Страница 11 из 44
Большинство космических лучей, попадающих в атмосферу Земли, имеют энергии не больше, чем десять в четырнадцатой степени электронвольт. Эксперименты на ракетах, спутниках и воздушных шарах показывают, что эти лучи состоят в основном из протонов с небольшой примесью более тяжелых элементов вплоть до железа.
Одна из возможных конструкции детекторов космических лучей
Еще Энрико Ферми полвека назад предложил гипотезу о том, что межзвездные ветры порождают заряженные частицы, которые попадают в поля магнитных облаков от взрывов сверхновых и там ускоряются до сверхвысоких энергий. Свою энергию они получают постепенно, однако проверить эту идею трудно, поскольку нет известных источников лучей, да и доходят они до Земли извилистыми путями.
Наблюдения за остатками сверхновых дают косвенные подтверждения, что такой механизм ускорения возможен, правда, лишь до энергий не выше десяти в пятнадцатой степени электронвольт. Это максимум, что можно набрать в магнитных облаках.
Было предложено немало альтернативных гипотез для ускорения до более высоких энергий: электрические поля в пульсарах, ядра галактик и даже столкновения галактик. Но все расчеты показывали, что и здесь не получается более высокой энергии. Кроме того, частицы с энергией выше десять в двадцатой уже совсем слабо заворачиваются галактическими магнитными полями, и направление их прихода на Землю должно указывать на источник. Но этого нет. На схеме, приведенной на стр. 30, видно, что распределены эти точки совершенно хаотично и не связаны ни с какими известными пульсарами или остатками сверхновых звезд.
Получается странное противоречие. Если мы видим частицу с энергией выше десять в двадцатой, значит она родилась где-то в пределах ста мегапарсеков от нас – не успела больше потерять энергии. Раз она родилась так близко и энергия ее велика, то она не могла отклониться от начального направления и должна указывать на источник рождения. Но таких явных источников нет! Значит, частицы пришли издалека. Похоже на логический тупик.
Чтобы найти из него выход, приходится искать новые процессы и источники, которые могут дать более высокие энергии. Список таких возможностей длинен, и одна экзотичнее другой. Среди них загадочные вспышки гамма-лучей, космические струны и магнитные монополи. Это, кстати, самая молодая гипотеза: все лучи с энергией выше десять в двадцатой – магнитные монополи. Гипотезы красивы, но бездоказательны. Они побуждают экспериментаторов к проверкам, но на большее не претендуют.
Для серьезного анализа ситуации необходимо существенно увеличить статистику – количество данных на самом интересном, высокоэнергетичном конце спектра. Для этого планируются и сооружаются детекторы нового поколения. По идее, они должны не только увеличить количество данных, но и повысить их качество. Главное – определять сорт пришедшей частицы.
Обычно детекторы размером в несколько квадратных метров объединяются в наземные массивы, покрывающие десятки квадратных километров. Время прохождения частиц определяется с точностью до миллиардных долей секунды, что позволяет определить направление первоначальной частицы с точностью до градуса. Самый большой наземный массив AGASA работает в Японии. Размеры его достигают ста квадратных километров, и за год он регистрирует одну частицу в интересующей нас области – вот такие масштабы набора статистики.
Так выглядит схема расположения фотоумножителей во льду
Еше один метод для регистрации высокоэнергичных частиц основан на том, что частицы ливня возбуждают азот в атмосфере, который потом флюоресцирует. Свет от этой флюоресценции может быть виден на расстоянии двадцати километров от оси ливня при помощи детекторов на Земле. Группа «Мушиный глаз» была пионером в этой области. Их установка успешно работает в горах пустыни Ута в США. Она состоит из двух частей, разнесенных на двенадцать километров друг от друга, чтобы можно было видеть каждую зарегистрированную частицу в стереопроекции.
Две эти методики дополняют друг друга. Первая работает постоянно, но она фиксирует ливень частиц лишь в один-единственный момент, когда он соприкасается с поверхностью Земли. Вторая позволяет проследить за процессом развития ливня от верхних слоев атмосферы. Но этот метод работает лишь десять процентов времени: для него необходима ясная, безоблачная и вдобавок безлунная ночь, чтобы ничто не мешало регистрировать достаточно слабый свет от ливня.
Есть уже несколько амбициозных проектов детекторов будущего поколения. Джон Линсли из университета в Нью-Мексико предложил расположить на спутнике камеру с сорокаметровым зеркалом, чтобы она наблюдала за поверхностью Земли. Есть надежда улавливать не только флюоресценцию от лучей, но и черенковский свет, отраженный от наземного лада или воды. Несмотря на большие технические и финансовые сложности, проект выглядит очень привлекательно потому, что позволит просматривать десяток тысяч квадратных километров, что превышает современные возможности в сотню раз.
Масахиро Тешима со своими коллегами из Токио планирует создать колоссальную систему оптических телескопов, чтобы резко повысить скорость набора данных и качество информации в методе флюоресценции.
Джим Кронин из Чикаго руководит международным сотрудничеством, в которое входят 150 человек из таких стран: Аргентина, Армения, Австралия, Боливия, Бразилия, Чили, Китай, Франция, Грузия, Германия, Греция, Япония, Мексика, Россия, Словения, Испания, Великобритания, США и Вьетнам. Нет времени рассуждать о размахах сотрудничества, но впечатляет уже сам список стран, которые мирно работают друг с другом. Проект назван «Оже» в честь Пьера Оже, открывшего широкие атмосферные ливни. Он будет состоять из двух массивов детекторов: один – в Аргентине, другой – в Северной Америке. В центре каждого массива будет стоять флюоресцентный детектор. Его будут окружать 1600 водяных черенковских детекторов, образуя шестиугольную сеть со стороной в полтора километра.
Кроме космических частиц, на Землю из космоса прилетают и энергичные гамма-лучи. Их испускают заряженные частицы. Изучают гамма-лучи с двоякой целью. Во-первых, чтобы понять процессы, идущие в далеком космосе, и узнать о строении тамошних обитателей. Во-вторых, чтобы узнать, как же все-таки ускоряются частицы.
Первый кандидат на роль небесного ускорителя – гравитационный коллапс звезд. Большинство звезд существует не поодиночке, а парами. Один из способов заметить гравитационный коллапс звезды – изучать излучение, которое она испускает, захватывая своим колоссальным гравитационным полем вещество своего компаньона. Это «высасывание» вещества из окружающей среды называется аккрецией.
В случае падения на компактный небесный объект выделение энергии идет гораздо энергичнее. Происходит оно в разных интервалах длин волн — в ультрафиолетовых лучах, рентгеновских и гамма-лучах. Это очень радует астрономов, поскольку, имея в своем распоряжении широкий спектр информации, можно достаточно подробно исследовать процессы аккреции. К сожалению, большая часть лучей высокой энергии не может прорваться сквозь атмосферный заслон (спасибо ему за это, мы можем спокойно жить), и изучать их приходится на спутниках.
Спутниковые наблюдения семидесятых и восьмидесятых годов показали, что большинство активных галактических ядер излучают гамма-лучи с энергиями от двух до десяти тысяч электронвольт. Это примерно в тысячу раз больше, чем энергия лучей видимого света. Яркость таких объектов очень переменчива даже в течение дня. По скорости изменения интенсивности можно оценить размеры области излучения: она не может быть больше того, сколько успеет облететь световой сигнал за время смены интенсивности. Таким образом получается, что размеры некоторых галактических ядер не превышают размеры Солнечной системы, а излучают они в миллиарды раз больше Солнца. Такая вот арифметика.