Rumregner

Rumregner

Alexey Levin
"Popular Mechanics" №9, 2012

Jorden bombarderes af rummet … Nej, dette er ikke et citat fra en fantastisk actionfilm, men en realitet – vores planet bliver konstant "bombarderet" af strømme af ladede partikler fra det dybe rum

Når kolliderer med atomer af gasser i sammensætningen af ​​luft udløser kosmiske partikler forgreningskæder af nukleare reaktioner, der producerer mange sekundære produkter. En proton med en energi på tiere og hundredvis af TeV, der kommer ind i atmosfæren, giver anledning til andre højenergipartikler, som er spredt på de omgivende atomer og giver anledning til de næste generationer af partikler. Som følge heraf finder en kaskadefødt af partikler sted i luftrummet, hvoraf mange er ustabile og hurtigt forfaldne. Så der er mange partikel luftbrusere, som først blev observeret af Dmitry Skobeltsyn i slutningen af ​​1920'erne.

Sammensætningen af ​​"regn"

Stråling brusere
Ifølge NASA er kosmiske stråler 98% bestående af baryoner (protoner og alfa partikler – heliumkerner). Når de kolliderer med kernerne i gasatomer i atmosfæren, danner de en lang række fragmenter og ladede og neutrale partikler, der igen kolliderer med atomernes kerner, bryder op og forårsager en "kosmisk nedslidning"

Ifølge data udgivet af NASA i 2010 består 98% af kosmisk ladede partikelflusser af baryoner og kun 2% af stabile leptoner (elektroner og positroner). Baryon-komponenten indeholder igen protoner (87%), alfa-partikler (12%) og kerner af elementer tungere end helium, hvilke astronomer kalder metaller (1%). Blandt dem optager kulstof, nitrogen og ilt det første sted, efterfulgt af lithium, beryllium og bor. Denne seks tegner sig for omkring 90% af de kosmiske "metaller", så resten af ​​de andre forbliver en del. Ca. fire femtedele af de resterende partikler er repræsenteret af elementer med atomtal fra 9 til 25, der ligger i det periodiske bord mellem ilt og jern. Næsten alle rester fangede jern, der støder op til nikkel og kobolt. Den samlede andel af elementer tyngre end kobolt måles i hundrede tusindedele af en procent. Men de forekommer stadig – på denne måde findes kerner af guld, kviksølv, platin, bly og endda uran i de primære kosmiske stråler. På den anden side er der ingen radioaktive elementer med kort levetid.

Fra dråber til brusere

Regnets areal og det samlede antal af dets "dråber" stiger kraftigt med stigende energi i den primære partikel. Proton med en energi på ca. 1015 eV producerer ca. en million sekundære partikler, 1016 eV – op til ti millioner, 1020 eV – et par milliarder. Cascadeprocesser af denne skala, kaldet brede luftbrusere, blev først observeret i 1938 af den franske fysiker Pierre Auger. Hans navn har været i drift siden 2005, et stort internationalt kosmisk stråleobservatorium beliggende i det vestlige Argentina.

Registrering af brede brusere er ikke let. I gennemsnit en partikel med en energi på 10 dråber om året pr. Kvadratkilometer af atmosfærens øvre grænse.19 eV, mens en partikel med en energi på 1020 eV krydser det samme område meget sjældnere end en gang i århundrede. For at opdage brusere, der genereres af sådanne partikler, opbygger de derfor gigantiske størrelser. Således består hovedkomplekset af Pierre Auger Observatoriet af 1600 tanke med ultralugt vand og Cherenkov strålingssensorer spredt over et område på 3000 km2.

Tættere på rummet
Installeret i 2011 på ISS-detektoren AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) til undersøgelsen af ​​kosmiske stråler i 14 måneders arbejde, registreret 18 mia. partikler. Dette er mere end antallet af partikler påvist af alle jordbaserede detektorer i hundrede år.

To typer processer er ansvarlige for dannelsen af ​​et bad: hadron og elektromagnetisk. Den primære proton kolliderer med atomkernen og bryder den i fragmenter.Hvis dens energi ikke overstiger flere hundrede MeV, er det slutningen af ​​det, men protoner med energier af tiere og hundredvis af GeV forårsager meget mere alvorlige konsekvenser. Efter den første kollision fortsætter en sådan proton med mindre energi (ca. 30% af originalen). Under dette møde fødes der som regel ladede og neutrale pioner, men der kan opstå mere massive partikler. En ladet pion kolliderer enten med kernen i et andet atom og giver anledning til nye nukleare processer, eller har ikke tid til at gøre dette og opdeles i en muon af samme tegn og en muon neutrino (der er en anden forfaldskanal, men sandsynligheden er meget lille). En muon, hvis enorme levetid måles i et par mikrosekunder ved hjælp af elementære partikler, bevæger sig næsten ved lysets hastighed og virker meget svagt med atomkerner og mister kun lidt energi, når de passerer gennem deres elektroniske skaller. Derfor har den fremragende muligheder for at nå jordens overflade og endda trænge ind i jorden.

Til sidst forringes muoner, næsten altid til en elektron eller positron (afhængigt af deres tegn) og et par neutrinoer, muon og elektron.En neutral pion, der lever omkring et hundrede millioner gange mindre ladet, vil sandsynligvis ikke kollidere med noget og blive til et par gamma fotoner i atmosfæren. De er spredt på atomer og producerer elektron-positronpar, og positronerne fortaber hurtigt, hvilket giver anledning til ny gamma kvanta. Sådan starter den elektromagnetiske stormkaskade, der fører til fødslen af ​​den bløde komponent af kosmisk stråling. Samtidig fortsætter den primære proton, selv om den gav op noget af sin energi, samt pioner og andre ustabile partikler, der ikke havde tid til at desintegreres, fortsat at kollidere med atomkerner, hvilket giver anledning til nye og stærkt interaktive partikler af hadronkaskade. I løbet af alle disse forandringer opstår ikke kun pionerer, men også andre hatroner, såsom kaoner og hyperoner.

Atmosfæren under brand

Kosmiske stråler påvirker ganske rigtigt jordens atmosfære. Hvis protonerne blot brækker op de kerne, de rammer, kan deres mere massive partnere selv bryde op i stykker (for eksempel kan magnesiumkernen fra rummet splitte sig i seks alfa partikler). To sådanne reaktioner fortjener særlig omtale.I antallet af sekundære produkter genererer kosmiske stråler neutroner, nogle af dem sænker så meget i kollisioner med atomer af luft, at det fusionerer med kernerne i atmosfærisk nitrogen. På denne måde forekommer kerner af en ustabil carbonisotop i en højde på 15 kilometer. 14Med en halveringstid på 5.730 år. Kombineret med ilt udgør den radioaktiv kuldioxid. 14CO2som sammen med almindelig carbondioxid absorberes af planter og deltager i fotosyntese. Denne omstændighed er baseret på radiocarbon dating metode, som er meget anvendt i paleontologi og arkeologi. Brug af carbon-14 og en langt mere langlivet beryllium-radioaktiv isotop 10Være kosmisk oprindelse, kan du endda genskabe historien om udsving i intensiteten af ​​de kosmiske stråler selv til en dybde på 200.000 år (denne forskningslinje hedder eksperimentel paleoastronomi).

Atmosfæriske brusere kan også initieres af ultrarelativistiske elektroner, der kommer fra rummet. Men de falder sjældent ud, da tætheden af ​​sådanne elektroner er meget lille. I rummet forekommer de i overflod, men de hæmmes hurtigt, spredes på fotoner og udstråler elektromagnetiske bølger, når de passerer gennem magnetfelter.Derfor kommer elektroner med energier i størrelsesordenen 1000 GeV kun til jord fra relativt tætte kilder, hvor afstanden ikke overstiger 3000 lysår. Høj-energi kosmiske protoner dækker umådeligt store afstande.

Energitætheden af ​​de primære kosmiske stråler i nærheden af ​​solen er omtrent lig med 1 eV / cm3. Energiforsyningen, de leverer til vores planet, er meget stabil og er omtrent lig med 100 MW. Denne værdi er to milliard gange mindre end solenergiens energi, men det er sammenligneligt med starlightens energi, der falder på jorden. Sandt nok, kosmiske stråler, i modsætning til stjerner, inspirerer ikke digter – de er usynlige.

Oprindelse mysterium

Slægten af ​​næsten alle kosmiske partikler er etableret ret pålideligt. I 1934 foreslog amerikanske astronomer Fritz Zwicky og Walter Baade, at deres kilde kunne være supernovaeksplosioner. I 1950'erne blev denne hypotese stærkt styrket og er siden blevet generelt accepteret.

Ikke desto mindre møder hun straks en åbenbar indsigelse. Det er naturligt at antage, at løveandelen af ​​kosmiske stråler er født i vores galakse. Men stjerner, herunder supernovaer,De er koncentreret i Mælkevejens ækvatoriale plan (mere præcist i spiralarmene der ligger der), mens strålerne kommer til Jorden fra alle retninger. Faktum er, at protoner og andre ladede partikler bevæger sig i rummet er ikke ligefrem. Deres stier forvanskes gentagne gange af et galaktisk magnetfelt og kollisioner med atomer og molekyler spredt i interstellært rum. Situationen er kompliceret af, at kosmiske strålepartikler opretter deres egne magnetiske felter, som er overlejret på Galaxy's generelle felt og fordrejer dets struktur. Så bevægelsen af ​​partikler fra kilder til Jorden er meget forvirrende, og meget komplekse computerkoder er blevet skabt til dens modellering i de seneste årtier.

Vil supernovae have nok energi til at producere kosmiske stråler? Som nævnt er tætheden af ​​deres energi nær solen 1 eV / cm3; den gennemsnitlige tæthed over hele den galaktiske disk kan være større, men sandsynligvis overstiger ikke 2 eV / cm3. Da diskstørrelsen er 1067 se3, den samlede maksimale energi af kosmiske stråler er 2 × 1067 eV eller 6 × 1055 erg. Den gennemsnitlige levetid for kosmiske strålepartikler i vores galakse anslås til 15 Ma, eller 5,4 × 1014 a. Kvoten for disse mængder er 6 × 1040 erg / s er lig med den gennemsnitlige energi, der bruges hvert sekund for at opretholde en stabil tæthed af kosmisk stråling. På den anden side eksploderer supernovaer i vores galakse mindst en gang på 50 år eller 1,5 × 109 med, og hver eksplosion smider partikler med en gennemsnitlig total energi på 1050 erg. Så hver anden energiproduktion er mindst 6 × 1040 erg – så meget som nødvendigt. Uanset hvor nærmet dette estimat, det virker på hypotese af Zwicky og Baade.

Energien af ​​kosmiske protoner, der når vores planet, varierer fra 108 op til 1020 eV. Det antages, at næsten alle af dem undtagen meget sjældne partikler ved den øvre grænse af dette interval accelereres af stødbølger, der ledsager eksplosioner af intragalaktiske supernovaer. En sådan eksplosion kaster ind i rummet stoffet af en døende stjernes ydre skal med hastigheder på op til ti procent af lysets hastighed. Dette er meget mere end lydens hastighed i det interstellære medium, hvilket fører til udseendet af stødbølger. Samtidig genereres kaotiske magnetfelter, som tvinge protoner til gentagne gange at springe mellem fronterne af stødbølger og det interstellære medium, som endnu ikke er blevet komprimeret. Ved hvert hop øger protonen den kinetiske energi på grund af energien fra stødbølgen.

Supernova Surfing
De ladede partikler af kosmiske stråler accelererer til enorme energier, der hopper fra chokbølgen af ​​en supernova-eksplosion til det stadig ikke-komprimerede materiale af den interstellære gas, ligesom surferen accelererer, ruller ned fra bølgens højde

Protoner, der gennemgår det maksimale antal overgange, får den højeste energi, men forbliver numerisk i mindretallet. Som følge heraf smider en supernova-eksplosion i overflod op brintkerner med en energi på op til 1012 eV, men i meget mindre mængder frembringer partikler med høje energier. "Denne mekanisme forklarer godt accelerationen af ​​protoner og sammensatte kerner til en energi på omkring 1016 eV, siger Angela Olinto, professor i astronomi og astrofysik ved University of Chicago. – Det er muligt, at eksplosionerne fra de mest massive sammenfaldende stjerner accelererer protoner selv til 1018 eV. Mulige kilder til protoner med høje energier inden for Vintervejen er endnu ikke blevet fundet, så de kommer helt sikkert fra andre galakser. "

Supernova eksplosioner genererer også superfast elektroner med positrons. Imidlertid er disse partikler let decelereret og spredt i det interstellære medium og har for det meste ikke tid til at nå jorden (ogpositrons også udslette). Derfor er deres andel i de primære kosmiske stråler lille, og energien er ikke for stor.

Stråler registrerer breakers

For et halvt århundrede siden registrerede amerikanske fysikere en bred kosmisk nedbrusning frembragt af en partikel med en energi på 100 EeV (exelectronvolt). Siden da er der kun blevet observeret snesevis af begivenheder af denne størrelse. Den stadig uklæbte rekord blev indstillet den 15. oktober 1991, da flyets øje detektor i den amerikanske delstat Utah opdagede en partikel signatur med en energi på 320 EeV eller 51 J (en kinetisk energi har en tennisbold, der flyver ved 160 km / t).

Nu studeres disse partikler kun på tre steder – dette er Auger Observatory, der har været i drift siden 2007. Teleskop array i staten Utah og den russiske installation af EAS i landsbyen Oktemtsy syd for Yakutsk (den eneste af de tre med muon detektorer). Oprindelsen af ​​disse partikler er endnu ikke kendt; der er ikke engang fuldstændig tillid til, at alle er protoner, alfa partikler eller kerner af metaller. Ifølge den mest almindelige version er de født i de aktive kerner i galakser. Men der er andre forklaringer, der forbinder dem med gamma-ray bursts, accretion processer nær stærkt magnetiserede neutronstjerner,sammensmeltningen af ​​sorte huller og endda sammenbruddet af hypotetiske massive mørke stofpartikler eller nedbrydning af endnu mere hypotetiske topologiske defekter i rummet, der er arvet fra Big Bang-æraen.

Men uanset hvordan protonerne vises med energier fra hundredvis af EEV, er deres kilder ikke for langt fra vores galakse, i hvert fald ikke på kosmologiske afstande. Rejser i rummet, de interagerer med mikrobølge baggrundsstråling quanta, hvis tæthed er omkring 400 fotoner per cm3. Disse kollisioner fører til fødslen af ​​pioner, både positivt ladet og neutralt. En ladet pion opstår sammen med en neutron, hvorefter begge partikler desintegrerer – den første meget hurtigt, den anden i minutter. Neutral pion, som falder endnu hurtigere, ses sammen med protonen, hvis energi er mærkbart ringere end forældrenes energi (det samme gælder for protoner født som følge af neutronforfald). Som følge heraf er der i strækninger over 50 megaparsecs fra kilden (160 millioner lysår) ingen protoner med energi større end 50 EeV. Denne effekt i midten af ​​1960'erne var forudsagt af Cornell University professor Kenneth Greisen og derefter FIAN medarbejdere George Zatsepin og Vadim Kuzmin.

Muon Metrophysics

Kosmiske stråler studeres ved hjælp af detektorer installeret i jord- og underjordiske observatorier, på fly, balloner og rumfartøjer. Et sådant observatorium på 10 år opereret i de mothballed huse på stationerne i Moskva metro Kropotkinskaya og Park Kultury. Som Irina Rakobolskaya, professor-konsulent ved fakultetet for Moscow State University, fortalte "PM", blev 144 multilagskamre monteret der i slutningen af ​​1960'erne, som indspillede muoner genereret af primære nukleoner med energier på op til 1015-1016 eV. Muons forlod spor på stakken af ​​ark af dobbeltsidet røntgenfilm med et samlet areal på 4000 m2lagdelt med blyplader. Moskva fysikere opnåede interessante resultater, der gjorde det muligt at rette fejlene fra deres amerikanske kolleger.

Følg stien

Ultrarelativistiske baryoner er meget svagt afbøjet af intergalaktiske magnetfelter, så deres baner angiver omtrent retningen til kilden. Astronomer forsøger imidlertid at komme frem til kilderne selv, men ifølge professor Olinto uden stor succes.For at lette løsningen af ​​dette problem er det nødvendigt at registrere flere partikler af ultrahøje energier. Dette er rettet mod det internationale projekt JEM-EUSO (Japansk Eksperiment Modul – Extreme Universe Space Observatory), som indebærer installationen i 2016 i det japanske modul på den internationale rumstation af et unikt vidvinkel teleskop. Denne enhed sporer ultraviolette fotoner, der forekommer i atmosfæriske brusere, der genereres af partikler med energier på tiere og hundredvis af eV. Da orbital teleskopet vil have et bredere synsfelt end jordbaserede installationer, vil det være i stand til at fange meget flere partikler.

Russiske forskere har deltaget i forberedelsen af ​​JEM-EUSO-projektet i flere år nu. "Inden for rammerne af dette program har vi designet instrumenter til Tatiana-1 og Tatiana-2 mini-satellitterne, og næste år håber vi at lancere en meget tungere Lomonosov-satellit", siger Mikhail Skobeltsyn, direktør for Institut for Kernfysik ved Moskva State University Panasyuk. – Et af målene med disse lanceringer er at udvikle metoder til isolering af ultraviolette flares fra kosmiske stråler mod den generelle baggrund af atmosfærens ultraviolette glød. Dette er en meget vanskelig opgave, og informationer fra satellitter hjælper med at løse det.Vi er også involveret i modellering af atmosfæriske processer i forbindelse med driften af ​​teleskopet og dets mekaniske systemer: Teleskopet vil blive leveret til omløbsområdet foldet, hvorefter det vil blive bragt til en arbejdsstat. Desværre er skæbnen for dette forsøg hidtil ikke klart, da NASA i september sidste år nægtede at deltage i projektet. På grund af dette har Japan endnu ikke truffet en endelig afgørelse om lanceringen af ​​teleskopet, selvom dette eksperiment støttes og støttes aktivt af Den Europæiske Rumorganisation. "

Mod en ny fysik

I de senere år er kosmiske stråler igen kommet ind i den grundlæggende fysiks interessesfære. "Lavenergipartikler, der ikke overstiger 1012 eV, meget, de registreres let af jordbaserede, luftbårne og rumbaserede enheder. PAMELA-detektorkomplekset installeret på den russiske Resurs-DK1-satellit, der blev lanceret i juni 2006, er også involveret i dette, Sergei Troitsky, en førende forsker ved Institut for Kernfysik i det russiske videnskabsakademi, forklarer Popular Mechanics. – Apparaterne registrerede et overskud af positive af visse energier, hvilket er ret vanskeligt at forklare.Der er mistanke om, at "ekstra" positrons opstår, når udslettende mørke stofpartikler, der endnu ikke er opdaget. Hvis disse mistanker bekræftes, vil der være chancer for at udtrække information om dets egenskaber fra observationer af kosmisk stråling.

Den anden mulighed er at bruge de mest energiske kosmiske partikler som en slags tilsætning til Genève Large Hadron Collider. Konsekvenserne af kollisioner af disse partikler med luftatomer afhænger af deres energi i referencerammen bundet til kernen af ​​atompartikelparet. Det er meget mindre end deres energi i rækkefølgen af ​​hundredvis af EEV'er i laboratorierammen, men stadig ti gange mere end den tilsvarende energi, der kan opnås i eksperimenter på LHC. Hvis du registrerer i detaljer de forskellige komponenter i et stort brusebad, kan du få oplysninger om processerne umiddelbart efter den første kollision af "overordnet" partikel.

Der er en mere eksotisk søgelinje. Nogle data indikerer, at 2-3% af partikler med energi i størrelsesordenen 10 EeV kommer fra Lac-certids, kraftige kilder til elektromagnetisk stråling i kernerne i nogle galakser. De er simpelthen ikke nær Milky Way, de er mindst hundrede og halvtreds megaparsecs væk fra os.Faktum er imidlertid, at ingen af ​​de kendte neutrale partikler kan flyve sådan en afstand. Protoner og atomkerner er i stand til dette, men de ville afvige i intergalaktiske magnetfelter til meget større vinkler fra retninger til de antatte kilder til Lazertida, som observationer viser. Så opstår spørgsmålet: Er der nogen ny fysik her? "


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: