Відкрити головне меню
Диференційний енергетичний спектр космічних променів має степеневий характер (у двічі логарифмічному масштабі - похила пряма) (мінімальні енергії — жовта зона, сонячна модуляція, середні энергії — синя зона, ГКП, максимальні энергії — пурпурова зона, позагалактичні КП)

Космі́чні про́мені надвисоких енергій (КПНВЕ) — елементарні частинки та ядра атомів з космічного простору з енергією понад 1019 еВ[джерело?]. Майже 90 % загальної кількості частинок складають протони, 9 % — ядра гелію (альфа-частинки) та близько 1 % — електрони (бета-частинки).

Космічними променями називають заряджені частинки високої енергії (від 108 до 1020 еВ), що надходять або від Сонця, або з міжзоряного простору. За своїми фізичними властивостями космічні промені є дуже розрідженим релятивістським газом, частинки якого майже не взаємодіють одна з одною (енергетичний спектр космічних променів має не максвелівський, а ступеневий характер), однак можуть зіштовхуватися з частинками міжзоряного середовища та взаємодіють із міжзоряним магнітним полем. Частинки з найвищою енергією можуть взаємодіяти також із реліктовим випромінюванням. Потік космічних променів поблизу Землі порівняно невеликий, однак густина енергії (близько 1 еВ на см3) порівняна з густиною сумарного електромагнітного випромінювання зір у Галактиці, або з густиною енергії теплового руху міжзоряного газу та кінетичної енергії його турбулентних рухів, а також із середньою густиною енергії магнітного поля поблизу площини галактики.

Космічні промені можуть сягати енергій понад 1020 еВ, що значно перевищує можливості наявних земних прискорювачів частинок, в яких можна надати частинці кінетичну енергію лише близько 1012—1013 еВ для опису реєстрації частинки з енергією близько 50 Дж, що еквівалентно тенісному м'ячу, розігнаному до швидкості 42 м/с). Планується досліджувати частинки навіть із більшими енергіями.

Для дослідження космічних променів будують установки великої площі, оскільки внаслідок взаємодії енергетичної частинки з атмосферою Землі утворюється потік вторинних частинок — широкі атмосферні зливи (ШАЗ). Вони складаються зі вторинних субатомних частинок (переважно — електронів), що утворюються внаслідок численних каскадних реакцій у земній атмосфері. Ширина зливи біля поверхні землі може сягати сотень і тисяч метрів, площа — десятків квадратних кілометрів. Однією з найчутливіших є ШАЗ-установка обсерваторії П'єра Оже в Аргентині, площа якої сягає 3000 км2.

Джерела космічних променів надвисоких енергійРедагувати

Припускають, що космічні промені з енергією менше 1015 еВ утворюються в нашій Галактиці, а промені надвисоких енергій мають позагалактичне походження.

Космічні промені з енергією 1011—1016 еВ надходять із рівною ймовірністю з будь-якого напряму на небі (ізотропно). Цей факт інтерпретують як свідчення їх галактичного походження й утримання космічних променів магнітним полем галактики. У заплутаному магнітному полі траєкторія руху окремої частинки схожа на броунівське блукання, тому кажуть про дифузне розповсюдження космічних променів у галактиці. Потік космічних променів надвисоких енергій надзвичайно малий, близько однієї частинки на км2 за століття. Такі частинки надходять із міжгалактичного простору, але їх природа та походження є однією з невирішених проблем сучасної астрофізики та фізики частинок.

На заряджену частинку в магнітному полі діє сила Лоренца, тому в загальному випадку вона рухатиметься спіральною траєкторією з ларморівським радіусом. Для космічних променів з енергією понад 1017 еВ ларморівський радіус більший за характерні розміри диску Галактики (100 кпк). Ці частинки «не відчувають» магнітного поля Галактики (а позагалактичне великомасштабне магнітне поле набагато слабше за галактичне) і рухаються майже по прямій від джерела.

Зрозуміло, що механізми прискорення космічних променів мають бути нетепловими, оскільки температура в надрах навіть наймасивніших зір не перевищує кількох десятків кеВ.

Механізми прискорення космічних променів поділяють на регулярні та стохастичні. Регулярний механізм пов’язаний зі прискоренням заряджених частинок сильними полями, які генеруються навколо намагнічених пульсарів, що обертаються, або в центральних областях намагнічених акреційних дисків чорних дір, навколо надмасивних чорних дір, в ядрах активних галактик, а також у релятивістських викидах із цих ядер.

Існує досить загальне фізичне обмеження максимальної енергії електромагнітного прискорення зарядженої частинки в області розміром L, заповненій магнітним полем В (так звана умова Хілласа). Під час набору енергії частинкою вона має залишатися на ділянці прискорення, тобто, подвійний ларморівський радіус має бути меншим за розмір ділянки. Звідси випливає, що для прискорення заряджених частинок до надвисоких енергій потрібні або джерела великих розмірів, або компактні джерела з надпотужними полями (наприклад, нейтронні зорі).

Найімовірнішими місцями стохастичного прискорення є різноманітні ударні хвилі у Всесвіті, зокрема ті, що утворюються при вибухах наднових та під час гамма-спалахів.

Суть цього механізму полягає в тому, що при багаторазових випадкових зіткненнях з масивними хмарами (точніше, при відбитті від «магнітних дзеркал», пов'язаних із локальним збільшенням магнітного поля) частинки, які рухаються з відносною швидкістю  , збільшують свою енергію в середньому на величину   (так зване прискорення Фермі другого роду). У результаті формується ступеневий спектр розподілу частинок за енергією. Механізм діє ефективніше, коли переважають лобові зіткнення, оскільки при кожному такому зіткненні відносне збільшення енергії частинки   (прискорення Фермі першого роду). Прискорення Фермі першого роду може відбуватися при багаторазовому перетині частинкою фронту ударної хвилі через розсіювання на неоднорідностях магнітного поля перед і за фронтом ударної хвилі.

1977 року академік Г. Ф. Кримський показав, що цей механізм набагато сильніше має прискорювати частинки на фронтах ударних хвиль у залишках наднових, швидкості яких на порядки вищі за швидкості звичайних хмар[джерело?]. За сучасними уявленнями, найімовірнішим механізмом прискорення протонної й електронної компонентів космічних променів до високих енергій є статистичний механізм прискорення частинок на фронтах ударних хвиль, що породжені спалахами наднових у МЗС[уточнити] або викидами речовини з активних ядер галактик. Цей механізм прискорення підтверджується прямими спостереженнями тераелектронвольтного нетеплового випромінювання від залишків наднових черенковськими телескопами H.E.S.S. у Намібії 2004 року[джерело?].

У галактиці Чумацький Шлях відомо декілька наднових віком менше тисячі років, які спостерігалися неозброєним оком. Найвідомішими є: Крабоподібна туманність у сузір'ї Тельця, Кассіопея А та наднова Кеплера у сузір'ї Змієносця. Діаметри їх оболонок сьогодні становлять 5-10 світлових років, тобто, вони розширюються зі швидкістю близько 0,01 від швидкості світла та перебувають на відстані приблизно десять тисяч світлових років від Землі. Оболонки наднових в оптичному, гамма-, радіо- та рентгенівському діапазонах спостерігали космічні обсерваторії Габбл, Чандра та Спітцер. Вони вірогідно показали, що в оболонках справді відбувається прискорення електронів та протонів, яке супроводжується рентгенівським випромінюванням. Заповнити міжзоряний простір космічними променями з виміряною питомою енергією (приблизно 1 еВ у кубічному сантиметрі) могли б близько 60-ти залишків наднових, молодших за 2000 років, тоді як у нашій Галактиці їх відомо менше десяти. Ця нестача пояснюється тим, що в площині галактики, де зосереджені наднові, дуже багато пилу, який поглинає світло. Тож на Землі спостерігають далеко не всі спалахи. Спостереження в рентгенівському та гамма-діапазоні, для яких пиловий шар є прозорим, дозволили розширити перелік спостережуваних оболонок наднових. До інформації про наднові, що спалахують у нашій Галактиці, додаються значно багатші статистичні дані про наднові в інших галактиках. Прямим підтвердженням наявності прискорених протонів і ядер слугує гамма-випромінювання з високою енергією фотонів, що виникають внаслідок розпаду нейтральних піонів — продуктів взаємодії протонів і ядер з речовиною джерела. Такі фотони найвищих енергій спостерігають за допомогою телескопів, що реєструють випромінювання Вавілова-Черенкова, згенероване вторинними частинками в атмосферних зливах. Найдосконалішим інструментом такого роду є установка з шести телескопів, створена за співпраці H.E.S.S. у Намібії. Гамма-випромінювання Крабоподібної туманності було виміряне першим, і його інтенсивність стала мірою інтенсивності інших джерел. Отриманий результат не тільки підтверджує наявність механізму прискорення протонів і ядер у надновій, але й дозволяє також оцінити спектр прискорених частинок: спектри «вторинних» гамма-квантів та «первинних» протонів і ядер досить близькі. Магнітне поле у Крабоподібній туманності дозволяє прискорення протонів до енергій порядку 1015 еВ. Спектри космічних променів у джерелі та міжзоряному середовищі дещо відрізняються, оскільки ймовірність виходу частинок із джерела та час життя частинок у галактиці залежать від енергії та заряду частинки.

Інший механізм прискорення — електромагнітний, коли заряджена частинка прискорюється в електричному полі. Статичні електричні поля неможливі у плазмі через її велику електропровідність — будь-яке відхилення від електронейтральності викликає струм, що екранує поле. Втім, у нестаціонарних магнітних полях прискорення частинок можливе до дуже високих енергій. Наприклад, у магнітосферах пульсарів магнітні поля біля поверхні досягають 1013 Гс. Навіть при мінімально можливих періодах обертання нейтронних зірок (P порядку 10-3 с) межа хвильової зони, в якій досягається швидкість обертання, що дорівнює швидкості світла, і в якій може відбуватися прискорення заряджених частинок,   км. Всередині хвильової зони частинка може набувати енергії   еВ (для типового поля поблизу поверхні нейтронної зорі 1010 Гс). Однак народження плазми в магнітосфері пульсара призводить до екранування поздовжнього електричного поля поблизу полярних шапок нейтронної зорі, тому прискорення частинок до дуже високих енергій неможливе.

Обмеження на енергію космічних променів і парадокс ГЗКРедагувати

Взаємодія космічних променів із випромінюванням відбувається через обернене комптонівське розсіювання. Всесвіт заповнений чорнотільним реліктовим випромінюванням із температурою T ≈ 2,73 K і густиною енергії приблизно 0,45 еВ/см3. Під час руху зарядженої релятивістської частинки (наприклад, протона) з лоренц-фактором γ енергія кванта в системі відліку протона  , де ε — енергія фотона для нерухомого спостерігача. Поріг утворення піонів фотонами близько 150 МеВ, тому реліктові фотони з енергією   еВ здатні народжувати піони, взаємодіючи з частинками, для яких γ≥ 3×1011, тобто з енергією понад 1020 еВ. Точніше інтегрування за функцією Планка та кутовими змінними призводить до зменшення оцінки порогової енергії до   еВ. Переріз реакції   см2, тому в полі реліктових фотонів із густиною частинок n ≈ 400 см-3 довжина вільного пробігу протона відносно фотонародження піону   Мпк (час вільного пробігу — близько 10 млн. років). Оскільки народжується піон з енергією  , то втрати енергії при одиничному зіткненні протона з реліктовим фотоном становлять частку   від його початкової енергії, а це означає, що після 10 зіткнень (10 млн. років) такий протон втратить більшу частину енергії та піде під поріг реакції. Народження електрон-позитронних пар має на два порядки більший переріз, ніж народження піонів, однак, енергія, яку втрачає протон, в   разів менша, і в результаті процес гальмування швидкого протона за рахунок народження електрон-позитронних у шість разів менш ефективний, ніж за рахунок народження піонів. Отже, протони надвисоких енергій не можуть надходити з відстаней понад 30-50 Мпк (місцеве надскупчення галактик).

Величину 5×1019 еВ називають межею ГЗК (Грайзена — Зацепіна — Кузьміна). Вона була незалежно обрахована ними 1966 року:

 

або

 

Середня дистанція гасіння енергії частинки — 50 Мпк, а оскільки у цих межах немає джерел космічних променів настільки високих енергій, то такі частинки не мають спостерігатися. Однак спостереження, проведені під час експерименту AGASA, показали, що Землі досягають частинки, енергія яких перевищує встановлену межу. Існування таких частинок називають парадоксом ГЗК. Є декілька пояснень цієї проблеми:

  • результати спостережень були помилково інтерпретовані;
  • існують джерела випромінювання на відстані до 50 Мпк (хоча їх не було виявлено іншими спостереженнями);
  • важкі ядра здатні долати межу ГЗК;
  • частинки, що слабко взаємодіють із речовиною, також можуть долати межу ГЗК.

У липні 2007 року, під час 30-ї Міжнародної конференції, присвяченої космічним променям, у Мериді, Мексика, HiRes представили свої результати щодо космічних променів надвисоких енергій. HiRes спостерігали спад у спектрі космічних променів надвисоких енергій на заданій ділянці та отримали лише 13 подій з енергією вище порогу (при очікуваних 43 без спаду). Це перше спостереження, що спростовує парадокс ГЗК[джерело?].

Обсерваторія П'єра Оже підтвердила цей результат: замість 30 необхідних подій, необхідних для підтвердження результату AGASA, було зареєстровано лише дві. Крім того, у кутовому розподілі найбільш високоенергетичних подій спостерігалася чітко виражена анізотропія, яка добре корелювала з напрямками на активні ядра сусідніх галактик у більшості випадків (20 з 27). Отже, результати обсерваторії П'єра Оже підтвердили існування завалу в спектрі космічних променів на ділянці ефекту ГЗК для протонів та важчих ядер на рівні значущості понад  [джерело?].

Цікавим результатом є те, що на установці AGASA були отримані вказівки на існування «порожніх» напрямків (таких, де немає відомих джерел), з яких за час спостережень находять 2-3 частинки. Це можна пояснити тим, що в деяких моделях структури мікросвіту і розвитку Всесвіту передбачено збереження в сучасному Всесвіті надмасивних елементарних частинок з масами порядку 1023–1024 еВ, з яких мала складатися матерія на початкових стадіях Великого вибуху. Їх розподіл у просторі не є повністю зрозумілим: вони можуть бути розподіленими рівномірно або притягнутими до масивних ділянок Всесвіту. Головна їх особливість в тому, що ці частинки нестабільні та можуть розпадатися на легші, зокрема, на стабільні протони, фотони та нейтрино, які набувають величезних кінетичних енергій — понад 1020 еВ. Місця, де збереглися такі частинки (топологічні дефекти Всесвіту) можуть виявитися джерелом протонів, фотонів або нейтрино надвисоких енергій.

ЛітератураРедагувати