§ 101. Корпускулярный и энергетический спектр космических лучей. Происхождение космического излучения

Подводя итог исследованиям космических лучей, можно сделать следующие заключения об их составе на разных высотах и о значениях энергии, характерных для различных частиц.

На каждый квадратный сантиметр верхней поверхности атмосферы Земли падает в средних широтах (45°) примерно 12 частиц в минуту в единице телесного угла. Они несут поток энергии мощностью около 32 эргов в секунду на в 1 стерадиане и имеют в среднем энергию на одну частицу.

Распределение первичных частиц по их энергиям приближенно определяется выражением

где Следовательно, число частиц, имеющих энергию более уменьшается обратно пропорционально

Протонов с энергией меньше в первичных лучах нет; возможно, что они отбрасываются действием магнитного поля Солнца,

В потоке первичных частиц, хотя и в ничтожном количестве, встречаются частицы с энергиями, в миллионы раз превышающими среднюю энергию первичных частиц (т. е. с энергиями порядка Наличие таких частиц противоречит гипотезе, которую защищал Милликен, что космические лучи возникают при разрушении ядер тяжелых элементов. Действительно, внутриядерная энергия для самых тяжелых элементов только в 20 раз больше средней энергии первичных частиц космических лучей

Примерно 83—84% первичных частиц — протоны, 15% — -частицы и 1-2%-ядра более тяжелых элементов с атомными номерами до 26 (железо). Средняя энергия ядер превышает среднюю энергию протонов; она приблизительно пропорциональна заряду ядра. Последнее свидетельствует о том, что частицы приобретают ускорение в каких-то межзвездных силовых полях.

В межзвездном пространстве интенсивность первичных космических лучей во всех направлениях одинакова.

В верхних слоях атмосферы число частиц (для средних широт) возрастает приблизительно в 3/2 раза и на высоте (где оно является максимальным) составляет около 6500 на в секунду. Здесь поток частиц приближенно имеет состав, указанный в помещенной ниже таблице. Энергетический спектр «дочерних» частиц (-мезонов, -мезонов, у-фотонов распада -мезонов, -электронов) в основном воспроизводит спектр первичных частиц.

Плотность корпускулярного потока космических лучей уменьшается к уровню моря (для средних широт) по отношению к плотности первичного потока в 10 раз, а энергия, доставляемая корпускулярным потоком (т. е. без учета большой энергии у-фотонов), уменьшается в 50 раз. На уровне моря наблюдается всего примерно 200 частиц на в секунду; в том числе:

Состав космических лучей для средних широт на высоте над уровнем моря (по ориентировочным оценкам)

(см. скан)

Исследования советских ученых (Д. В. Скобельцына, Н. А. Добротина и др.) показали, что в момент развития широкого атмосферного ливня (§ 100), кроме большого мгновенного возрастания плотности корпускулярного потока космических лучей, резко

изменяется и их состав: процентное соотношение между частицами на уровне моря приближается к тому, которое обычно наблюдается в стратосфере. Поскольку широкий атмосферный ливень вызван первичными частицами исключительно большой энергии, то все процессы, сопровождающие дробление этой энергии, простираются в атмосфере на большую глубину и на мгновение картина этих процессов на уровне моря становится сходной с той, которая при средних энергиях первичных частиц имеет место на высоте

Со времен открытия космических лучей было высказано много гипотез об их происхождении. Однако почти все эти гипотезы оказались неверными. До настоящего времени происхождение космических лучей остается нерешенной проблемой.

Установлено, что некоторая часть космического излучения возникает в пределах нашей солнечной системы. Ее источником является Солнце, что доказывается увеличением интенсивности космических лучей в периоды усиления солнечной активности. Однако излучение Солнца составляет небольшую часть в общем потоке космических лучей, приходящих на Землю. Остальная же часть этого потока возникает где-то далеко за пределами солнечной системы.

Главной трудностью в объяснении происхождения космических лучей является то, что некоторые космические частицы обладают огромной энергией и необходимо ответить на вопрос, где и при каких условиях они были ускорены до таких значений энергии.

Согласно распространенным сейчас взглядам ускорение космических частиц происходит в существующих во Вселенной магнитных полях, создаваемых «облаками» межзвездного ионизированного вещества. По косвенным оценкам напряженность этих магнитных полей порядка

Однако для ускорения частиц в межзвездных космических полях до огромных энергий они должны обладать достаточно большой начальной энергией. Источником частиц с такой энергией могут служить вспышки новых звезд (в нашей Галактике вспыхивает примерно 50 новых звезд в год).