Космические лучи представляют собой фрагменты атомов, которые со скоростью света прилетают на Землю от источников за пределами Солнечной системы и могут привести к выходу из строя искусственных спутников.
Космические лучи были открыты ещё в 1912 году, но и сегодня, столетие спустя, они остаются загадкой для учёных. В частности, неясно их происхождение. Большинство учёных сходятся на том, что их источником служат вспышки сверхновых звёзд, однако много лет считалось, что они приходят в равной мере со всех направлений.
Прорыв в изучении космических лучей наступил в 2017 году, когда сотрудники обсерватории Пьера Оже (Pierre Auger Observatory) в западной Аргентине изучили траектории движения более чем 30 000 космических частиц. Хотя их происхождение до сих пор вызывает споры, первый шаг в этом исследовании – найти источники космических лучей. Результаты данного исследования опубликованы в журнале Science.
Космические лучи интересны не только астрономам. В ноябре 2017 года команда исследователей обнаружила возможную пустоту внутри пирамиды Хеопса в Гизе, используя так называемую мюонную томографию. При помощи этой технологии измеряется степень проникновения лучей сквозь твёрдые тела.
История открытия
Хотя официально открытие космических лучей состоялось лишь в начале ХХ века, уже в 1780-е годы учёные подозревали их существование. Французский физик Шарль Огюстен де Кулон, в честь которого названа единица электрического заряда, однажды обнаружил, что заряженная сфера внезапно потеряла свой заряд. Тогда учёные считали воздушную среду изолятором, а не проводником электричества. Однако оказалось, что воздух способен проводить электричество, если его частицы имеют заряд. Чаще всего это происходит, когда молекулы взаимодействуют с заряженными частицами или рентгеновским излучением. Но оставалось непонятным, откуда приходят эти заряженные частицы. Против них не защищал даже свинец. 7 августа 1912 года физик Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре на высоту 5300 метров и обнаружил там в три раза более интенсивное ионизирующее излучение, чем на уровне Земли, что убедительно говорило о его космическом происхождении.
Поиски источника лучей продолжались более столетия. Наконец, в 2013 году были получены данные наблюдений остатков двух сверхновых – IC433 и W44 – с космического гамма-телескопа NASA Fermi. Среди продуктов взрывов этих звёзд были зарегистрированы гамма-фотоны, которые, в отличие от космических лучей, не испытывают влияния магнитного поля. Эти гамма-лучи имели такие же энергетические характеристики, что и субатомные частицы, называемые нейтральными пионами. Пионы появляются, когда протоны «застревают» в магнитном поле внутри взрывной волны, идущей от сверхновой, и сталкиваются друг с другом.
Другими словами, соответствие энергетических характеристик показало, что протоны способны двигаться внутри сверхновых звёзд с достаточно высокой скоростью, чтобы вызвать появление космических лучей.
Что известно сегодня о космических лучах
Сегодня мы знаем, что галактические космические лучи представляют собой «обломки» атомов – протоны (положительно заряженные частицы), электроны (отрицательно заряженные частицы) и атомные ядра. Мы знаем, что они появляются во время вспышек сверхновых, однако возможны и другие источники. Не совсем понятно, как сверхновые звёзды способны так быстро создавать космические лучи.
Космические лучи постоянно бомбардируют Землю, причём высокоэнергичные первичные лучи сталкиваются с атомами в верхних слоях земной атмосферы, в то время как вторичные частицы выбрасываются при этих столкновениях и достигают поверхности планеты.
К сожалению, когда лучи достигают Земли, уже невозможно точно установить, откуда они пришли, так как они проходят на своем пути через многочисленные магнитные поля, меняющие их путь (это поля нашей Галактики, Солнечной системы и самой Земли).
Учёные пытаются искать источники космических лучей, исследуя их состав. Для этого изучается спектроскопический след, который ядра атомов испускают в виде радиации, а также измеряется масса различных изотопов (разновидности атомов и ядер химических элементов), регистрируемых детекторами космического излучения.
Оказывается, космические лучи состоят из наиболее распространённых во Вселенной элементов. Примерно 90 процентов атомных ядер в космических лучах – это ядра атомов водорода (протоны), а 9 процентов – гелия (альфа-частицы). Водород и гелий – самые распространённые элементы во Вселенной, из которых произошли звёзды, галактики и другие крупные космические объекты. Оставшийся один процент составляют все остальные элементы, и именно он позволяет различать типы космических лучей. Исследование, проведенное сотрудниками обсерватории Пьера Оже в 2017 году, позволило обнаружить определённые вариации в траекториях, по которым прилетели частицы, что позволило предположить, откуда они берут своё начало.
Также можно датировать космические лучи по уровню радиоактивности атомных ядер, которая уменьшается со временем. Измеряя период полураспада каждого ядра, учёные могут рассчитать, сколько времени космический луч провёл в пространстве.
В 2016 году космический аппарат Advanced Composition Explorer (ACE), запущенный NASA, обнаружил, что большинство космических лучей, вероятно, происходит из ближайших скоплений массивных звёзд. Спутник обнаружил лучи с содержанием радиоактивной формы железа – железа-60. По времени распада этого элемента учёные установили, что он не мог появиться далее, чем в 3 000 световых лет от Земли – это расстояние соответствует ширине того спирального рукава Млечного пути, где находимся мы.
В 2017 году на МКС установили прибор ISS-Cream (Cosmic Ray Energetics and Mass, Исследование энергетики и масс космических лучей). В течение расчётных трёх лет работы он будет собирать данные, которые помогут установить, ответственны ли именно сверхновые за большинство космических частиц, когда появились космические частицы и есть ли единый механизм, который объяснит все спектры энергий космических лучей. С 2015 года на МКС также находится калориметрический электронный телескоп (CALorimetric Electron Telescope (CALET)), при помощи которого ведутся поиски самых высокоэнергичных космических частиц.
Космические лучи можно регистрировать и при помощи оборудования, установленного на борту воздушного шара. Так, например, работает счётчик галактических элементов Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER), созданный при участии Лаборатории реактивного движения NASA и нескольких университетов. Рекордная продолжительность его полёта над Антарктикой составила 55 суток. «Данные, полученные в ходе этого полёта, позволяют нам выдвигать гипотезы о происхождении космических лучей. В частности, мы проверяем новую гипотезу происхождения лучей в звёздных ОB-ассоциациях, а также модели для определения того, какие именно частицы ускоряются», – говорится на сайте проекта SuperTIGER.
Добровольцы, желающие помогать учёным, также могут принять участие в поиске космических лучей – для этого нужно только зарегистрироваться на сайте crayfis.io, после чего они станут участниками эксперимента CRAYFIS, проводимого Лабораторией методов анализа больших данных (Laboratory of Methods for Big Data Analysis (LAMBDA)) при Национальном исследовательском университете Высшая школа экономики (ВШЭ, Россия). Для исследования сверхвысокоэнергичных космических лучей используются обычные мобильные телефоны.
Почему опасна космическая радиация
Магнитное поле Земли и её атмосфера защищают нашу планету от 99,9% всей космической радиации. Но за пределами магнитного поля радиация представляет собой серьёзную угрозу для человека. Датчик, установленный на борту марсохода Curiosity, замерял дозы радиации в течение всего 253-суточного перелёта аппарата к Марсу. Оказалось, что астронавт получил бы дозу примерно в 0,66 зиверта на пути к Марсу и обратно. На Земле человек получил бы такую дозу, если бы каждые пять-шесть суток проходил компьютерную томографию всего тела.
Доза в 1 зиверт увеличивает риск заболевания одной из неизлечимых форм рака на 5,5%, в то время как нормальная доза, получаемая ежедневно человеком на поверхности Земли, составляет лишь 10 микрозивертов (0,00001 зиверта).
Луна лишена атмосферы и имеет крайне слабое магнитное поле, поэтому лунным колонистам пришлось бы закапывать свое поселение в лунный грунт (реголит).
У Марса отсутствует глобальное магнитное поле. Частицы солнечного ветра сорвали с Марса большую часть его атмосферы, из-за чего радиация свободно достигает поверхности Красной планеты. Максимальное атмосферное давление на Марсе равно давлению на Земле на высоте в 35 километров. На низких высотах марсианская атмосфера всё-таки обеспечивает небольшую защиту от космической радиации.
В 2017 году NASA запустило программу изучения влияния космических лучей на астронавтов во время долговременных перелётов в своей Лаборатории космической радиации (Space Radiation Laboratory).
Источник space.com