Vietos lietus

Vietos lietus

Aleksejus Levinas
"Populiariosios mechanikos" №9, 2012

Žemė yra užpultyta erdvėje … Ne, tai nėra citata iš fantastiško veiksmo kino, bet tikrovė – mūsų planetą nuolat "bombarduoja" užpildytų dalelių srautai iš gilios erdvės

Susidūrę su oro sudėtyje esančiomis dujomis atomų, kosminės dalelės sukelia branduolinių reakcijų grandines, kurios gamina daugybę antrinių produktų. Protonas, kurio energija yra dešimtys ir šimtai TeV ir išplito į atmosferą, sukelia kitų didelės energijos dalelių, kurios yra išsibarstę ant aplinkinių atomų ir sukelia kitas kartų kartos daleles. Kaip rezultatas, kaskados dalelių gimdymas vyksta oro baseine, daugelis iš kurių pasirodo esant nestabiliems ir greitai išsisklaido. Taigi, yra daug dalelių oro dušų, kurias pirmą kartą stebėjo Dmitrijus Skobelcinas 1920 m. Pabaigoje.

"Lietaus" sudėtis

Radiacinės dujos
Pasak NASA, kosminiai spinduliai yra 98% sudaro barijonai (protonai ir alfa dalelės – helio branduoliai). Kai jie susiduria su atmosferos dujų atmosferos branduoliais, jie generuoja daugybė fragmentų ir įkraunamų bei neutralių dalelių, kurios savo ruožtu susiduria su atomų branduoliais, suskaidomos ir sukelia "kosminį nutekėjimą"

Pagal NASA 2010 m. Paskelbtus duomenis, 98% kosminių užpildytų dalelių srautų sudaro barijonai ir tik 2% stabilių leptonų (elektronų ir positronų). Savo ruožtu bariono sudėtyje yra protonai (87%), alfa dalelės (12%) ir elementai, sunkesni už helio, kuriuos astronomai vadina metalais (1%). Tarp jų anglies, azoto ir deguonies užima pirmąją vietą, o po to – ličio, berilio ir boro. Šios šešios sudaro apie 90% kosminių "metalų", taigi kiti likusieji išlieka šiek tiek. Maždaug keturi penktadaliai likusių dalelių yra pateikiami elementais, kurių atominiai skaičiai yra nuo 9 iki 25, kurie yra periodinėje lentelėje tarp deguonies ir geležies. Beveik visi likučiai užfiksuoti geležį, kuri yra greta nikelio ir kobalto. Bendra elementų, sunkesnių nei kobalto, dalis yra matuojama šimtu tūkstantosiomis procentais. Tačiau jie vis dar pasitaiko – tokiu būdu pagrindiniai kosminiai spinduliai randami aukso, gyvsidabrio, platinos, švino ir net urano branduoliai. Kita vertus, trūksta trumpalaikių radioaktyviųjų elementų.

Nuo lašų iki dušų

Didėjant pirminės dalelės energijai, kritulių plotas ir bendras "lašelių" skaičius smarkiai padidėja. Protonas, kurio energija yra apie 1015 eV gamina apie milijoną antrinių dalelių, 1016 eV – iki dešimties milijonų, 1020 eV – keli milijardai. Šios skalės kaskados procesus, vadinamu plačiu oru, pirmą kartą pastebėjo 1938 m. Prancūzų fizikas Pierre'as Augeris. Jo vardas veikia nuo 2005 m., Pagrindinis tarptautinis kosminių spindulių observatorija, esanti vakarų Argentinoje.

Paprastų dušų registracija nėra lengva. Vidutiniškai viena dalelytė su energija yra 10 lašų kasmet per kvadratinį kilometrą viršutinės atmosferos ribos.19 eV, o dalelė, kurios energija yra 1020 EV kerta tą patį plotą daug rečiau nei kartą per šimtmetį. Todėl, norint aptikti tokių dalelių susidarančias dujas, jie kuria milžiniškus dydžius. Taigi pagrindinis Pierre'o Augerio observatorijos kompleksas susideda iš 1600 tankų su ultrapučiamu vandeniu ir Cherenkovo ​​spinduliuotės jutikliais, išsibarsčiusiais 3000 km plote2.

Arčiau vietos
2011 m. Įdiegtas ISS detektorius AMS (Alfa magnetinis spektrometras) kosminių spindulių tyrimo 14 mėnesių darbo, užregistruota 18 milijardų dalelių. Tai yra daugiau nei dalelių, kurias aptiko visi antžeminiai detektoriai per šimtą metų.

Dušų formavimui tenka du procesų tipai: hadonas ir elektromagnetas. Pagrindinis protonas susiduria su atominiu branduoliu ir suskaido jį į fragmentus.Jei jo energija neviršija kelių šimtų MeV, tai yra jo galas, tačiau protonai, kurių energija yra dešimtys ir šimtai GeV, sukelia daug rimtesnių pasekmių. Po pirmojo susidūrimo, toks protonas toliau mažėja energijos (apie 30% originalo). Per šį susitikimą, kaip taisyklė, gimsta įkrauta ir neutrali peonija, tačiau gali atsirasti daugiau masinių dalelių. Užstrigęs pionas susiduria su kito atomo branduoliu ir sukelia naujus branduolinius procesus, arba neturi laiko tai padaryti ir suskaidomas į tą patį ženklą ir miuono neutriną (yra ir kitas skilimo kanalas, tačiau jo tikimybė yra labai maža). Miuonas, kurio milžiniškas gyvenimo laikas matuojamas per porą mikrosekundžių elementarių dalelių standartų, judesio beveik prie šviesos greičio ir labai silpnai sąveikauja su atominiais branduoliais, prarandant šiek tiek energijos tiktai einant per jų elektroninius korpusus. Todėl jis turi puikias galimybes pasiekti žemės paviršių ir net prasiskverbti giliai į žemę.

Galų gale miuonai beveik visada suskaidomi į elektroną ar positroną (priklausomai nuo jų ženklo) ir porą neutrinų, miuono ir elektronų.Netiesioginis pionas, kuris gyvena apie šimtą milijonų kartų mažiau apmokestinamų, greičiausiai nebus susiduręs su nieku ir pavirs gama spindulių fotonų pora atmosferoje. Jie yra išsibarstę ant atomų ir gamina elektronų-positronų poras, o positronai greitai sunaikina, todėl gaunami nauji gama kvantai. Štai kaip prasideda elektromagnetinio audros kaskados, dėl to kyla minkštas kosminės spinduliuotės komponentas. Tuo pat metu pagrindinis protonas, net jei jis atsisakė dalies savo energijos, taip pat pionai ir kitos nestabilios dalelės, kurios neturėjo laiko suskaidyti, ir toliau susiduria su atominiais branduoliais, dėl to atsiranda naujų ir stipriai sąveikaujančių Hadrono kaskados dalelių. Per visas šias pertvarkas atsiranda ne tik peonijos, bet ir kiti адроны, tokie kaip kaonai ir гипероны.

Atmosfera po ugnimi

Kosminiai spinduliai iš tikrųjų turi įtakos žemės atmosferai. Jei protonai tiesiog sugenda branduolius, kuriuos jie nukentėjo, tada jų masyvesni partneriai gali pailsėti į gabalus (pavyzdžiui, magnio kosmoso branduolys gali būti padalintas į šešias alfa daleles). Reikia paminėti dvi tokias reakcijas.Antrinių produktų skaičiui kosminiai spinduliai generuoja neutronus, kai kurie iš jų labai sulėtėja susidūrimų su oro atmosferos atmosferos azoto branduoliais. Tokiu būdu nestabilaus anglies izotopo branduoliai atsiranda 15 km aukštyje. 14Pusėjimo trukmė yra 5730 metų. Kartu su deguonimi susidaro radioaktyvusis anglies dioksidas. 14Su2kuris kartu su įprastiniu anglies dvideginiu absorbuoja augalus ir dalyvauja fotosintezėje. Ši aplinkybė yra pagrįsta radionuklidų metodu, kuris plačiai naudojamas paleontologijoje ir archeologijoje. Naudojant anglies-14 ir žymiai ilgesnį Berilio radioaktyviųjų izotopų 10Būti kosminiu kilme, jūs netgi galite atstatyti patys kosminių spindulių svyravimų istoriją 200 tūkstančių metų gylyje (ši tyrimo linija vadinama eksperimentine paleoastronomija).

Atmosferos dušas taip pat gali inicijuoti iš ultraarelativistinių elektronų iš kosmoso. Tačiau jie išsisklaido retai, nes tokių elektronų tankis yra labai mažas. Kosminėje erdvėje jie yra gausūs, tačiau jie greitai slopinami, išsisklaidę ant fotonų ir spinduliuojančių elektromagnetinių bangų per magnetinius laukus.Todėl elektronai, kurių energija yra 1000 GeV, ateina į Žemę tik iš gana arti šaltinių, kurių atstumas neviršija 3000 šviesos metų. Aukštos energijos kosminiai protonai padengia neproporcingai didelius atstumus.

Pirminių kosminių spindulių energetinis tankis netoli Saulės yra maždaug 1 eV / cm3. Energijos tiekimas, kurį jie teikia mūsų planetai, yra labai stabilus ir yra maždaug lygus 100 MW. Ši vertė yra du milijardus kartų mažesnė už saulės šviesos energiją, tačiau ji yra panaši į žvaigždės spindulių energijos, krintančios Žemėje. Tiesa, kosminiai spinduliai, skirtingai nuo žvaigždžių, ne įkvepia poetus – jie nematomi.

Mystery of origin

Beveik visų kosminių dalelių genealogija nustatoma gana patikimai. 1934 m. Amerikiečiai astronomai Fritzas Zwickis ir Walter Baade pasiūlė, kad jų šaltinis galėtų būti supernovos sprogimas. 1950 m. Ši hipotezė buvo labai sustiprinta ir nuo to laiko buvo visuotinai priimta.

Nepaisant to, ji iškart susiduria su akivaizdžiu prieštaravimu. Natūralu manyti, kad mūsų galaktikoje gimsta liūto dalis kosminių spindulių. Tačiau žvaigždės, tarp jų ir supernovos,jie yra sutelkti Pusiaujo tako pusiaujo plokštumoje (tiksliau, čia esančiose spiralinėse ginklose), o spinduliai iš visų pusių ateina į Žemę. Faktas yra tas, kad protonai ir kitos įkraunamos dalelės judėti erdvėje nėra paprastos. Jų kelius pakartotinai iškraipo galaktikos magnetinis laukas ir susidūrimai su atomų ir molekulių, išsibarsčiusių tarpžvaigždinėje erdvėje. Padėtis yra sudėtinga dėl to, kad kosminių spindulių dalelės sukuria savo magnetinius laukus, kurie yra ant bendro galaktikos lauko ir iškreipia jo struktūrą. Taigi, dalelių judėjimas iš šaltinių į Žemę yra labai painus, o pastaraisiais dešimtmečiais sukurtas labai sudėtingas kompiuterinių kodų modeliavimas.

Ar supernovos turės pakankamai energijos kosminiams spinduliams gaminti? Kaip jau minėta, jų energijos tankis netoli Saulės yra 1 eV / cm3; vidutinis tankis visame galaktikos diske gali būti didesnis, bet greičiausiai jis neviršija 2 eV / cm3. Kadangi disko dydis yra 1067 žr3, bendra maksimali kosminių spindulių energija yra 2 × 1067 eV arba 6 × 1055 erg Mūsų kosminių spindulių dalelių vidutinė gyvenimo trukmė mūsų galaktikoje yra 15 Ma arba 5,4 × 1014 c. Šių kiekių koeficientas yra 6 × 1040 erg / s yra lygus vidutinei energijos kiekiai, kuri praleidžiama kas sekundę, siekiant išlaikyti stabilų kosminės spinduliuotės tankį. Kita vertus, supernovos sprogia mūsų galaktikoje bent kartą per 50 metų, arba 1,5 × 109 su, ir kiekviena sprogimo mesti daleles, kurių vidutinė bendra energija yra 1050 erg Taigi kiekviena antroji energijos generacija yra ne mažesnė kaip 6 × 1040 erg – kiek reikia. Nepriklausomai nuo to, kaip šis įvertinimas yra apytikslis, jis veikia pagal Zwicky ir Baade hipotezę.

Kosminių protonų energija, pasiekianti mūsų planetos apylinkes, svyruoja nuo 108 iki 1020 eV Manoma, kad beveik visi jie, išskyrus labai retas daleles viršutiniame šio intervalo viršutiniame krašte, pagreitina smūginės bangos, kurios lydės intragalaktinių supernovų sprogimus. Toks sprogimas į atmosferą išmeta mirusios žvaigždės išorinį apvalkalą, kurio greitis siekia iki dešimties procentų šviesos greičio. Tai yra daug daugiau nei garso greitis tarpžvaigždinėje terpėje, dėl kurio atsiranda smūgių bangos. Tuo pačiu metu generuojami chaotiški magnetiniai laukai, kurie protonus verčia pakartotinai judėti tarp smūginių bangų priekabų ir tarpslendės terpės, kuri dar nėra suspausta. Kiekviename hope protonas padidina kinetinę energiją dėl smūginės bangos energijos.

Supernova Surfing
Uždegtos kosminių spindulių dalelės paspartėjo iki milžiniškų energijos, šokinėja nuo supernovos sprogimo smūgio bangos į tarpžvaigždinės dujos vis dar nesuspaustą materiją, lygiai taip pat, kaip banglentininkas pagreitina, riedant žemyn nuo bangos kranto

Protonai, kuriems taikomas maksimalus perėjimų skaičius, gauna didžiausią energijos kiekį, bet skaičiai lieka mažumai. Dėl to daugybe supernovos sprogimo mesti vandenilio branduolius, kurių energija yra iki 1012 eV, bet daug mažesniu kiekiu generuoja daleles, turinčias didelę energiją. "Šis mechanizmas gerai aiškina protonų ir sudėtinių branduolių pagreitį iki maždaug 10 proc. Energijos16 eV ", – sako Čekagos universiteto astronomijos ir astrofizikos profesorė Angela Olinto. – Gali būti, kad labiausiai masyvių žlugdančių žvaigždžių sprogimai pagreitina protonus iki 1018 eV Galimi protonų šaltiniai, turintys didelę energiją paukščių takuose, dar nebuvo rasti, todėl jie beveik neabejotinai kilę iš kitų galaktikų. "

Supernovos sprogimai taip pat generuoja superpresius elektronus su positronais. Tačiau šios dalelės lengvai sulėtinamos ir išsklaidomos tarpžvaigždinėje terpėje ir daugeliu atvejų neturi laiko pasiekti Žemės (irpositronai taip pat sunaikina). Todėl jų dalis pirminių kosminių spindulių yra maža, o energija nėra per didelė.

Rays rekordiniai išjungikliai

Prieš pusę šimtmečio amerikiečių fizikai užregistravo plataus kosminio liūto, kurį sukūrė dalelių, kurių energija yra 100 EeV (exelectronvolt). Nuo to laiko buvo pastebėti tik dešimtys tokio masto įvykių. Vis dar neapsaugotas rekordas buvo įregistruotas 1991 m. Spalio 15 d., Kai JAV akių jutiklio "Fly" akių jutiklis atrado dalelių parašą, kurio energija siekė 320 EeV arba 51 J (kinetinė energija turi teniso kamuoliuką, skrendantį 160 km / h greičiu).

Dabar šios dalelės yra tiriamos tik trijose vietose – tai Auger observatorija, kuri veikia nuo 2007 m. Teleskopo masyvas Jutos valstijoje ir Rusijos "EAS" instaliacija Oktemtsy kaime į pietus nuo Jakutsko (vienintelis iš trijų su muonu detektoriais). Šių dalelių kilmė dar nėra žinoma; net nėra visiškai pasitikėjimo, kad visi jie yra protonai, alfa dalelės ar metalų branduoliai. Pagal dažniausiai pasitaikančią versiją jie gimę aktyviuose galaktikų branduoliuose. Tačiau yra kitų paaiškinimų, kurie susieja juos su gama spindulių spinduliais, akrecijos procesais šalia stipriai įmagnetintų neutronų žvaigždžių,juodųjų skylių sujungimas ir netgi hipotetinių didžiulių tamsiųjų dalelių dalelių žlugimas ar netgi labiau hipotetinių topologinių defektų išnykimas erdvėje, paveldėtos iš "Big Bang" eros.

Bet nesvarbu, kaip protonai rodomi su šimtų EEV energijomis, jų šaltiniai nėra labai toli nuo mūsų Galaxy, bent jau ne kosmologiniais atstumais. Jie keliauja erdvėje, sąveikauja su mikrobangų fono radiacijos kvantomis, kurių tankis yra apie 400 fotonų cm3. Šie susidūrimai veda prie pionų gimimo, tiek teigiamai įkraunamų, tiek neutralių. Užpildytas pionas kyla kartu su neutronu, po kurio abu daleliai suskaidomi – pirmasis labai greitai, antrasis minutėmis. Neutralus pionas, kuris sulėtėja greičiau, pasirodo kartu su protonu, kurio energija pastebimai prastesnė už patronuojančios dalelės energiją (tai pasakytina ir apie protonus, gimtus neutronų skilimo rezultatu). Todėl per atstumus, viršijančius 50 megapasecių nuo šaltinio (160 milijonų šviesmečių), nėra protonų, kurių energija yra didesnė nei 50 EeV. Šis poveikis 1960-ųjų viduryje buvo numatytas Kornelio universiteto profesoriaus Keneto Graiseno, o vėliau FIAN darbuotojų George'o Zatsepino ir Vadimo Kuzmino.

Muon metrofizika

Kosminiai spinduliai yra tiriami naudojant detektorius, įrengtus žemės ir požeminėse observatorijose, lėktuvuose, balionuose ir erdvėlaiviuose. Viena tokios 10 metų observatorijos veikė kupolų bombų prieglaudose Maskvos metro Kropotkinskos stotyse ir Kultūros parke. Pasak "Maskvos valstybinio universiteto fizikos fakulteto profesoriaus-konsultanto" Irina Rakobolskio, 1960-ųjų dešimtmečio pabaigoje ten buvo pastatyta 144 daugiasluoksnių kamerų, kuriose įrašyti mūgliai, kuriuos generuoja pirminiai nukleonai, kurių energija yra iki 1015-1016 eV Muons paliko pėdsakus ant dvipusio rentgeno plėvelės, kurių bendras plotas yra 4000 m, lakštų paketus2sluoksniuotos su švino plokštėmis. Maskvos fizikai gavo įdomių rezultatų, leidusių ištaisyti jų amerikiečių kolegų padarytas klaidas.

Sekite taku

Ultraarelatyvistiniai barijonai labai silpnai nukreipiami tarpgalaktiniais magnetiniais laukais, todėl jų trajektorijos apytiksliai nurodo kryptį į šaltinį. Astronomai bando gauti šį kelią į pačius šaltinius, tačiau, pasak profesoriaus Olinto, be didelių sėkmės.Siekiant palengvinti šios problemos sprendimą, būtina užregistruoti daugiau ultravioletinių energijos dalelių. Tai nukreipta į tarptautinį projektą JEM-EUSO (Japonų eksperimento modulis – Ekstremalios Visatos kosmoso observatorija), kuris apima 2016 m. unikalų plataus kampo teleskopo tarptautinės kosminės stoties Japonijos modulio įrengimą. Šis prietaisas bus stebėti ultravioletinių fotonų, kurie atsiranda atmosferos dušuose, susidarančiose dalelių, kurių energija yra dešimtys ir šimtai eV. Kadangi orbitalinis teleskopas turės platesnį matomumą nei antžeminių įrenginių, jis galės sugauti daug daugiau dalelių.

Rusijos mokslininkai jau keletą metų dalyvavo rengiant JEM-EUSO projektą. "Pagal šią programą mes sukūrėme priemones mini-palydovams" Tatiana-1 "ir" Tatiana-2 ", o kitais metais mes tikimės pradėti daug sunkesnį palydovą" Lomonosov ", – sako Maskvos valstybinio universiteto Branduolinės fizikos instituto direktorius Michailas Skobelcinas Panasyuk. – Vienas iš šių užduočių tikslų – sukurti kosminių spindulių ultravioletinių spindulių izoliavimo metodus, atsižvelgiant į bendrą ultravioletinių spindulių atmosferos fone. Tai yra labai sudėtinga užduotis ir palydovų informacija padės ją išspręsti.Mes taip pat užsiimame modeliuojant atmosferos procesus, susijusius su teleskopo veikimu, ir jo mechaninėmis sistemomis: teleskopas bus pristatytas į sulankstytą orbitą, po kurio jis bus įjungtas į darbinę būklę. Deja, iki šiol šio eksperimento likimas nėra aiškus, nes praėjusių metų rugsėjį NASA atsisakė dalyvauti projekte. Dėl to Japonija dar nėra priėmusi galutinio sprendimo dėl teleskopo paleidimo, nors šį eksperimentą aktyviai remia ir subsiduoja Europos kosmoso agentūra. "

Naujos fizikos link

Pastaraisiais metais kosminiai spinduliai vėl pateko į pagrindinės fizikos interesų sferą. "Mažos energijos dalelės neviršija 1012 eV daug, jie lengvai įrašomi antžeminiais, ore ar kosminiais įrenginiais. Tai užsiima ir 2006 m. Birželio mėn. Paleista paleidimo Rusijos "Resurs-DK1" detektorių komplekso "PAMELA" komplektas. Pagrindinė mokslinė užduotis Rusijos mokslų akademijos branduolinės fizikos instituto Sergejevas Troitskis paaiškina Populiari mechanika. – Įtaisai užfiksavo tam tikrų energijos positronų perteklių, kurį sunku paaiškinti.Yra įtarimų, kad "ekstra" positronai kyla, kai naikina tamsiosios medžiagos daleles, kurios dar nėra atrastos. Jei šie įtarimai bus patvirtinti, kosminės spinduliuotės stebėjimų metu bus galimybė gauti informaciją apie jo savybes.

Antroji galimybė yra naudoti energingesnes kosmines daleles kaip papildomą Ženevos didžiulį hadronų kolektorių. Šių dalelių susidūrimo su oro atomiais pasekmės priklauso nuo jų energijos, esančios atskaitos rėmelyje, pritvirtintoje prie atomų dalelių poros masės centro. Tai yra daug mažesnė nei jų energija, kuri yra šimtų EEV tvarka laboratorijoje, bet vis dar dešimt kartų didesnė už atitinkamą energiją, pasiekiamą atliekant eksperimentus su LHC. Jei registruosite išsamiai įvairius plačios dušo elementus, galite gauti informacijos apie procesus iškart po pirmo "tėvų" dalelių susidūrimo.

Yra labiau egzotiška paieškos linija. Kai kurie duomenys rodo, kad 2-3% dalelių, kurių energija yra 10 EeV, yra iš Lac-certidų, galingų elektromagnetinės spinduliuotės šaltinių kai kurių galaktikų branduoliuose. Jie tiesiog nėra šalia Paukščių tako, jie yra ne mažiau kaip šimtas penkiasdešimt megaparenčių nuo mūsų.Tačiau faktas yra tas, kad nė viena iš žinomų neutralių dalelių negali skristi tokiu atstumu. Kaip tai rodo stebėjimai, protonai ir atominiai branduoliai gali tai padaryti, tačiau tarpgalaktiniuose magnetiniuose laukuose jie nukryps nuo didesnių kampų nuo krypčių iki tariamų Lazertida šaltinių. Taigi kyla klausimas: ar čia yra kokia nors nauja fizika? "


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: