Реликтовое излучение – все о космосе

Реликтовое излучение Вселенной

Реликтовое излучение – все о космосе

Реликтовое излучение – все о космосе

Одним из интересных открытий, связанных с электромагнитным спектром, является  реликтовое излучение Вселенной. Открыто оно было случайно, хотя возможность его существования была предсказана.

История открытия реликтового излучения

История открытия реликтового излучения началась в 1964 году. Сотрудники американской лаборатории Белл Телефон разрабатывали систему связи с помощью искусственного спутника Земли.

Работать эта система должна была на волнах длиной 7,5 сантиметра.

Столь короткие волны применительно к спутниковой радиосвязи имеют некоторые преимущества, но до Арно Пензиаса и Роберта Уилсона никто этой проблемы не решал.

Они были первооткрывателями в этой сфере и должны были позаботиться о том, чтобы на той же волне не оказалось сильных помех, или  чтобы о таких помехах работники связи знали заранее. В то время считали, что источником радиоволн, идущих из космоса, могут быть лишь точечные объекты вроде радиогалактик или звезд.

В распоряжении ученых были исключительно точный приемник и поворотная рупорная антенна. С их помощью ученые могли прослушать весь небесный свод примерно так, как врач прослушивает грудь больного с помощью стетоскопа.

Сигнал природного источника

И вот едва антенну навели на одну из точек небосвода, как на экране осциллографа заплясала кривая линия. Типичный сигнал природного источника. Наверное, специалисты удивились своему везению: в первой же замеренной точке — источник радиоизлучения!

Но куда бы они ни направляли свою антенну, эффект оставался тот же. Ученые вновь и вновь проверяли исправность аппаратуры, но она была в полном порядке. И наконец они поняли, что открыли неизвестное ранее явление природы: вся Вселенная оказалась как бы наполнена радиоволнами сантиметровой длины.

Если бы мы могли видеть радиоволны, небесный свод представился бы нам светящимся от края до края.

Радиоволны Вселенной

Открытие Пензиаса и Уилсона было опубликовано.

И уже не только они, а и учёные многих других стран начали поиски источников таинственных радиоволн, улавливаемых всеми приспособленными для этой цели антеннами и приемниками, где бы они ни находились и на какую бы точку неба ни нацеливались, причем интенсивность радиоизлучения на волне 7,5 сантиметра в любой точке была абсолютно одинаковой, оно словно бы размазано по всему небу равномерно.

Реликтовое излучение рассчитано учеными

Советские ученые А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков, предсказавшие реликтовое излучение до его открытия, произвели сложнейшие подсчеты.

Они учли все имеющиеся в нашей Вселенной источники излучения, учли и то, как изменилось излучение тех или иных объектов во времени.

И оказалось, что в области сантиметровых волн все эти излучения минимальны и, следовательно, за обнаруженное свечение неба никак не ответственны.

Между тем дальнейшие расчеты показали, что плотность размазанного излучения очень велика. Вот сравнение фотонного киселя (так назвали ученые загадочное излучение) с массой всей материи по Вселенной.

Если все вещество всех видимых Галактик равномерно «размазать» по всему пространству Вселенной, то на три кубических метра пространства придется лишь один атом водорода (для простоты всю материю звезд будем считать водородом). И в то же время в каждом кубическом сантиметре реального пространства содержится около 500 фотонов излучения.

Немало, даже если сравнивать не количество единиц вещества и излучения, а прямо их массы. Откуда же взялось столь интенсивное излучение?

В свое время советский ученый А. А. Фридман, решая знаменитые уравнения Эйнштейна, открыл, что наша Вселенная находится в постоянном расширении. Вскоре было найдено подтверждение этому.

Американец Э. Хаббл обнаружил явление разбегания Галактик.

Экстраполируя это явление в прошлое, можно вычислить момент, когда все вещество Вселенной находилось в весьма малом объеме и плотность его была несравненно большей, чем сейчас.

В ходе расширения Вселенной происходит и удлинение длины волны каждого кванта пропорционально расширению Вселенной; при этом квант как бы «охлаждается» — ведь чем меньше длина волны
кванта, тем он «горячее».

Сегодняшнее сантиметровое излучение имеет яркостную температуру около 3 градусов абсолютной шкалы Кельвина. А десять миллиардов лет назад, когда Вселенная была несравненно меньшей, а плотность ее вещества очень большой, эти кванты обладали температурой порядка 10 миллиардов градусов.

С тех пор и «засыпана» наша Вселенная квантами непрерывно остывающего излучения. Потому-то «размазанное» по Вселенной сантиметровое радиоизлучение и получило название
реликтовое излучение.

Реликтами, как известно, называются остатки древнейших животных и растений, сохранившихся до наших дней. Кванты сантиметрового излучения — безусловно, самый древний из всех возможных реликтов. Ведь образование их относится к эпохе, отстоящей от нас примерно на 15 миллиардов лет.

Знание о Вселенной принесло реликтовое излучение

Практически ничего нельзя сказать о том, каким было вещество в нулевой момент, когда его плотность была бесконечно большой. Но явления и процессы, происходившие во Вселенной, всего через секунду после ее рождения и даже раньше, до 10~8 секунды, ученые представляют себе уже довольно хорошо. Сведения об этом принесло именно реликтовое излучение.

Итак, прошла секунда с нулевого момента. Материя нашей Вселенной имела температуру 10 миллиардов градусов и состояла из своеобразной «каши» реликтовых квантов, электродов, позитронов, нейтрино и антинейтрино.

Плотность «каши» была огромной — более тонны на каждый кубический сантиметр. В такой «тесноте» непрерывно происходили столкновения нейтронов и позитронов с электронами, протоны превращались в нейтроны и наоборот.

Но больше всего было тут именно квантов — в 100 миллионов раз больше, чем нейтронов и протонов. Конечно, при подобной плотности и температуре не могли существовать никакие сложные ядра вещества: они тут не распадались.

Прошло сто секунд. Расширение Вселенной продолжалось, плотность ее непрерывно уменьшалась, температура падала. Позитроны почти исчезли, нейтроны превратились в протоны.

Началось образование атомных ядер водорода и гелия. Расчеты, проведенные учеными, показывают, что 30 процентов нейтронов объединились, образуя ядра гелия, 70 же процентов их остались одинокими, стали ядрами водорода. В ходе этих реакций возникали новые кванты, но их количество не шло уже ни в какое сравнение с первоначальным, так что можно считать, что оно и вовсе не изменялось.

Расширение Вселенной продолжалось. Плотность «каши», столь круто заваренной природой вначале, снижалась пропорционально кубу линейного расстояния. Проходили годы, столетия, тысячелетия.

Прошло 3 миллиона лет.

Температура «каши» к этому моменту упала до 3—4 тысяч градусов, плотность вещества также приблизилась к известной нам сегодня, однако сгустки материи, из которых могли бы сложиться звезды и Галактики, возникнуть еще не могли.

Слишком велико было в то время лучевое давление, расталкивавшее любое такое образование. Даже атомы гелия и водорода оставались ионизированными: электроны существовали отдельно, протоны и ядра атомов — также отдельно.

Только к концу трехмиллионнолетнего периода в остывающей «каше» начали появляться первые сгущения. Их было поначалу очень немного. Едва одна тысячная часть «каши» сгустилась в своеобразные протозвезды, как эти образования начали «гореть» аналогично современным звездам.

И исторгаемые ими фотоны и кванты энергии разогрели начавшую было остывать «кашу» до температур, при которых образование новых сгущений опять оказалось невозможным.

Периоды остывания и повторного разогревания «каши» вспышками протозвезд чередовались, сменяя друг друга. А на каком-то этапе расширения Вселенной образование новых сгущений стало практически невозможным уже потому, что некогда столь густая «каша» слишком «разжижилась».

Примерно 5 процентов материи успело объединиться, а 95 процентов рассеялось в пространстве расширяющейся Вселенной. Так «рассеялись» и некогда горячие кванты, образовавшие реликтовое излучение. Так рассеялись и ядра атомов водорода и гелия, которые входили в состав «каши».

Гипотеза образования Вселенной

Вот одна из гипотез образования Вселенной: большая часть материи нашей Вселенной находится, отнюдь, не в составе планет, звезд и Галактик, а образует межгалактический газ — 70 процентов водорода и 30 процентов гелия, один атом водорода на кубический метр пространства. Затем развитие Вселенной миновало стадию протозвезд и вступило в стадию обычного для нас вещества, обычных разворачивающихся спиральных Галактик, обычных звезд, самая знакомая из которых — наше Солнце.

Вокруг некоторых из этих звезд образовались системы планет, по крайней мере, на одной из таких планет возникла жизнь, в ходе эволюции породившая разум. Как часто встречаются в просторах космоса звезды, окруженные хороводом планет, ученые пока еще не знают. Ничего не могут они сказать и о том, как часто возникает на планетах жизнь.

Хоровод планет

Да и вопрос о том, как часто растение жизни расцветает пышным цветком разума, остается открытым. Известные нам сегодня гипотезы, трактующие все эти вопросы, больше похожи на малообоснованные догадки.

Но сегодня наука развивается лавинообразно. Совсем недавно ученые вообще не представляли себе, как начиналась наша Вселенная. Открытое около 70 лет назад реликтовое излучение позволило нарисовать ту картину. Сегодня у человечества не хватает фактов, опираясь на которые, оно сможет ответить на сформулированные выше вопросы.

Проникновение в космическое пространство, посещения Луны и других планет, приносят новые факты. А за фактами следуют уже не гипотезы, а строгие выводы.

Реликтовое излучение говорит об однородности Вселенной

О чем еще рассказали ученым реликтовые лучи, эти свидетели рождения нашей Вселенной?

А. А. Фридман решил одно из уравнений, данных Эйнштейном, и на основе этого решения открыл расширение Вселенной. Для того чтобы решить уравнения Эйнштейна, надо было задать так называемые начальные  условия.

Фридман исходил из предположения, что Вселенная однородна и изотропна, что вещество в ней распределено равномерно. И в течение 5—10 лет, прошедших со дня открытия Фридмана, вопрос о том, правильно ли было это его предположение, оставался открытым.

Сейчас он по существу снят. Об изотропности Вселенной свидетельствует удивительная равномерность реликтового радиоизлучения. Второй факт свидетельствует о том же — распределение вещества Вселенной между Галактиками и межгалактическим газом.

Межгалактический газ

Ведь межгалактический газ, составляющий основную часть вещества Вселенной, распределен по ней столь же равномерно, как и реликтовые кванты.

Открытие реликтового излучения дает возможность заглянуть не только в сверхдалекое прошлое — за такие пределы времени, когда не было ни нашей Земли, ни нашего Солнца, ни нашей Галактики, ни даже самой Вселенной.

Как удивительный телескоп, который можно направить в любую сторону, открытие реликтового излучения позволяет заглянуть и в сверхдалекое будущее. Такое сверхдалекое, когда уже не будет ни Земли, ни Солнца, ни Галактики.

Здесь поможет явление расширения Вселенной, то как разлетаются в пространстве слагающие ее звезды, Галактики, облака пыли и газа. Вечен ли этот процесс? Или же разлет замедлится, остановится, а затем сменится сжатием? И не являются ли сменяющие друг друга сжатия и расширения Вселенной своеобразными пульсациями материи, не уничтожимой
и вечной?

Ответ на эти вопросы зависит в первую очередь от того, сколько материи содержится во Вселенной. Если ее общего тяготения достаточно, чтобы преодолеть инерцию разлета, то расширение неизбежно сменится сжатием, при котором Галактики постепенно сблизятся. Ну а если сил гравитации для торможения и преодоления инерции разлета недостаточно, наша Вселенная обречена: она рассеется в пространстве!

Грядущая судьба всей нашей Вселенной! Существует ли проблема более грандиозная? Изучение реликтового излучения дало науке возможность ее поставить. И не исключено, что дальнейшие исследования позволят ее решить.

Космические лучи и реликтовое излучение

Реликтовое излучение – все о космосе

В отличие от таких форм материи, как вещество и магнитное поле, которые концентрируются в галакти­ках, реликтовое излучение заполняет равномерно всю Вселенную. Оно проникает как внутрь галактик, так и заполняет огромные пространства между ними.

Наблю­дения показывают, что плотности энергий магнитного поля, космических лучей, турбулентных движений газа, света звезд внутри Галактики сравнимы с плотностью энергии реликтового излучения.

Поэтому при рассмотре­нии ряда процессов взаимодействия, идущих в галакти­ках, мы должны учитывать и реликтовое излучение.

Роль последнего становится еще более важной, когда мы переходим к изучению процессов, происходящих в межгалактической среде, в которой плотности энергий магнитного поля, турбулентных движений газа и другие параметры несравненно меньше их значений внутри га­лактик, в то время как плотность энергии реликтового излучения остается неизменной.

Одним из самых важных процессов такого рода яв­ляется процесс взаимодействия частиц и излучения вы­соких энергий с реликтовым излучением. Рассмотрим, например, взаимодействие релятивистских электронов с реликтовым излучением.

Основным процессом такого взаимодействия является обратный Комптон-эффект, ко­торый мы подробно обсуждали в предыдущем разделе. Если раньше нас интересовало взаимодействие реликто­вого излучения с горячей нерелятивистской плазмой, то в рассматриваемом случае ситуация в количественном отношении иная.

В релятивистском случае электрон с энергией Е передает фотону при каждом акте столкно­вения большую энергию, чем в нерелятивистском случае. При этом рассеянии частота фотона смещается в высо­кочастотную область и становится равной vp ~ v(E/mc2)2.

В этом выражении vp 2 • 1011 Гц — частота, на которую приходится максимум интенсивности реликтового излу­чения. Из выражения видно, что релятивистские элект­роны с достаточно высокой энергией могут перевести часть реликтовых квантов в рентгеновский диапазон.

Например, при обсуждении радиофона мы видели, что большой вклад в наблюдаемое радиоизлучение дает синхротронное излучение релятивистских электронов га­лактических космических лучей, причем энергии этих электронов равны E ~ 2000 тс2.

Эти радиоэлектроны, сталкиваясь с реликтовыми фотонами, переводят их в рентгеновский диапазон vp ~ 8 • 1017 Гц (длина волны около 4 А).

Количественная оценка потока рентгенов­ского излучения Галактики в предположении, что реля­тивистские электроны, ответственные за ее синхротрон­ное радиоизлучение, дают рентгеновское излучение на­шей Галактики (при обратном Комптон-эффекте на ре­ликтовом излучении), согласуется с наблюдаемой вели­чиной рентгеновского потока.

Так как при обратном Комптон-эффекте электрон теряет свою энергию, то важ­ную роль в построении количественных моделей внега­лактических рентгеновских и радиоисточников играет «время жизни» электронов при комптоновском рассея­нии.

При этом электроны теряют энергию, по величине пропорциональную произведению плотности энергии излучения на квадрат энергии электронов. Радиоэлект­роны в Галактике потеряют всю свою энергию из-за Комптон-эффекта примерно за время 300 млн. лет. Это же время характерно и для потерь на синхротронное ра­диоизлучение.

Полученные оценки времени жизни реля­тивистских электронов внутри нашей Галактики сильно понизятся, если мы учтем процессы комптоновского рас­сеяния в удаленных объектах (например, в источниках с красным смещением z = 2).

Физические процессы в них характеризуются условиями, имевшими место во Вселен­ной во времена примерно 3 • 109 лет с начала расшире­ния. В этот момент плотность реликтового излучения была в 81 раз выше современной, следовательно, время жизни релятивистских радиоэлектронов было уже в 81 раз короче — 4 млн. лет. Аналогично для источников, удаленных на расстояния, соответствующие z ~ 4, плот­ность реликтового излучения была настолько высока, что время жизни этих электронов уже всего 500 тыс. лет. Причем одновременно с уменьшением времени жизни электронов увеличивается мощность рентгеновского из­лучения, которая пропорциональна плотности энергии реликтового излучения.

Таким образом, мы видим, что уже только учет комп­тоновского взаимодействия релятивистских электронов в радиоисточниках с реликтовым излучением приводит к сильным эволюционным изменениям рентгеновской светимости далеких объектов.

Если к тому же допустить эволюцию других параметров таких радиоисточников и эволюцию их числа, то тем самым можно объяснить наб­людаемый рентгеновский фон как суммарное излучение большого числа далеких источников.

Сравнительно ма­лое время жизни релятивистских электронов из-за зна­чительных энергетических потерь на обратный Комптон-эффект на реликтовом излучении указывает на то, что релятивистские электроны существуют только внутри са­мих радиоисточников или в их окрестностях и, по-види­мому, не заполняют межгалактическое пространство.

В ряде случаев взаимодействие релятивистских элек­тронов с реликтовым излучением может привести к за­метным оптическим эффектам, которые позволяют су­дить о физических условиях внутри объектов. Как при­мер можно привести наблюдаемый в оптическом и ра­дио-диапазонах выброс от квазара 3С 273, который ясно виден на рис. 12.

Этот выброс вытянут почти на 5″, что при расстоянии до квазара в 470 Мпс соответст­вует линейным размерам около 20 кпс (5 • 1022 см).

По­пытки объяснить оптическое излучение как синхротронное излучение реля­тивистких электро­нов, с энергиями 500 ГэВ (106mc2) в магнитном поле с напряженностью 10-4—40-5 Э сталки­ваются с трудностя­ми, связанными с малым временем жизни электронов.

Действительно, по­тери энергии элект­ронами на синхро­тронное излучение в этом магнитном поле таковы, что время жизни элект­ронов составляет всего 102—103 лет, в то время как воз­раст выброса, оце­ненный из его размеров, соответствует десяткам и сотням тысяч лет.

Ко­нечно, можно было бы предположить, что величина маг­нитного поля в выбросе на порядок или два меньше, но тогда возникают трудности, связанные с наблюдаемой устойчивостью выброса.

По этой причине оптическое излучение можно объяснить за счет обратного компто­новского рассеяния на реликтовом излучении релятиви­стских электронов с энергиями всего 40 МэВ (80 тс2). При такой интерпретации не возникает трудностей с временем жизни электронов, так как оно на несколько порядков превышает приведенные ранее цифры. Прав­да, так как наблюдаемая устойчивость выброса требу­ет магнитных полей 10-4—10-5 Э, то следует предполо­жить, что это магнитное поле имеет вытянутую, в виде трубки, структуру и что релятивистские электроны прак­тически двигаются вдоль этой трубки.

Фотография (негатив) квазара

Что касается протонной и более тяжелой компонент космических лучей, то следует отметить их малую эф­фективность взаимодействия с реликтовым излучением.

Основным механизмом взаимодействия релятивистских протонов с реликтовым излучением будет уже не Комп­тон-эффект, а рождение при столкновении новых ча­стиц — пионов. При этом протоны эффективно теряют свою энергию, передавая ее вновь образовавшимся ча­стицам.

Свойство этого взаимодействия таково, что оно начинается только с энергий протонов выше 1020 эВ. По­этому следует ожидать уменьшения числа релятивист­ских протонов в области высоких энергий, начиная с этой пороговой энергии 1020 эВ.

Если окажется, что в спектре такого «завала» не наблюдается, то это будет говорить о малом возрасте жизни протонов (меньше 100 млн. лет) или о том, что эти протоны пришли к нам с расстояний, меньших 100 млн. св. лет.

С другой сто­роны, если такой «завал» будет обнаружен, то это ука­жет на больший возраст релятивистских протонов с энергиями >1020 эВ и на возможность их метагалактиче­ского происхождения. Современная техника , регистра­ции частиц с такими энергиями как раз стоит на поро­ге их обнаружения. Ближайшее будущее покажет нам, каковы природа и происхождение космических лучей сверхвысоких энергий.

Реликтовое излучение также оказывает существен­ное влияние на космическое гамма-излучение.

Основным результатом взаимодействия реликтового фена с кван­тами гамма-излучения с энергиями, превышающими 2,5 • 1014 эВ, при их столкновении с реликтовыми кван­тами является рождение электрон-позитронных пар (вза­имодействие, обратное аннигиляции электрон-позитрон­ных пар).

Это взаимодействие настолько эффективно, что гамма-квант не успевает пробежать путь и порядка размеров галактики, как он поглощается. Поэтому в спектрах излучения далеких объектов в диапазоне энер­гий, превышающем пороговую энергию 2,5 • 1014 эВ, дол­жен наблюдаться «завал».

by HyperComments

Космические лучи и реликтовое излучение во Вселенной

Реликтовое излучение – все о космосе

Сохрани ссылку в одной из сетей:

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ И РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ВО ВСЕЛЕННОЙ

Г. Е. Кочаров

Открытие космических лучей, подобно многим открытиям, было сделано случайно в процессе изучения другого явления. В 1911 году молодой австрийский физик Виктор Гесс поднял ионизационную камеру на воздушном шаре с целью измерения коэффициента поглощения гамма-излучения, испускаемого земной корой.

Вопреки ожиданиям скорость ионизации с удалением от земной поверхности не только не уменьшилась, как ожидал Гесс, а даже увеличилась. В 1912 году Гесс совершил еще семь полетов на воздушных шарах. Первый из них был 17 апреля 1912 года во время частичного солнечного затмения.

Уменьшения скорости ионизации не было, и Гесс заключил, что Солнце не является источником ионизации. Седьмой знаменитый полет начался 7 августа 1912 года в 6 ч 12 мин утра около города Ауссита (Австрия). Была достигнута рекордная высота 5350 м.

При подъеме до 1000 м было небольшое уменьшение скорости ионизации, обусловленной поглощением гамма-излучения радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. После этого ионизация окружающего воздуха стала увеличиваться с высотой. Таким образом, шар приближался к источнику ионизации, а не удалялся от него.

Гесс установил, что на высоте 5 км скорость ионизации была уже в четыре раза больше, чем на уровне моря.

В результате тщательного анализа полученных данных Гесс пришел к выводу, что излучение большой проникающей способности входит в атмосферу сверху. Открытое излучение Гесс назвал ультра-гамма-излучением. В 1925 году американский физик Роберт Милликен предложил переименовать это излучение в космические лучи.

Нобелевскую премию Гесс получил в 1936 году, то есть через 24 года после открытия космических лучей. По определению, Нобелевская премия должна присуждаться за новейшие достижения.

Задержка была обусловлена как наличием сомнений в существовании космических лучей, так и необходимостью понимания важности этого нового явления для физики и астрофизики.

В 20-е годы Р. Милликен и В. Кольхерстер, интенсивно занимающиеся космическими лучами, изучали, как они поглощаются в атмосфере Земли, воде и других веществах. Но что собой представляли эти лучи, никто не знал.

Не было в руках ученых, исследующих космические лучи, прибора, пригодного для изучения этого явления, хотя он уже и существовал.

Это была камера Вильсона – один из самых замечательных физических приборов, впервые позволивший осуществить то, что любой физик мог бы посчитать несбыточной фантазией: увидеть треки отдельных элементарных частиц.

В 1923 году Д.В.

Скобельцын начинает заниматься эффектом Комптона, то есть изучением характеристик электронов, выбиваемых гамма-лучами радиоактивных веществ, в лаборатории, которой руководил его отец в Ленинградском политехническом институте, а также в Физико-техническом институте, где он тогда работал. Для этой цели он решил использовать камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. По современным масштабам магнитное поле было слабым, всего 1000 эрстед, но этого было вполне достаточно для изучения эффекта Комптона. С помощью разработанной им методики Д.В. Скобельцыну впервые удалось непосредственно наблюдать и фотографировать пути электронов отдачи, получающиеся в результате столкновения гамма-квантов с электронами атомов газа, наполнявшего камеру. Энергия электронов измерялась по отклонению их треков в магнитном поле.

Такие исследования не только подтвердили гипотезу о квантовой природе эффекта Комптона, но и позволили эффективно применять это явление для спектроскопии гамма-лучей. В ходе работ было сделано одно интересное наблюдение, которое никак нельзя было объяснить за счет радиоактивных веществ.

Среди следов в камере были и такие, которые принадлежали частицам, значительно превосходящим по энергии все остальные. И самое главное, что они появлялись группами. Проанализировав треки этих частиц, Д.В.

Скобельцын пришел к заключению, что подобные частицы могут создавать как раз такую ионизацию, которую создают космические лучи.

Для того чтобы обнаружить такое редкое явление, как появление в камере космической частицы на фоне многих следов других частиц, требовалось большое экспериментальное искусство. И только необычно точные измерения импульсов частиц позволили надежно отделить следы частиц космических лучей от следов электронов отдачи.

Таким образом, только через 15 лет после работ Гесса и Кольхерстера были установлены виновники ионизации молекул атмосферы Земли – космические частицы. Но Д.В. Скобельцын открыл не только заряженные частицы, приходящие из Космоса, но и то, что они приходят к поверхности Земли группами – ливнями.

И сейчас, через 70 лет, можно сказать, что физика высоких энергий ведет свое начало именно от этих работ.

Результаты исследований Д.В. Скобельцына вызвали большой резонанс в научном мире того времени. Один из создателей квантовой механики – В. Гейзенберг детально обсуждал результаты Д.В. Скобельцына в одной из своих развернутых статей и строил на их основе новые гипотезы.

Космические лучи, генерированные в естественных ускорителях частиц, сыграли решающую роль в развитии физики высоких энергий и элементарных частиц. Даже сейчас, при наличии могучей армии ускорителей частиц, космические лучи не оказались “безработными”.

Более того, естественные ускорители частиц, позволяющие диагностировать физические процессы при ультравысокой энергии и на ультрадалеких расстояниях, регулярно преподносят сюрпризы и загадки в физике и астрофизике.

Ниже будет уделено основное внимание космическим лучам ультравысокой энергии (Е > 1020 эВ), которые в рамках современных представлений не должны были дойти до земной атмосферы. Но они дошли. Почему?

О происхождении космических лучей

В настоящее время нет однозначного ответа на вопрос о происхождении космических лучей. Ясно одно, что кроме Солнца, которое является источником космических лучей относительно низкой энергии, на небе есть источники, обеспечивающие ускорение частиц до очень больших энергий.

В целом проблема происхождения космических лучей включает механизм ускорения и распространения в различных условиях.

На основе многолетних исследований с использованием спутниковой и баллонной техники, наземных экспериментов установлены следующие основные характеристики галактических космических лучей.

1. Плотность энергии космических лучей составляет 1 эВ в 1 см3. Эта величина сравнима с плотностью энергии света звезд, чернотельного излучения, турбулентного движения межзвездного газа, магнитного поля в Космосе. Таким образом, космические лучи являются равноправными партнерами в космическом сообществе и соответственно их вклад в динамику космических явлений является весомым.

2. Дифференциальный энергетический спектр галактических космических лучей степенной: N(E ) ~ E – g, где g = 2,7, от низких энергий до 1015 эВ. Для энергии больше 3 · 1015 эВ в спектре имеются важные особенности, которые будут рассмотрены ниже.

3. Вплоть до очень высоких энергий не обнаружена анизотропия.

4. Поток галактических космических лучей практически не меняется во времени.

5. Наиболее вероятным источником галактических космических лучей являются взрывы сверхновых звезд. Основа такого заключения – энергетические соображения. Основополагающие идеи и конкретные теоретические разработки принадлежат В.Л. Гинзбургу.

Атмосфера земли – защитный экран и детектор космических лучей сверхвысокой энергии

Земная атмосфера выполняет две важные функции. Во-первых, она берет удар на себя и спасает людей от облучения космическими лучами.

Известно, что люди, живущие в горных районах или часто летающие самолетом, получают значительную дозу радиации.

Во-вторых, атмосфера трансформирует космические лучи высокой и сверхвысокой энергии в частицы и излучения низких энергий, которые регистрируются традиционными наземными детекторами.

Теория прохождения космического излучения через атмосферу Земли базируется на идее, сформулированной в 1949 году Г.Т. Зацепиным, о существовании ядерно-каскадного процесса.

Установлено, что при взаимодействии космических лучей с ядрами первичный нуклон теряет всего часть своей энергии на генерацию вторичных частиц. Второе взаимодействие нуклона почти не отличается от первого. Генерированные при высоких энергиях пионы не успевают распасться и тоже участвуют в ядерных процессах.

Толщина атмосферы достаточно большая и имеет место десять последовательных столкновений первичной частицы. Пионы распадаются и рождаются электронно-фотонные каскады. В конечном итоге в атмосфере образуется целая лавина процессов.

При энергии первичной частицы 1014 эВ или более число частиц в ливне очень велико, так что частицы могут расходиться до расстояний, достигающих сотен метров и больше. Такой воздушный ливень называют широким атмосферным ливнем (ШАЛ).

Систематические экспериментальные исследования космических лучей сверхвысокой энергии начались в конце 50-х годов XX столетия после запуска больших установок по измерению ШАЛ в Волкано-Рэнч (США) и Москве (установка МГУ).

Выполненные на этих установках измерения выявили частицы с энергией 1017-1018 эВ в составе космических лучей и их крутой энергетический спектр. Впоследствии были введены новые большие установки в различных странах мира, что позволило получить детальную информацию о спектре космических лучей сверхвысокой энергии и их анизотропии.

Космические лучи сверхвысокой энергии Е > 1017 эВ, скорее всего, имеют внегалактическую природу из-за трудности их удержания галактическими магнитными полями.

О распространении космических лучей сверхвысокой энергии от источника до солнечной системы

В 1961 году Бруно Понтекорво и Я.А. Смородинский сформулировали гипотезу о том, что вещество образовалось на плотном фоне нейтрино и антинейтрино. Во время флуктуации плотность энергии нейтрино должна была быть намного больше плотности энергии возникшего вещества.

Это означает, что в настоящее время во Вселенной должны находиться остатки фона. Кроме того, нейтрино, непрерывно образующиеся за счет различных ядерных реакций, накапливаются, так как во Вселенной они практически не поглощаются.

Нейтрино, как и любая материя, должны создавать вокруг себя гравитационное поле, искривлять пространство и влиять на динамику развития Вселенной. Я.Б. Зельдович и Я.А.

Смородинский в 1961 году предложили метод оценки плотности энергии, заключающийся в том, что при известном современном состоянии Вселенной плотность всех видов материи определяет прошлое Вселенной.

Различные проявления нейтринного моря очень активно обсуждались в начале 60-х годов. В частности, Б.П. Константинов и автор настоящих строк пришли к выводу о возможном обрыве формы энергетического спектра космических лучей сверхвысокой энергии (больше 1017 эВ) за счет взаимодействия с нейтринным морем во Вселенной.

Вскоре был обнаружен реликтовый фон фотонов во Вселенной и стало ясно, что спектр космических лучей сверхвысокой энергии должен сильно обрываться именно за счет взаимодействия с фотонами, если источник космических лучей находится достаточно далеко.

Возможность искажения спектра космических лучей за счет взаимодействия с нейтринным фоном упомянута в данной статье не только с точки зрения истории развития обсуждаемой проблемы о космических лучах сверхвысокой энергии. Как будет показано ниже, нейтринное излучение претендует на “монополию над космическими лучами сверхвысокой энергии”.

Сейчас уже обсуждается идея о том, что не протоны являются представителями космических лучей сверхвысокой энергии, а именно нейтринное излучение. Эта далеко не стандартная идея была предложена еще в 1968 году В.С. Березинским и Г.Т. Зацепиным. Здесь же хочется отметить также, что Г.Т.

Зацепин первым (в 1951 году) сформулировал идею о том, что космические лучи сверхвысокой энергии должны терять энергию при взаимодействии с фотонами низких энергий (на примере фотонов солнечного излучения).

Эффект Грейзена, Зацепина и Кузьмина и форма энергетического спектра космических лучей в области сверхвысокой энергии

Вскоре после обнаружения фона реликтовых фотонов Г.Т. Зацепин и В.А. Кузьмин и К. Грейзен показали, что наличие реликтовых фотонов должно привести к дефициту потоков космических лучей в области сверхвысокой энергии (Е > 1019 эВ).

Эта фундаментальная идея базируется на том, что ускорять частицы столь высокой энергии в Галактике чрезвычайно трудно, а в радиогалактиках и квазарах такие энергии сравнительно легко достижимы. Однако возникает трудность в распространении таких частиц в межгалактическом пространстве.

Из-за столкновений протонов с реликтовым излучением (Т = 2,7 К) частицы сверхвысокой энергии должны тормозиться, то есть энергетический спектр должен становиться более крутым при энергии более 1019 эВ. Зарегистрированные протоны с энергией выше 3 · 1020 эВ не могут иметь возраст более 108 лет, то есть источник должен находиться не далее 1026 см.

Поскольку частицы с такой большой энергией практически не отклоняются в галактических и межгалактических магнитных полях, направление на источник известно. Однако подходящего источника в таком направлении нет.

Фундаментальная важность обсуждаемой проблемы неизбежно привела к огромному интересу как теоретиков, так и экспериментаторов.

Рис. 1.

Рассмотрим теперь новейшие экспериментальные данные, полученные на установке “Акено” за интервал времени с февраля 1990 по октябрь 1997 года. Площадь этой установки ШАЛ составляет 100 км2, и достигнуто наибольшее время экспозиции по сравнению с остальными установками ШАЛ.

Установка состоит из 111 детекторов, каждая площадью 2,2 м2; расстояние между детекторами 1 км; ошибка измерения полной энергии составляет ~ 20%. Полученный энергетический спектр, умноженный на Е3, представлен на рис. 1.

Штриховая кривая отражает энергетический спектр внегалактических источников, распределенных однородно во Вселенной. Всего событий с энергией более 1020 эВ – шесть, и это свидетельствует о том, что вопреки ожиданиям обрезания спектра из-за реликтового излучения для таких частиц нет.

Естественно возникает вопрос: почему? Ответа на этот фундаментальный вопрос в настоящее время нет. Обсуждаются следующие две возможности.

  • Существует ранее неизвестная компонента космических лучей сверхвысокой энергии за пределами области обрезания энергетического спектра чернотельным излучением.

  • Космические лучи ультравысокой энергии представлены не протонами, а нейтринным излучением. Отсутствие заряда и стабильность позволяют нейтрино избежать эффекта Грейзена-Зацепина-Кузьмина и достичь Земли, даже если источник находится очень далеко.

    Если теперь предположить, что нейтрино при ультравысоких энергиях приобретают способность сильного воздействия, то они могут генерировать широкие атмосферные ливни.

    Предложена конкретная возможность проверки этой фундаментальной идеи путем определения высотного профиля ШАЛ (рис. 2)

  • Рис. 2.

    В заключение хочется отметить, что, учитывая богатую и нестандартную историю рождения и развития нейтрино, можно предположить, что новые неожиданности и сюрпризы по физике и астрофизике нейтрино вполне реальны.

    Реликтовое излучение

    Реликтовое излучение – все о космосе

    • Главная
    • Контакты
    • Инструкция
    • Новости
    • Пользователи
    • Словарь

    Главная → Космос → Космология → Реликтовое излучение

    Реликтовое излучение не возникло в каких-либо источниках, подобно свету звезд или радиоволнам, родившимся в радиогалактиках. Реликтовое излучение существовало с самого начала расширения Вселенной. Оно было в том горячем веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности.

    Если подсчитать общую плотность энергии, которая сегодня содержится в реликтовом излучении, то она окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и других источников, вместе взятых. Можно подсчитать число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом кубическом сантиметре Вселенной. Оказывается, что концентрация этих фотонов 500 штук в см3.

    Напомним, что средняя плотность обычного вещества во Вселенной около 10-30 г/см3. Это значит, что, если бы мы “размазали” все вещество равномерно в пространстве, то в одном кубическом метре был бы всего один атом водорода — наиболее распространенного элемента Вселенной. В то же время в кубическом метре содержится около миллиарда фотонов реликтового излучения.

    Таким образом, кванты электромагнитных волн, эти своеобразные частички, распространены в природе гораздо больше, чем обычное вещество. Реликтовых фотонов в миллиард раз больше, чем тяжелых частиц протонов.

    Если мы учтем, помимо водорода, и другие химические элементы, в состав ядер которых входят не только протоны, но и нейтроны, то это практически ничего не изменит в нашей оценке, так как водород — главный элемент в природе. Итак, 109 реликтовых фотонов на одну тяжелую частицу.

    Мы знаем, что сегодня в каждом кубическом сантиметре межгалактического пространства около 500 фотонов, летящих с предельной скоростью во всех направлениях. Каждый фотон имеет свою энергию, соответствующую его частоте. При температуре 3° Кельвина большинство фотонов имеет энергию 10-15 эрг каждый.

    Значит, в каждом кубическом сантиметре имеется энергия реликтового излучения, равная произведению 10-15 эрг на 500, то есть 5 *10-13 эрг. Согласно закону Эйнштейна каждой энергии соответствует масса. Энергии 5*10-13 эрг соответствует масса 5 * 10-34 грамма. Таким образом, в каждом кубическом сантиметре в наши дни есть 5 • 10-34 грамма реликтового излучения.

    Напомним, что обычного вещества на каждый кубический сантиметр приходится в среднем 10-30 грамма. Значит, по массе вещества в две тысячи раз больше, чем реликтового излучения. Поэтому, хотя по числу штук фотонов гораздо больше, по общей массе обычное вещество сильно преобладает над реликтовым излучением. Масса реликтового излучения пренебрежимо мала.

    Проследим, что было и с теми, и с другими частицами в прошлом. В обозримом прошлом ни те ни другие частички не рождались и не исчезали. Здесь необходимы некоторые уточнения. Первое из них относится к реликтовым фотонам. Сегодняшняя Вселенная практически прозрачна для реликтового излучения.

    Ясно, что реликтовые фотоны в современной Вселенной в подавляющем большинстве не взаимодействуют с веществом и не могут из-за этого меняться в числе. В далеком прошлом, когда плотность вещества была велика, была велика и температура. Вещество Вселенной было ионизовано и являлось почти однородной плазмой. Оно тогда было непрозрачным для излучения.

    Реликтовые фотоны активно взаимодействовали с веществом. Но сколько фотонов в какой-то малый промежуток времени поглощалось в толще вещества, столько же этим горячим веществом и рождалось! Существовало, как говорят, равновесие между излучением и веществом. Поэтому и в этот период соотношение — миллиард реликтовых фотонов на один протон — оставалось справедливым.

    Второе уточнение относится к протонам. В своем далеком прошлом, в самые первые мгновения после начала расширения, во Вселенной было так горячо, что при температуре больше десяти тысяч миллиардов градусов столкновение частиц рождало протоны и их античастицы — антипротоны, нейтроны и антинейтроны. Ко всему этому мы еще вернемся. Пока мы не обращаемся к экзотическим первым мгновениям, можно считать, что и реликтовые фотоны и тяжелые частицы являются не рождающимися и не исчезающими. Помня это, отправимся в прошлое. В прошлом плотность числа и тех и других частиц была, конечно, больше, чем сейчас, и возрастали эти плостности при углублении в прошлое в одинаковое количество раз. Значит, остается неизменным их отношение: один протон на миллиард фотонов.

    Но между фотонами и тяжелыми частицами есть огромная разница. Масса тяжелых частиц все время неизменна. А энергия фотонов с расширением Вселенной уменьшается из-за красного смещения. Раз меняется энергия, значит, меняется и масса каждого фотона (эта масса целиком связана с энергией его движения). Раньше каждый фотон был энергичнее, а значит, и тяжелее.

    В некоторый момент в прошлом суммарная масса миллиарда потяжелевших фотонов, приходящихся на один протон, сравнивается с массой этого протона. В этот момент в прошлом в каждом кубическом сантиметре масса обычного вещества и масса реликтового излучения сравниваются.

    Произошло это, когда плотность вещества (и равная ей тогда плотность излучения) была 10-20 г/см3, температура излучения и вещества тогда была около 6 тысяч градусов. Реликтовое излучение было не радиоволнами, а видимым светом. Конечно, в эту эпоху не было отдельных небесных тел, они возникли существенно позже.

    А еще раньше? Еще раньше масса реликтового излучения превосходила массу обычного вещества! Вот такое было совершенно необычное состояние. Его называют эрой фотонной плазмы. То, о чем мы будем говорить в последующих строках, покажется кадрами из фантастического фильма.

    Мы подойдем к моменту начала расширения на ничтожные доли секунды — меньше одной стотысячной доли — и встретимся с совершенно необычными процессами.

    На ранних стадиях расширения основную долю массы физической материи во Вселенной составляет свет и, анализируя эту стадию, мы можем на время забыть о ничтожной доли примеси к квантам света частиц обычного вещества, того вещества, которое играет основную роль в наше время, из которого состоят звезды, планеты и мы сами. Продолжим путешествие в прошлое к сингулярности.

    Например, через одну секунду после начала расширения температура была десять миллиардов градусов. При меньшем времени температура еще больше. При такой огромной температуре происходят процессы рождения и аннигиляции элементарных частиц.

    Например, процессы рождения пар электронов и позитронов при столкновении энергичных фотонов и аннигиляции пар электронов и позитронов с превращением в кванты света — фотоны. Для рождения пары электронов и позитронов надо затратить энергию, равную как минимум сумме масс этих частиц, умноженную на квадрат скорости света (формула Е = МС2).

    Следовательно, такие процессы могут идти лишь при температуре выше десяти миллиардов градусов, когда много квантов света обладает подобными энергиями. Столкновения электронов и позитронов могут вести к рождению нейтрино и антинейтрино, возможна также и обратная реакция — столкновение нейтрино и антинейтрино рождает пару электрон — позитрон.

    Когда температура еще выше, возможно рождение более тяжелых частиц: протонов и антипротонов, нейтронов и антинейтронов, мезонов и других. При температурах выше десяти тысяч миллиардов градусов существовало примерно в равных количествах множество сортов частиц (и в равных количествах их античастиц), в том числе и с большой массой.

    По мере расширения температура падала, и энергии частиц не хватало для рождения пар тяжелых частиц и античастиц, например, таких, как протон и антипротон. Эти частицы “вымирали”. При дальнейшем уменьшении температуры “вымирают” разные виды мезонов. Очень важное событие происходит при времени около 0,3 секунды после начала расширения.

    В этот момент присутствуют кванты света, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино (для простоты мы говорим только об одном сорте нейтрино — об электронных нейтрино). При высокой температуре нейтрино и антинейтрино превращаются в электроны, позитроны и обратно.

    Однако нейтрино — частицы, очень слабо взаимодействующие с другими объектами, для них даже плотное вещество прозрачно. И вот при 0,3 секунды после начала расширения все вещество Вселенной, включая и электроны и позитроны, становится прозрачным для нейтрино, они перестают взаимодействовать с остальным веществом.

    В дальнейшем их число не меняется, и они сохраняются вплоть до наших дней, только их энергия должна упасть из-за красного смещения при расширении точно так же, как температура квантов электромагнитного излучения. Таким образом, в нашу эпоху во Вселенной, помимо реликтового электромагнитного излучения, должны существовать реликтовые нейтрино и антинейтрино.

    Энергия этих частиц должна равняться примерно энергии квантов сегодняшнего реликтового электромагнитного излучения, и концентрация их также примерно совпадает с концентрацией реликтовых квантов. Экспериментальное обнаружение реликтовых нейтрино представляло бы огромный интерес. Ведь для нейтрино Вселенная прозрачна, начиная с долей секунды после начала расширения.

    Обнаружив реликтовое нейтрино, мы могли бы непосредственно заглянуть в далекое прошлое Вселенной, информацию о которой несут эти частицы. К сожалению, обнаружение нейтрино столь низких энергий, какими должны быть реликтовые нейтрино, пока практически невыполнимая задача. В связи с этим напомним, что на наших глазах рождается нейтринная астрономия. Мы стоим на пороге систематического исследования потоков нейтрино, рождающихся при ядерных реакциях вблизи центра Солнца. Эти нейтрино позволяют непосредственно заглянуть в центр Солнца, так как вся масса Солнца для них абсолютно прозрачна.” Нейтринное “просвечивание” Солнца позволит уточнить наши знания о его внутреннем строении. Точно так же в будущем астрофизикам предстоит осуществить нейтринное “просвечивание” нашей Вселенной. Итак, мы посмотрели, что было во Вселенной с веществом и излучением в первую секунду. Как ни фантастична кажется возможность рассчитывать процессы в первую секунду с начала расширения, но современная физика позволяет это делать с полной надежностью.

    Новиков И.Д.

    • Я нашёл и исправил в с е ошибки учёных!… готов объявить весёлые конкурсы для землян с призами в 1 млн. Долл.. особенно хотелось бы посмеяться над Европой.. США.. Если будет пресса – я готов завтра.. особенно если подключатся студенты. Обеспооенный враньём Григорий Самолов

      14 декабря 2015 Гость (Григорий Самолов)

    • При горении выделяется тепловая энергия и фотоны. Что такое тепловая энергия – это лишние переносчики молекулярных сил, те. Электростатические структуры, не востребованные вновь образованными веществами.

      Часть из этих лишних электростатических структур преобразуется в различные виды фотонов Среди них ясно что больше всего самых элементарных, т. е. образованных всего на фундаменте одной электростатической структуры. Это с позиций зарождающейся ” Теории заведомо элементарных структур”
      и есть элементарный фотон, т. Е. по сути реликтовый.

      Самый распространённый. Так что существование реликтовых фотонов это не доказательство реальности Большого взрыва, нужно ещё что-то. В. Кишкинцев

      25 сентября 2016 Гость (Владимир Кишкинцев)

    • Все прекрасно. Но в статье поразительно точно описан процесс рождения квантового и фотонного потока внутри звезд. Может быть в данной связи взрыв сверх новой звезды в какой то мере повторение большого взрыва.

      11 мая 2017 Гость (игрес нави нимоф)

    Adblock
    detector