Земля подвергается космической бомбардировке… Нет, это не цитата из фантастического боевика, а реальность — нашу планету постоянно «обстреливают» потоки заряженных частиц из глубокого космоса.
При столкновениях с атомами газов в составе воздуха космические частицы запускают ветвящиеся цепочки ядерных реакций, которые производят множество вторичных продуктов. Влетевший в атмосферу протон с энергией в десятки и сотни ТэВ, дает начало другим высокоэнергетичным частицам, которые рассеиваются на окружающих атомах и вызывают к жизни следующие поколения частиц. В результате в воздушном бассейне происходит каскадное рождение частиц, многие из которых оказываются нестабильными и быстро распадаются. Так возникают многочастичные атмосферные ливни, которые впервые наблюдал Дмитрий Скобельцын в конце 1920-х годов.
От капли к ливням
Площадь выпадения ливня и общее количество его «капель» резко возрастают по мере роста энергии первичной частицы. Протон с энергией порядка 1015 эВ рождает около миллиона вторичных частиц, 1016 эВ — до десяти миллионов, 1020 эВ — несколько миллиардов. Каскадные процессы такого масштаба, названные широкими атмосферными ливнями, впервые наблюдал в 1938 году французский физик Пьер Оже. Его имя носит действующая с 2005 года крупная международная обсерватория космических лучей, расположенная на западе Аргентины.
Установленный в 2011 году на Международной космической станции детектор AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) для изучения космических лучей за 14 месяцев работы зарегистрировал 18 млрд. частиц. Это больше, чем число частиц, зарегистрированных всеми наземными детекторами за более чем сто лет.
Регистрация широких ливней — дело нелегкое. На квадратный километр верхней границы атмосферы в среднем ежегодно падает одна частица с энергией 1019 эВ, в то время как частица с энергией 1020 эВ пересекает такую же площадь намного реже, чем раз в столетие. Поэтому для детектирования ливней, порожденных такими частицами, строят установки великанских размеров. Так, главный комплекс Обсерватории имени Пьера Оже состоит из 1600 цистерн со сверхчистой водой и датчиками черенковского излучения, разбросанных на площади 3000 км².
За формирование ливня отвечают процессы двух типов — адронные и электромагнитные. Первичный протон сталкивается с атомным ядром и разбивает его на осколки. Если его энергия не превышает нескольких сотен МэВ, этим все и кончается, однако протоны с энергиями в десятки и сотни ГэВ вызывают уже куда более серьезные последствия. После первого столкновения такой протон продолжает движение с меньшей энергией (порядка 30% первоначальной). Входе этой встречи, как правило, рождаются заряженные и нейтральные пионы, но могут возникать и более массивные частицы. Заряженный пион либо сталкивается с ядром другого атома и дает начало новым ядерным процессам, либо не успевает этого сделать и распадается на мюон того же знака и мюонное нейтрино (есть и другой канал распада, но его вероятность очень мала). Мюон, чье огромное по меркам элементарных частиц время жизни измеряется парой микросекунд, движется почти со скоростью света и очень слабо взаимодействует с атомными ядрами, немного теряя энергию только при проходе через их электронные оболочки. Поэтому он имеет отличные шансы дойти до земной поверхности и даже проникнуть глубоко под землю.
В конце концов мюоны тоже распадаются, причем почти всегда на электрон либо позитрон (в зависимости от их знака) и пару нейтрино, мюонное и электронное. Нейтральный пион, который живет примерно в сто миллионов раз меньше заряженного, скорее всего, ни с чем не столкнется и превратится в атмосфере в пару фотонов гамма-излучения. Они рассеиваются на атомах и производят электронно-позитронные пары, причем позитроны быстро аннигилируют, давая начало новым гамма-квантам. Так запускается электромагнитный ливневый каскад, приводящий к рождению мягкой компоненты космического излучения. Одновременно первичный протон, пусть и отдавший часть энергии, а также не успевшие распасться пионы и другие нестабильные частицы продолжают сталкиваться с атомными ядрами, давая начало все новым сильно взаимодействующим частицам адронного каскада. В ходе всех этих превращений возникают не только пионы, но и другие адроны, такие как каоны и гипероны.
Атмосфера под обстрелом
Космические лучи вполне реально воздействуют на земную атмосферу. Если протоны просто разбивают попавшиеся им ядра, то их более массивные партнеры могут и сами дробиться на части (например, прилетевшее из космоса ядро магния может расколоться на шесть альфа-частиц). Две такие реакции заслуживают специального упоминания. В числе вторичных продуктов космические лучи порождают нейтроны, часть их настолько замедляется при столкновениях с атомами воздуха, что сливается с ядрами атмосферного азота. Таким путем на 15-километровой высоте возникают ядра нестабильного изотопа углерода 14С с периодом полураспада 5730 лет. Соединяясь с кислородом, он образует радиоактивный углекислый газ 14СО2, который наравне с обычной углекислотой поглощается растениями и участвует в процессах фотосинтеза. Это обстоятельство лежит в основе метода радиоуглеродной датировки, который широко применяют в палеонтологии и археологии. С помощью углерода -14 и куда более долгоживущего радиоактивного изотопа бериллия 10Be космического происхождения можно даже восстанавливать историю колебаний интенсивности самих космических лучей на глубину до 200 000 лет (это направление исследований называется экспериментальной палеоастрономией).
Состав "Дождей"
По данным, опубликованным NASA в 2010 году, потоки космических заряженных частиц на 98% состоят из барионов и только на 2% из стабильных лептонов (электронов и позитронов). Барионная компонента, в свою очередь, содержит протоны (87%), альфа-частицы (12%) и ядра элементов тяжелее гелия, которые астрономы именуют металлами (1%). Среди них первое место занимают углерод, азот и кислород, за которыми следуют литий, бериллий и бор. На эту шестерку приходится около 90% космических «металлов», так что на долю всех прочих остается совсем немного. Примерно четыре пятых оставшихся частиц представлены элементами с атомными номерами от 9 до 25, лежащими в таблице Менделеева между кислородом и железом. Почти весь остаток захватило железо, к которому примыкают никель и кобальт. Суммарная пропорция элементов тяжелее кобальта измеряется стотысячными долями процента. Но они все же встречаются — так, в первичных космических лучах обнаружены ядра золота, ртути, платины, свинца и даже урана. С другой стороны, там отсутствуют радиоактивные элементы с небольшим временем жизни.
Атмосферные ливни могут инициировать и ультрарелятивистские электроны, приходящие из космоса. Однако они выпадают нечасто, поскольку плотность таких электронов очень мала. В космосе они возникают в изобилии, однако быстро тормозятся, рассеиваясь на фотонах и излучая электромагнитные волны при прохождении через магнитные поля. Поэтому электроны с энергиями порядка 1000 ГэВ приходят к Земле только от довольно близких источников, расстояния до которых не превышают 3000 световых лет. Космические протоны высоких энергий покрывают неизмеримо большие дистанции.
Согласно данным NASA, космические лучи на 98% состоят из барионов (протонов и альфа частиц — ядер гелия). При столкновении с ядрами атомов газов в атмосфере они порождают множество осколков и заряженных и нейтральных частиц, которые в свою очередь сталкиваются с ядрами атомов, распадаются и порождают «космический ливень».
Плотность энергии первичных космических лучей в окрестности Солнца примерно равна 1 эВ/см3. Энергетическая подпитка, которую они обеспечивают нашей планете, весьма стабильна и примерно равна 100 МВт. Эта величина в два миллиарда раз меньше энергии солнечных лучей, однако сравнима с энергией падающего на Землю звездного света. Правда, космические лучи, в отличие от звезд, не вдохновляют поэтов — они невидимы.
Тайна происхождения
Родословная почти всех космических частиц установлена вполне надежно. В 1934 году американские астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде предположили, что их источником могут быть взрывы сверхновых звезд. В 1950-е годы эта гипотеза сильно укрепилась и с тех пор считается общепринятой.
Тем не менее она сразу встречает очевидное возражение. Естественно считать, что львиная доля космических лучей рождается в нашей Галактике. Однако звезды, включая сверхновые, концентрируются в экваториальной плоскости Млечного Пути (точнее, в лежащих там спиральных рукавах), в то время как лучи приходят на Землю со всех направлений. Дело в том, что протоны и другие заряженные частицы движутся в пространстве отнюдь не прямолинейно. Их пути многократно искривляются галактическим магнитным полем и столкновениями с атомами и молекулами, рассеянными в межзвездном пространстве. Ситуация осложняется тем, что частицы космических лучей создают собственные магнитные поля, которые накладываются на общее поле Галактики и деформируют его структуру. Так что движение частиц от источников к Земле очень запутано, и для его моделирования в последние десятилетия созданы весьма сложные компьютерные коды.
Мюонная метрофизика
Космические лучи изучались и изучаются с помощью детекторов, установленных в наземных и подземных обсерваториях, на самолетах, воздушных шарах и космических аппаратах. Мало кто знает, что одна такая обсерватория 10 лет действовала в законсервированных после ВОВ бомбоубежищах на станциях московского метро «Кропоткинская» и «Парк Культуры». Как рассказала «ПМ» профессор-консультант физического факультета МГУ Ирина Вячеславовна Ракобольская, там в конце 1960-х годов были смонтированы 144 многослойные камеры, которые регистрировали мюоны, порожденные первичными нуклонами с энергией вплоть до 1015-1016 эВ. Мюоны оставляли следы на стопках листов двусторонней рентгеновской пленки общей площадью 4000 квадратных метров, прослоенных свинцовыми пластинами. Московские физики получили очень интересные результаты, которые позволили исправить ошибки, допущенные их американскими коллегами.
Хватит ли у сверхновых энергии для производства космических лучей? Как уже говорилось, плотность их энергии вблизи Солнца равна 1 эВ/см3; средняя плотность по всему галактическому диску может быть больше, но скорее всего не превышает 2 эВ/см3. Поскольку объем диска равен 1067 см³, полная максимальная энергия космических лучей равна 2х1067 эВ, или 6х1055 эрг. Среднее время жизни странствующих частиц космического излучения в нашей Галактике оценивается в 15 млн лет, или 5,4х1014с. Частное от деления этих величин, равное 6х1040 эрг/с, равно средней энергии, которая ежесекундно тратится на поддержание стабильной плотности космических излучений. С другой стороны, сверхновые взрываются в нашей Галактике не реже, чем раз в 50 лет, или 1,5х109с, и каждый взрыв выбрасывает частицы со средней суммарной энергией 1050 эрг. Так что ежесекундное генерирование энергии составляет как минимум 6х1040 эрг — столько, сколько и требуется. Как ни приблизительна эта прикидка, она работает на гипотезу Цвикки и Бааде.
Энергия космических протонов, которые долетают до окрестностей нашей планеты, варьирует от 108 до 1020 эВ. Как считается, почти все они, кроме весьма редких частиц у верхней границы этого интервала, разгоняются ударными волнами, которые сопутствуют взрывам внутригалактических сверхновых. Такой взрыв выбрасывает в пространство вещество внешней оболочки гибнущей звезды со скоростями до десяти процентов скорости света. Это намного больше скорости звука в межзвездной среде, что и приводит к возникновению ударных волн. При этом рождаются хаотические магнитные поля, которые вынуждают протоны многократно перескакивать между фронтами ударных волн и еще не подвергшимся сжатию веществом меж-звездной среды. На каждом перескоке протон увеличивает кинетическую энергию за счет энергии ударной волны.
Протоны, которые претерпевают максимальное число переходов, набирают самую высокую энергию, однако численно остаются в меньшинстве. В результате взрыв сверхновой в изобилии выбрасывает в космос ядра водорода с энергией до 1012 эВ, но в куда меньших количествах генерирует частицы с большими энергиями. «Этот механизм хорошо объясняет ускорение протонов и составных ядер до энергии порядка 1016 эВ, — говорит профессор астрономии и астрофизики Чикагского университета Анжела Олинто. — Не исключено, что взрывы самых массивных коллапсирующих звезд разгоняют протоны даже до 1018 эВ. Возможные источники протонов с большими энергиями в пределах Млечного Пути пока не найдены, так что они почти наверняка приходят из других галактик».
Взрывы сверхновых порождают и сверхбыстрые электроны с позитронами. Однако эти частицы легко тормозятся и рассеиваются в межзвездной среде и по большей части не успевают дойти до Земли (а позитроны еще и аннигилируют). Поэтому их доля в первичных космических лучах мала, да и энергии не слишком велики.
Лучи-рекордсмены
Полвека назад американские физики зарегистрировали широкий космический ливень, порожденный частицей с энергией 100 ЭэВ (эксаэлектронвольт). С тех пор наблюдались лишь десятки событий таких масштабов. Все еще неперекрытый рекорд был установлен 15 октября 1991 года, когда детектор Fly’s Eye в американском штате Юта обнаружил ливневую подпись частицы с энергией 320 ЭэВ, или 51 Дж (такую кинетическую энергию имеет теннисный мяч, летящий со скоростью 160 км/ч).
Заряженные частицы космических лучей разгоняются до огромных энергий, перескакивая из ударной волны взрыва сверхновой в еще несжатое вещество меж-звездного газа, подобно тому, как серфер ускоряется, скатываясь с гребня волны.
Сейчас эти частицы изучают только в трех местах — это Обсерватория имени Оже, работающий с 2007 года комплекс Telescope Array в штате Юта и российская установка ШАЛ в поселке Октемцы к югу от Якутска (единственная из трех с мюонными детекторами). Происхождение этих частиц пока неизвестно; нет даже полной уверенности, что все они являются протонами, альфа-частицами или ядрами металлов. По самой распространенной версии, они рождаются в активных ядрах галактик. Но существуют и другие объяснения, которые их связывают с гамма-всплесками, аккреционными процессами вблизи сильно намагниченных нейтронных звезд, слиянием черных дыр и даже распадом гипотетических массивных частиц темной материи или дезинтеграцией еще более гипотетических топологических дефектов пространства, унаследованных от эпохи Большого взрыва.
Но как бы ни возникали протоны с энергиями в сотни ЭэВ, их источники находятся не так уж далеко от нашей Галактики — во всяком случае, не на космологических дистанциях. Путешествуя в космосе, они взаимодействуют с квантами микроволнового реликтового излучения, плотность которых равна примерно 400 фотонов на 1 см³. Эти столкновения приводят к рождению пионов, как положительно заряженных, так и нейтральных. Заряженный пион возникает совместно с нейтроном, после чего обе частицы распадаются — первая очень быстро, вторая через минуты. Нейтральный пион, который распадается еще быстрее, появляется вместе с протоном, чья энергия заметно уступает энергии родительской частицы (это же относится к протонам, родившимся в результате нейтронного распада). В итоге на расстояниях свыше 50 мегапарсек от источника (160 млн световых лет) не остается протонов с энергиями более 50 ЭэВ. Этот эффект в середине 1960-х годов предсказали профессор Корнеллского университета Кеннет Грейзен и тогдашние сотрудники ФИАН Георгий Зацепин и Вадим Кузьмин.
Пойти по следу
Ультрарелятивистские барионы очень слабо отклоняются межгалактическими магнитными полями, так что их траектории приблизительно указывают направление на источник. Астрономы пытаются выйти таким способом на сами источники, однако, по словам профессора Олинто, без особых успехов. Чтобы облегчить решение этой задачи, надо регистрировать побольше частиц сверхвысоких энергий. На это нацелен международный проект JEM-EUSO (Japanese Experiment Module — Extreme Universe Space Observatory), который предполагает установку в 2016 году в японском модуле Международной космической станции уникального широкоугольного телескопа. Этот аппарат будет отслеживать ультрафиолетовые фотоны, которые возникают в атмосферных ливнях, порожденных частицами с энергиями в десятки и сотни ЭэВ. Поскольку орбитальный телескоп будет иметь более широкое поле зрения, нежели наземные установки, он сможет отлавливать намного больше частиц.
В подготовке проекта JEM-EUSO уже несколько лет принимают участие и российские ученые. «В рамках этой программы мы сконструировали приборы для научных мини-спутников «Татьяна-1» и «Татьяна-2», а на будущий год надеемся запустить куда более тяжелый спутник «Ломоносов», — говорит директор НИИ ядерной физики имени Скобельцына при МГУ Михаил Панасюк. — Одна из целей этих запусков состоит в отработке методов выделения ультрафиолетовых вспышек от космических лучей на общем фоне ультрафиолетового свечения атмосферы. Это очень непростая задача, и информация со спутников поможет ее решить. Мы также занимаемся моделированием атмосферных процессов, имеющих отношение к работе телескопа, и его механическими системами: телескоп будет доставлен на орбиту в сложенном виде, после чего его приведут в рабочее состояние. К сожалению, пока что судьба этого эксперимента не ясна, поскольку в сентябре прошлого года NASA отказалось от участия в проекте. Из-за этого в Японии пока не принято окончательное решение о запуске телескопа, хотя этот эксперимент активно поддерживается и субсидируется Европейским космическим агентством».
На пути к новой физике
В последние годы космические лучи вновь вошли в сферу интересов фундаментальной физики. «Частиц низких энергий, не превышающих 1012эВ, очень много, их легко регистрируют приборы наземного, воздушного и космического базирования. Этим занимается и детекторный комплекс PAMELA, установленный на российском спутнике «Ресурс-ДК1», запущенном в июне 2006 года, — объясняет «Популярной механике» ведущий научный сотрудник Института ядерной физики РАН Сергей Троицкий. — Приборы зафиксировали избыток позитронов определенных энергий, который довольно трудно объяснить. Есть подозрения, что «лишние» позитроны возникают при аннигиляции еще не открытых частиц темной материи. Если эти подозрения подтвердятся, появятся шансы извлекать информацию о ее свойствах из наблюдений космических излучений.
Вторая возможность состоит в использовании самых энергичных космических частиц в качестве своего рода дополнения к женевскому Большому адронному коллайдеру. Последствия столкновений этих частиц с атомами воздуха зависят от их энергии в системе отсчета, привязанной к центру масс пары «атом-частица». Она куда меньше их энергий порядка сотни ЭэВ в лабораторной системе отсчета, но все же в десятки раз больше соответствующей энергии, достижимой в экспериментах на БАК. Если детально зарегистрировать разные компоненты широкого ливня, можно получить информацию о процессах, непосредственно следующих за первым столкновением «родительской» частицы.
Есть и более экзотическая линия поиска. Некоторые данные указывают на то, что 2−3% частиц с энергиями порядка 10 ЭэВ прилетают от лацертид, мощных источников электромагнитного излучения в ядрах некоторых галактик. Вблизи от Млечного Пути их попросту нет, они удалены от нас как минимум на полтораста мегапарсек. Однако дело в том, что ни одна из известных нейтральных частиц пролететь такое расстояние не может. Протоны и атомные ядра на это способны, однако они отклонялись бы в межгалактических магнитных полях на куда большие углы от направлений на предполагаемые лацертиды-источники, чем показывают наблюдения. Вот и возникает вопрос: нет ли здесь какой-нибудь новой физики?"