Космические лучи

Космические лучи (заряженные частицы высоких энергий) имеют несколько видов, связанных с их происхождением. Космические лучи, несмотря на их высокую энергию, не оказывают влияния на локальное состояние плазмы солнечного ветра и магнитное поле из-за их низкой концентрации, однако на больших масштабах, особенно вблизи границ гелиосферы, где сильно падает концентрация солнечного ветра, космические лучи играют важную роль. Солнечные космические лучи ускоряются во время сильных солнечных вспышек или во время распространения в короне и в солнечном ветре ударных волн. При этом образуются протоны с энергией до несколько сот МэВ и электроны до нескольких десятков КэВ, в редких случаях образуются релятивистские электроны с энергией в несколько МэВ. Состав солнечных космических лучей близок к составу солнечной короны. Количество событий с солнечными космическими лучами сильно возрастает вблизи максимума цикла солнечной активности. Галактические космические лучи рождаются за пределами гелиосферы (во время взрыва новых и сверхновых звезд). Они представляют собой полностью ионизованные ядра различных элементов с энергией 108 — 1020 эВ. Они рассеиваются на неоднородностях межпланетного магнитного поля, и их поток в среднем падает с удалением от границ гелиосферы. Поток зависит также от времени и падает как на масштабах около суток при прохождении по гелиосфере выброса корональной массы (Форбуш понижение), так и на масштабах около года (вблизи максимума цикла солнечной активности). До орбиты Земли доходят только наиболее высокоэнергичные частицы (с энергией более нескольких сотен МэВ). Наблюдаются также аномальные космические лучи, которые в отличие от обыкновенных ГКС представляют собой однократно (редко двукратно) ионизованные атомы, их появление связывается с двумя возможными механизмами: (1) ионизация нейтральных атомов межзвездной среды и их ускорение на границах гелиосферы (гелиосферный интерфейс) и (2) вспышки на звездах, относящихся к красным и желтым карликам. Вблизи планет (особенно планет-гигантов Юпитер и Сатурн) наблюдаются менее интенсивные потоки энергичных частиц, рожденных на головной ударной волне и внутри магнитосферы. Интенсивность этих потоков зависит от условий на планетах и часто изменяется с периодом вращения планет.

Дифференциальный энергетический спектр космических лучей носит степенной характер (в дважды логарифмическом масштабе — наклонная прямая) (минимальные энергии — жёлтая зона, солнечная модуляция, средние энергии — синяя зона, ГКЛ, максимальные энергии — пурпурная зона, внегалактические КЛ)

Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц.

Физика космических лучей изучает:

процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;

частицы космических лучей, их природу и свойства;

явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет.

Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшими экспериментальными задачами.

Классификация по происхождению космических лучей:

вне нашей Галактики

в Галактике

на Солнце

в межпланетном пространстве

Первичными принято называть внегалактические и галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц, проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности земли и в атмосфере.

До развития ускорительной техники космические лучи служили единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в космических лучах.

Химический спектр космических лучей в пересчете энергии на нуклон более чем на 94 % состоит из протонов, ещё на 4 % — из ядер гелия (альфа-частиц). Есть также ядра других элементов, но их доля значительно меньше. В пересчете энергии на частицу доля протонов составляет около 35 %, доля тяжёлых ядер соответственно больше[источник не указан 22 дня].

По количеству частиц космические лучи на 90 процентов состоят из протонов, на 7 процентов — из ядер гелия, около 1 процента составляют более тяжелые элементы, и около 1 процента приходится на электроны. При изучении источников космических лучей вне Солнечной системы протонно-ядерная компонента в основном обнаруживается по создаваемому ею потоку гамма-лучей орбитальными гамма-телескопами, а электронная компонента — по порождаемому ею синхротронному излучению, которое приходится на радиодиапазон (в частности, на метровые волны — при излучении в магнитном поле межзвёздной среды), а при сильных магнитных полях в районе источника космических лучей — и на более высокочастотные диапазоны. Поэтому электронная компонента может обнаруживаться и наземными астрономическими инструментами[1][2].

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: L, M, H, VH (соответственно, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые). Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа. Данное явление объясняется тем, что частицы КЛ под воздействием галактического магнитного поля хаотически блуждают в пространстве около 7 млн лет, прежде чем достигнуть Земли. За это время ядра группы VH могут неупруго провзаимодействовать с протонами межзвёздного газа и расколоться на более легкие фракции. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии.