космического излучения, от инфракрасного до рентгеновского, очень широко используется фотографический метод. Кроме того, в качестве приемников излучения применяются термопары, термосопротивления,

а также фотоэлектрические устройства, принцип действия которых рассматривается в следующей главе. Как отмечалось выше, атмосфера сильно поглощает коротковолновое излучение, До поверхности Земли доходит только ближнее ультрафиолетовое излучение, да и то сильно ослабленное· Поэтому коротковолновое космическое излучение можно изучать только с помощью ракет и спутников, Такие исследования позволили изучить ультрафиолетовую область спектра

Солнца, а также исследовать очень горячие звезды с температурой до 30 000 К, сильно излучающие в ультрафиолетовой области. Поскольку температура солнечной короны составляет около 10" К то в соответствии с законами теплового излучения корона должна быть источником рентгеновского излучения. Первые же опыты с помощью ракет подтвердили это, Оказалось, что рентгеновское излучение Солнца непостоянно. При хромосферных вспышках наблюдаются всплески рентгеновского излучения.

Это объясняется тем, что выброшенные при вспышке быстро летящие электроны испускают рентгеновское излучение при столкновении с другими частицами солнечной атмосферы, а также при торможении в сильном магнитном поле активных областей (синхротронное излучение), Заметим, что рентгеновское излучение Солнца - важнейший источник ионизации верхнего слоя атмосферы Земли - ионосферы, С помощью космических аппаратов было обнаружено рентгеновское излучение различных

далеких объектов (ядер галактик, нейтронных звезд и др. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ Исследования которые сейчас можно с удобствами производить в космосе, доказывают, что на нашу Землю непрерывно падает поток ядерных частиц, движущихся со скоростями, практически равными скорости света, Их энергия лежит в пределах 10^8-10^20 эВ· Энергия порядка 10^20 эВ превосходит на восемь порядков энер-гпи, которые можно создать в самых мощных

ускорителях! В основном первичные космические лучи состоят из протонов (около 90%); кроме протонов в них присутствуют и более тяжелые ядра· Разумеется, сталкиваясь с другими молекулами, атомами, ядрами, кос-мические лучи способны создать элементарные частицы всех типов, Но астрофизиков интересует первичное излучение· Как создаются потоки частиц, обладающих такой энергией? Где лежат источники этих частиц? Достаточно давно было доказано, что не

Солнце является основным источником космического излучения· Но если так, то ответственность за создание космических лучей нельзя переложить и на другие звезды, поскольку в принципе они ничем не отличаются от Солнца· Кто же виноват? В нашей Галактике существует Крабовидная туманность, которая образовалась в результате взрыва звезды в 1054 г, (не надо забывать что ученые следят за звездным небом не одну тысячу лет),

Опыт показывает, что она является источником радиоволн и источником космических частиц· Это совпадение дает разгадку огромной энергии космических протонов· Достаточно допустить, что электромагнитное поле, образовавшееся в результате взрыва звезды, играет роль синхротрона, и тогда огромная энергия, которая набирается частицей, путешествующей по спирали вокруг линий магнитной индукции на протяжении тысяч световых лет, может достигнуть тех фантастических цифр,

которые мы привели· Расчеты показывают, что, пролетев расстояние, равное поперечнику нашей Галактики, космическая частица не может набрать энергии больше чем 10" эВ· Видимо, частицы с максимальной энергией приходят к нам из других галактик, Разумеется, нет никакой необходимости полагать, что только взрывы звезд приводят к появлению космических частиц, Любые звездные источники радиоволн могут быть одновременно источниками космических лучей·

Существование космических лучей было обнаружено еще в начале нашего века· Установив электроскопы на воздушном шаре, исследователь замечал, что разрядка электроскопа на больших высотах идет значительно быстрее, чем если этот старинный прибор, оказавший физикам немало услуг, помещен на уровне моря· Стало ясным, что всегда происходящий спад листочков электроскопа не является следствием несовершенства прибора, а есть результат действия каких-то внешних факторов·

В 20-х годах физики уже понимали, что ионизация воздуха, которая снимала заряд с электроскопа, несомненно внеземного происхождения· Милликен первый уверенно высказал такое предположение и дал явлению его современное название: космическое излучение· В 1927 г, советский ученый Д. В. Скобельцын первый получил фотографию следов космических лучей в ионизационной камере· Обычными способами, которые мы описывали ранее, была определена энергия космических частиц.

Она оказалась огромной· Изучая природу космических лучей, физики сделали ряд замечательных открытий· В частности, существование позитрона было доказано именно этим путём· Такие же точно и мезоны - частицы с массой, промежуточный между массами протона и электрона, были впервые обнаружены в космических лучах· Исследования космических лучей продолжают оставаться одним из увлекательных занятий физиков. Незавершенность астрофизики делает трудным ее изложение в одной главе не большой книги,

цель которой - ввести читателя в круг основных фактов и идей физической науки. Я выбрал из физических проблем, касающихся вселенной, лишь несколько вопросов, которые казались мне наиболее интересными. Если в воздухе нет ионов, то заряженный электроскоп должен сохранять свой заряд неопределенно долгое время· Однако опыт показывает, что электроскоп постепенно разряжается· Вначале это явление объясняли ионизирующим действием ра-диоактивного излучения

Земли, Если это так, то по мере удаления от поверхности Земли ионизирующее воздух излучение должно ослабевать. Еще в 1912 г· с помощью воздушных шаров было установлено, что интенсивность ионизирующего излучения возрастает с увеличением высоты, Следовательно, это излучение возникает не на Земле, а где-то в мировом пространстве. Поэтому его стали называть космическим излучением, или космическими

лучами. Изучение космических лучей в высокогорных областях показало, что они состоят из пионов, протонов, нейтронов и других частиц, среди которых были обнаружены и многие неизвестные ранее частицы. Эти частицы были названы вторичными, так как выяснилось, что они образуются в верхних слоях атмосферы при взаимодействии первичных космических частиц, летящих из мирового пространства, с ядрами атомов атмосферы, Исследования показали, что интенсивность космических лучей вблизи магнитных полюсов

Земли примерно в 1,5 раза больше, чем на экваторе, Изучение отклоняющего действия магнитного поля Земли на первичное космическое излучение показало, что оно состоит из положительно заряженных частиц. Много ценных сведений о пер-вичном космическом излучении получено с помощью искусственных спутников и космических кораблей, В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких

энергий, летящих в самых различных направлениях в космическом пространстве. Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1 см^2 за 1 с, Оно состоит в основном из протонов (~91 %) и а-частиц (6,6%); небольшая часть приходится на ядра других элементов (менее 1%) и электроны (~1,5%). Среднее значение энергии космических частиц - около 10^4

МэВ, а энергия отдельных частиц достигает чрезвычайно высоких значений – 10^12 МэВ и более. Где возникают космические частицы и как они ускоряются до таких огромных энергий, еще точно неизвестно. Предполагают, что они выбрасываются при взрывах новых и сверхновых звезд и ускоряются при взаимодействии с неоднородными магнитными полями в межзвездном пространстве. Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном

из протонов и а-частиц, имеют небольшую энергию, но высокую интенсивность, что приходится учитывать при планировании космических полётов. Вторичные частицы также обладают очень высокой энергией и ири столкновении с ядрами вызывают дальнейшее размножение частиц, След ударившей в ядро частицы невидим (по-видимому, это нейтрон). Ядро распалось на 17 частиц, разлетевшихся в разные стороны·

В результате лавинообразного размножения частиц в верхних слоях атмосферы образуется каскадный ядерный ливень, На рис, 2 изображен искусственный каскадный ливень, полученный в камере Вильсона, перегороженной свинцовыми пластинами, Частица высокой энергии, проходя через слой свинца, создает ливень частиц, которые при прохождении следующих слоев свинца создают новые ливни, Ядерный ливень в атмосфере затухает, когда энергия частиц снижается до нескольких десятков мегаэлектронвольт.

Остаток энергии протоны тратят на ионизацию воздуха; нейтроны поглощаются ядрами, вызывая различные ядерные реакции, а пионы, составляющие основную часть ливневых частиц, распадаются. Образующиеся в большом количестве фотоны и электроны сильно поглощаются атмосферой. Каждый нейтральный пион очень быстро превращается в два фотона высокой энергии· При распаде заряженных пионов образуются новые частицы - u-мезоны, или мюоны, которые были открыты

К· Андерсоном в 1935 г, при изучении космических лучей, задолго до открытия пионов, Масса мюона в 207 раз больше массы электрона, т.е, составляет около 3/4 массы пиона, Существуют мюоны только двух видов - положительно и отрицательно заряженные; они обозначаются u+ и u При распаде л+-мезонов образуются u+-мезоны, а при распаде л-мезонов u-мезоны. Оказывается, что, в отличие от пионов, мюоны не участвуют в ядерных взаимодействиях и расходуют энергию

только на ионизацию. Поэтому они обладают высокой проникающей способностью и составляют так называемую жесткую компоненту космического излучения· Мюоны пролетают сквозь атмосферу, и их обнаруживают даже на значительной глубине под поверхностью Земли. Мюоны нестабильны, они существуют всего несколько микросекунд и распадаются на другие частицы. На уровне моря космическое излучение имеет примерно в сто раз меньшую интенсивность, чем на границе атмосферы, и состоит в основном из мюонов.

Остальную часть составляют электроны и фотоны и незначительное количество ливневых частиц. Из первичного космического излучения только отдельные частицы, с исключительно высокой энергией (более 10^7 МэВ), пробиваются сквозь атмосферу. В космических лучах мюоны, как и пионы, летят со скоростями, близкими к скорости света, и поэтому благодаря релятивистскому замедлению времени успевают до своего распада пролететь большие расстояния.