Kosmiske stråler

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 11. juli 2021; checks kræver 9 redigeringer .

Kosmiske stråler er elementarpartikler , fotoner og atomkerner, der bevæger sig med høje energier i det ydre rum [1] [2] .

Grundlæggende information

Kosmisk strålefysik anses almindeligvis for at være en del af højenergifysik og partikelfysik .

Kosmisk stråle fysik undersøgelser:

processer, der fører til fremkomsten og accelerationen af kosmiske stråler;
partikler af kosmiske stråler, deres natur og egenskaber;
fænomener forårsaget af partikler af kosmiske stråler i det ydre rum, jordens atmosfære og planeter.

Studiet af fluxer af højenergiladede og neutrale kosmiske partikler, der falder på grænsen til Jordens atmosfære, er det vigtigste eksperimentelle problem.

Kosmiske stråler kan forekomme:

uden for vores galakse;
i vores galakse ;
på solen ;
i det interplanetariske rum .

Ekstragalaktiske, galaktiske og sol-kosmiske stråler kaldes normalt primære .

Sekundære kosmiske stråler kaldes normalt strømme af partikler, der opstår under påvirkning af primære kosmiske stråler i Jordens atmosfære og optages på Jordens overflade.

Kosmiske stråler er en bestanddel af naturlig stråling (baggrundsstråling) på jordens overflade og i atmosfæren.

Før udviklingen af acceleratorteknologi tjente kosmiske stråler som den eneste kilde til højenergiske elementarpartikler. Således blev positron og myon først fundet i kosmiske stråler.

Området af partikelenergier i kosmiske stråler er stort - fra 10 6 eV til 5⋅10 21 eV [3] .

Med hensyn til antallet af partikler er kosmiske stråler 92 % protoner, 6 % heliumkerner, omkring 1 % tungere grundstoffer og omkring 1 % elektroner [4] [5] . Når man studerer kosmiske strålekilder uden for solsystemet, detekteres protonkernekomponenten hovedsageligt af den gammastråleflux, den skaber ved at kredse om gammastråleteleskoper, og elektronkomponenten detekteres af synkrotronstrålingen, der genereres af den , som falder på radioområdet (især på meterbølger - ved stråling i det interstellare mediums magnetfelt ), og i stærke magnetfelter i området for kilden til kosmiske stråler - og på højere frekvensområder. Derfor kan den elektroniske komponent også detekteres af jordbaserede astronomiske instrumenter [6] [1] .

Kosmiske strålepartikler inddeles traditionelt i følgende grupper: p α L M H VH (henholdsvis protoner, alfapartikler, lette, medium, tunge og supertunge). Et træk ved den kemiske sammensætning af primær kosmisk stråling er det unormalt høje indhold af kerner i L-gruppen ( lithium , beryllium , bor ) sammenlignet med sammensætningen af stjerner og interstellar gas [4] [3] . Dette fænomen forklares ved, at mekanismen til generering af kosmiske partikler primært accelererer tunge kerner, som, når de interagerer med protoner i det interstellare medium, henfalder til lettere kerner [5] . Denne antagelse bekræftes af, at kosmiske stråler har en meget høj grad af isotropi . $(Z=1),$ $(Z=2),$ $(Z=3...5),$ $(Z=6...9),$ $(Z\geqslant 10),$ $(Z\geqslant 20)$

Historien om kosmisk strålefysik

For første gang blev en indikation af muligheden for eksistensen af ioniserende stråling af udenjordisk oprindelse opnået i begyndelsen af det 20. århundrede i forsøg på undersøgelse af gassers ledningsevne. Den observerede spontane elektriske strøm i gassen kunne ikke forklares med ionisering, der stammer fra Jordens naturlige radioaktivitet. Den observerede stråling viste sig at være så gennemtrængende, at der i ioniseringskamrene afskærmet af tykke blylag stadig blev observeret en reststrøm. I 1911-1912 blev der udført en række forsøg med ioniseringskamre på balloner. Hess fandt ud af, at strålingen stiger med højden, mens ioniseringen forårsaget af Jordens radioaktivitet ville skulle falde med højden. I Kolchersters eksperimenter blev det bevist, at denne stråling er rettet fra top til bund.

I 1921-1925 fandt den amerikanske fysiker Milliken , der studerede absorptionen af kosmisk stråling i jordens atmosfære afhængigt af observationshøjden, at i bly absorberes denne stråling på samme måde som gammastrålingen fra kerner. Millikan var den første til at kalde denne stråling for kosmiske stråler.

I 1925 målte de sovjetiske fysikere L. A. Tuvim og L. V. Mysovsky absorptionen af kosmisk stråling i vand: det viste sig, at denne stråling blev absorberet ti gange svagere end gammastrålingen fra kerner. Mysovsky og Tuwim opdagede også, at intensiteten af strålingen afhænger af barometertrykket – de opdagede den "barometriske effekt". D. V. Skobeltsyns eksperimenter med et skykammer placeret i et konstant magnetfelt gjorde det muligt at "se" på grund af ionisering spor (spor) af kosmiske partikler. I 1938 opdagede Pierre Auger byger af kosmiske partikler .

Eksperimenter med kosmiske stråler gjorde det muligt at gøre en række fundamentale opdagelser for mikroverdenens fysik.

I 1932 opdagede Anderson positronen i kosmiske stråler . I 1937 opdagede Anderson og Neddermeyer myoner og angav typen af deres henfald. I 1947 blev π mesoner opdaget . I 1955 blev tilstedeværelsen af K-mesoner etableret i kosmiske stråler , såvel som tunge neutrale partikler - hyperoner .

Den kvantekarakteristiske " mærkelighed " dukkede op i eksperimenter med kosmiske stråler. Eksperimenter i kosmiske stråler rejste spørgsmålet om paritetsbevarelse, opdagede processerne for flere generationer af partikler i nukleoninteraktioner og gjorde det muligt at bestemme det effektive tværsnit for interaktionen af højenerginukleoner.

Fremkomsten af rumraketter og satellitter førte til nye opdagelser - opdagelsen af Jordens strålingsbælter (februar 1958, Van Allen og, uafhængigt af ham, juli samme år, S. N. Vernov og A. E. Chudakov [7] ), og gjorde det muligt at skabe nye metoder til at studere de galaktiske og intergalaktiske rum.

Strømme af høj-energi ladede partikler i nær-jorden rum

I nær-jordens rum (NES) skelnes der adskillige typer af kosmiske stråler. Det er sædvanligt at henvise til stationære galaktiske kosmiske stråler (GCR), albedo-partikler og strålingsbæltet. Til ikke-stationære - solar kosmiske stråler (SCR).

Galaktiske kosmiske stråler (GCR)

Galaktiske kosmiske stråler (GCR'er) består af kerner af forskellige kemiske grundstoffer med en kinetisk energi E på mere end nogle få tiere MeV/ nukleon samt elektroner og positroner med E > 10 MeV . Disse partikler kommer til det interplanetariske rum fra det interstellare medium. De mest sandsynlige kilder til kosmiske stråler er supernovaeksplosioner og de resulterende pulsarer. Pulsarernes elektromagnetiske felter accelererer ladede partikler, som derefter spredes af interstellare magnetfelter [8] . Det er dog muligt, at der i området E < 100 MeV/nukleon dannes partikler på grund af accelerationen af partikler fra solvinden og interstellar gas i det interplanetariske medium. GCR'ens differentielle energispektrum har en kraftlovskarakter.

Sekundære partikler i Jordens magnetosfære: strålingsbælte , albedo-partikler

Inde i magnetosfæren , som i ethvert dipolmagnetfelt , er der områder, der er utilgængelige for partikler med en kinetisk energi E mindre end den kritiske. De samme partikler med energi E < E cr , som allerede er der, kan ikke forlade disse områder. Disse forbudte områder af magnetosfæren kaldes indfangningszoner. Betydelige fluxer af fangede partikler (primært protoner og elektroner) tilbageholdes faktisk i indfangningszonerne af Jordens dipolfelt (kvasi-dipol).

I det nær-jordiske rum kan der skelnes mellem to torusformede områder, placeret i ækvatorialplanet i en afstand på ca. 300 km (i BMA -zonen ) til 6000 km (indre ERP) og fra 12.000 km til 40.000 km (ydre ). ERP). Hovedindholdet i det indre bælte er protoner med høje energier fra 1 til 1000 MeV, og det ydre bælte er fyldt med elektroner.

Den maksimale intensitet af lavenergiprotoner er placeret i afstande L ~ 3 radier af Jorden fra dens centrum. Lavenergielektroner fylder hele indfangningsområdet. For dem er der ingen opdeling i indre og ydre bælter. Protonfluxen i det indre bælte er nogenlunde stabil over tid.

Processen med interaktion af kerner af primær kosmisk stråling med atmosfæren er ledsaget af udseendet af neutroner . Fluxen af neutroner, der kommer fra Jorden ( albedo neutroner ), passerer uhindret gennem Jordens magnetfelt . Da neutroner er ustabile (den gennemsnitlige henfaldstid er ~900 s ), henfalder nogle af dem i zoner, der er utilgængelige for lav-energi ladede partikler . Således fødes nedbrydningsprodukterne af neutroner (protoner og elektroner) direkte i indfangningszonerne. Afhængigt af energien og pitch-vinklerne kan disse protoner og elektroner enten blive fanget eller forlade denne region.

Albedo-partikler er sekundære partikler, der reflekteres fra jordens atmosfære . Albedo-neutroner forsyner strålingsbæltet med protoner med energier op til 10³ MeV og elektroner med energier op til flere MeV.

Solens kosmiske stråler

Solens kosmiske stråler (SCR) er energisk ladede partikler - elektroner, protoner og kerner - indsprøjtet af Solen i det interplanetariske rum. SCR-energien varierer fra flere keV til flere GeV. I den nederste del af dette område grænser SCR'er op til protonerne fra højhastighedssolvindstrømme . SCR-partikler opstår på grund af soludbrud .

Kosmiske stråler med ultrahøj energi

Energien af nogle partikler (for eksempel Oh-My-God-partikler ) overstiger GZK-grænsen (Greisen - Zatsepin - Kuzmin) - den teoretiske energigrænse for kosmiske stråler 5⋅10 19 eV , forårsaget af deres interaktion med CMB -fotoner . Adskillige dusin af sådanne partikler blev registreret af AGASA -observatoriet om året.. Disse observationer har endnu ikke en tilstrækkeligt underbygget videnskabelig forklaring.

Også i 2021, en søgning udført siden 1990'erne af Tibet ASγ-samarbejdet ved hjælp af et 70.000 m2 antennearray og underjordiske muon - detektorer placeret på det tibetanske plateau i en højde af 4200 meter, spor af gammastråler med en effekt på næsten en petaelektronvolt (10 15 eV). I alt blev der fundet 23 partikler. Formentlig er en sådan stråling dannet som et resultat af passage af stråling fra de kraftigste ekstragalaktiske kilder gennem Mælkevejens interstellare gas, da de registrerede udbrud havde en diffus (rumligt spredt) karakter. [9]

Registrering af kosmiske stråler

I lang tid efter opdagelsen af kosmiske stråler adskilte metoderne til deres registrering sig ikke fra metoderne til registrering af partikler i acceleratorer, oftest gasudladningstællere eller nukleare fotografiske emulsioner rejst ind i stratosfæren eller i det ydre rum. Men denne metode tillader ikke systematiske observationer af højenergipartikler, da de forekommer ret sjældent, og det rum, hvor en sådan tæller kan foretage observationer, er begrænset af dens størrelse.

Moderne observatorier arbejder efter andre principper. Når en højenergipartikel kommer ind i atmosfæren, interagerer den med luftatomer de første 100 g/cm² og skaber en byge af partikler, mest pioner og myoner , som igen skaber andre partikler, og så videre. Der dannes en kegle af partikler, som kaldes en bruser. Sådanne partikler bevæger sig med en hastighed, der overstiger lysets hastighed i luft, på grund af hvilken der er en Cherenkov-glød , optaget af teleskoper. Denne teknik giver dig mulighed for at overvåge områder af himlen med et areal på hundredvis af kvadratkilometer.

Betydning for rumflyvning

Visuelt fænomen af kosmiske stråler

ISS - kosmonauter , når de lukker øjnene, ser lysglimt ikke mere end én gang hvert 3. minut [10] , måske er dette fænomen forbundet med påvirkningen af højenergipartikler, der trænger ind i øjets nethinde. Dette er dog ikke eksperimentelt bekræftet; det er muligt, at denne effekt udelukkende har et psykologisk grundlag.

Stråling

Langvarig udsættelse for kosmisk stråling kan have en meget negativ indvirkning på menneskers sundhed. For yderligere udvidelse af menneskeheden til andre planeter i solsystemet er det nødvendigt at udvikle pålidelig beskyttelse mod sådanne farer - forskere fra Rusland og USA leder allerede efter måder at løse dette problem på.

Se også

Noter

↑ 1 2 Miroshnichenko L. I. Kosmiske stråler // Physical Encyclopedia : [i 5 bind] / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1990. - T. 2: Kvalitetsfaktor - Magneto-optik. - S. 471-474. - 704 s. — 100.000 eksemplarer. — ISBN 5-85270-061-4 .
↑ Sokurov V. F. Kosmiske strålers fysik: kosmisk stråling . - Rostov ved Don: Phoenix, 2005. - 188 s. - (Videregående uddannelse). — ISBN 978-5-222-07838-9 . (Russisk)
↑ 1 2 Kosmisk stråling ved havoverfladen _ _ _
↑ 1 2 Ginzburg V. L. , Syrovatsky S. I. Den aktuelle tilstand af spørgsmålet om oprindelsen af kosmiske stråler // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Russiske Videnskabsakademi , 1960. - T. 71 , no. 7 . - S. 411-469 . (Russisk)
↑ 1 2 Dorman, 1975 , s. atten.
↑ V. L. Ginzburg . Kosmiske stråler: 75 års forskning og fremtidsudsigter // Jorden og universet . - M . : Nauka , 1988. - Nr. 3 . - S. 3-9 .
↑ Register over videnskabelige opdagelser . Videnskabelige opdagelser i Rusland . Statens register over videnskabelige opdagelser i USSR. Uofficiel side . ross-nauka.narod.ru _ Dato for adgang: 2. december 2019. Arkiveret fra originalen 22. april 2012. (Russisk)
↑ Shirkov, 1980 , s. 236.
↑ Spor af kosmiske superpartikelacceleratorer opdaget efter årtiers søgning . AstroNews.ru - Rumnyheder (1. marts 2021). Hentet 7. januar 2022. Arkiveret fra originalen 7. januar 2022. (Russisk)
↑ Roscosmos. Blog af Maxim Suraev. . Hentet 22. juli 2018. Arkiveret fra originalen 22. juli 2018. (ubestemt)

Litteratur

Murzin V. S. Kosmiske strålers fysik. Proc. tillæg til fysisk ukammeraters specialiteter. - M .: Forlag ved Moscow State University , 1970. - 285 s.
Murzin V. S. Introduktion til kosmiske strålers fysik. — M .: Atomizdat , 1979. — 303 s.
Rummodel / Udg. acad. S. N. Vernova. - M . : Publishing House of Moscow State University , 1971. - T. 1-3. (Russisk)
Filonenko AD Radioastronomisk metode til måling af superhøjenergi kosmiske partikelfluxer // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Det Russiske Videnskabsakademi , 2012. - T. 182 . - S. 793-827 . (Russisk)
Dorman L.I. Eksperimentelle og teoretiske grundlag for astrofysik af kosmiske stråler. — M .: Nauka, 1975. — 464 s.
udg. Shirkov D.V. Mikrokosmos fysik. - M . : Soviet Encyclopedia, 1980. - 528 s.
Panasyuk M. I. Universets vandrere eller ekkoet af Big Bang. - M. : Vek 2, 2005. - 272 s. — ISBN 5-85099-160-3 .
Zatsepin G. Hvad er kosmiske stråler? // Videnskab og liv : tidsskrift. - 1987. - Nr. 1. - S. 82-86. — ISSN 0028-1263 .

Links

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk norsk Stor russer Britannica (online) Universalis
I bibliografiske kataloger	GND : 4165371-3 J9U : 987007567591605171 LCCN : sh85033155 NDL : 00574086 NKC : ph137739

interstellært medium
Komponenter	interstellar gas interstellart støv interstellar sky kosmiske stråler Et magnetfelt
Tåger	Diffus (let) tåge mørk tåge emissionståge refleksionståge supernova-rest planetarisk tåge protoplanetarisk tåge
Områder med stjernedannelse	molekylær sky Kugle Region H II
Circumstellare formationer	Circumstellar disk ( Accretion disk protoplanetarisk disk Resterende disk ) Polar jetstrømme Herbig Object - Haro
Stråling	Stjernevind