Космические лучи — это потоки заряженных частиц, приходящих к Земле из глубин Вселенной. Большинство из них — протоны, ядра гелия и более тяжелых элементов. Их энергии варьируются от миллионов до триллионов электронвольт. Но самые загадочные и редкие среди них — космические лучи сверхвысоких энергий.
Их энергия может достигать 1020 электронвольт. Это в миллионы раз больше энергии частиц, которые разгоняют земные ускорители. Одна такая частица несет энергию теннисного мяча, летящего со скоростью около 80–85 километров в час. Только вся эта энергия упакована в частицу субатомного масштаба.
Когда такая частица врезается в атмосферу Земли, она порождает каскад из миллиардов вторичных частиц — широкий атмосферный ливень, который обрушивается на поверхность планеты.
Что такое сверхвысокие энергии
Энергия измеряется в электронвольтах — единицах, показывающих, какую энергию получает электрон, проходя через разность потенциалов в один вольт. Космические лучи низких энергий имеют миллионы электронвольт. Лучи высоких энергий — триллионы. Но космические лучи сверхвысоких энергий переходят все привычные границы: их энергия превышает 1019 электронвольт, а самые мощные достигают 1020 электронвольт.
Для сравнения: Большой адронный коллайдер разгоняет протоны до скоростей, близких к скорости света. Но космические лучи сверхвысоких энергий все равно оказываются в миллионы раз энергичнее. Ни один земной ускоритель пока не способен разогнать частицы до таких энергий.
Такие частицы крайне редки. Космические лучи с энергией выше 1019 электронвольт приходят на Землю примерно с частотой одна частица на квадратный километр в год. Частицы с энергией выше 1020 электронвольт встречаются еще реже — примерно одна на квадратный километр за столетие. Поэтому для их регистрации ученые строят гигантские детекторы площадью в тысячи квадратных километров.
Откуда они берутся
Источники космических лучей сверхвысоких энергий остаются одной из главных загадок астрофизики. Известно, что значительная часть обычных космических лучей связана со вспышками сверхновых. Ударные волны, образующиеся при таких взрывах, ускоряют частицы до огромных энергий. Но этого недостаточно, чтобы объяснить самые мощные космические лучи.
- Один из возможных источников — активные ядра галактик. Так называют яркие и крайне энергичные области в центрах галактик, где вещество падает на сверхмассивную черную дыру, а вокруг нее могут формироваться мощные джеты — струи плазмы, движущиеся почти со скоростью света. Магнитные поля в таких областях способны ускорять частицы до сверхвысоких энергий.
- Другой кандидат — гамма-всплески, одни из самых мощных взрывов во Вселенной. Они могут происходить при коллапсе массивных звезд или слиянии нейтронных звезд. За несколько секунд гамма-всплеск может выделить больше энергии, чем Солнце излучит за весь срок своей жизни. Такие события тоже могут разгонять частицы до экстремальных значений.
- Еще один возможный источник — галактики с бурным звездообразованием. В них рождается много массивных звезд, часто происходят вспышки сверхновых, действуют мощные звездные ветры и ударные волны. Все это создает среду, в которой частицы могут получать огромные энергии.
Но определить точный источник трудно. Космические лучи — заряженные частицы, а значит, их траектории искажаются магнитными полями межгалактического пространства и Млечного Пути. Частица может прилететь с одной стороны неба, а ее источник находиться совсем в другом направлении.
Что происходит, когда они врезаются в атмосферу
Когда космический луч сверхвысокой энергии входит в атмосферу Земли, он сталкивается с ядром атома азота или кислорода. При столкновении рождаются новые частицы — пионы, каоны, протоны, нейтроны. Они продолжают движение и сталкиваются с другими ядрами, порождая еще больше частиц. Процесс повторяется снова и снова, создавая лавину — широкий атмосферный ливень.
Один космический луч с энергией 1020 электронвольт может породить каскад из миллиардов частиц. Этот каскад распространяется на площади в несколько квадратных километров и достигает поверхности Земли. Большая часть частиц в таком ливне — мюоны, электроны и фотоны. Их регистрируют наземные детекторы.
Именно поэтому космические лучи сверхвысоких энергий можно изучать с Земли. Но для этого нужны огромные наземные обсерватории: например, обсерватория Пьера Оже в Аргентине занимает площадь более 3 000 квадратных километров.
Почему их так трудно изучать
Космические лучи сверхвысоких энергий — это в основном протоны и атомные ядра. Магнитные поля Галактики и межгалактического пространства отклоняют их траектории. Частицы с энергией ниже 1019 электронвольт отклоняются настолько сильно, что определить их источник почти невозможно. Только самые энергичные частицы движутся относительно близко к прямой траектории и могут указать примерное направление на источник.
Но даже они очень редки. Чтобы набрать статистику, нужны годы наблюдений и огромные площади детекторов. Обсерватория Пьера Оже работает с 2004 года, но таких событий все равно слишком мало, чтобы построить подробную карту источников.
Есть и еще одна проблема — предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина. Протоны с энергией выше 1020 электронвольт взаимодействуют с реликтовым излучением — остаточным светом Большого взрыва, заполняющим Вселенную. При таких взаимодействиях они теряют энергию. Это означает, что частицы сверхвысоких энергий не могут прилетать к нам с любых расстояний. Их источники должны находиться относительно близко по космическим меркам.
Зачем это изучать
Космические лучи сверхвысоких энергий — это следы природных ускорителей, мощнее любых земных установок. Изучая их, физики проверяют законы природы при энергиях, недостижимых в лабораториях. Эти частицы могут нести информацию о процессах вблизи черных дыр, в гамма-всплесках и других экстремальных областях Вселенной.
Космические лучи также помогают понять устройство космоса. Их распространение зависит от магнитных полей, которые пронизывают галактики и межгалактическое пространство. Изучая, как частицы движутся и отклоняются, ученые могут восстанавливать структуру этих полей.
Источники космических лучей сверхвысоких энергий до сих пор точно не установлены. Это одна из самых интригующих загадок современной астрофизики. Ответ на вопрос, откуда берутся такие частицы, откроет окно в самые экстремальные процессы во Вселенной.
Часто задаваемые вопросы
Опасны ли космические лучи сверхвысоких энергий для людей?
Нет. Когда такая частица врезается в атмосферу, она создает широкий атмосферный ливень из миллиардов вторичных частиц. К моменту, когда ливень достигает поверхности Земли, энергия распределяется на огромную площадь. Плотность энергии на уровне земли настолько мала, что не представляет угрозы. Кроме того, такие события крайне редки.
Можно ли использовать космические лучи как источник энергии?
Нет. Хотя отдельная частица несет большую энергию, общий поток космических лучей сверхвысоких энергий ничтожно мал. Они прилетают слишком редко, поэтому собрать сколько-нибудь значимое количество энергии технически невозможно.
Почему космические лучи называются лучами, если это частицы?
Термин «космические лучи» появился в начале XX века, когда физики еще не знали природу этого излучения. Изначально предполагалось, что это электромагнитные волны, как свет или рентгеновские лучи. Позже выяснилось, что это поток заряженных частиц. Но название прижилось и используется до сих пор.
Читайте также: Просто о сложном: ложный вакуум.
