Hujan angkasa

Hujan angkasa

Alexey Levin
"Mekanik Popular" №9, 2012

Bumi sedang dibombardir oleh ruang … Tidak, ini bukan kutipan dari filem tindakan yang hebat, tetapi kenyataannya – planet kita sentiasa "dibombardir" oleh aliran zarah yang dikenakan dari ruang dalam

Apabila bertembung dengan atom-atom gas dalam komposisi udara, zarah-zarah kosmik mencetuskan ranting rantai reaksi nuklear yang menghasilkan banyak produk sekunder. Proton dengan tenaga berpuluh-puluh dan beratus-ratus TeV yang telah terbang ke atmosfera menimbulkan zarah tenaga tinggi lain yang bertaburan di atom-atom sekitarnya dan menimbulkan zarah-zarah generasi akan datang. Akibatnya, kelahiran zarah berair berlaku di lembangan udara, kebanyakannya tidak stabil dan cepat mereput. Oleh itu, ada banyak pancuran air partikel, yang mula-mula diperhatikan oleh Dmitry Skobeltsyn pada akhir 1920-an.

Komposisi "hujan"

Pancuran hujan
Menurut NASA, sinar kosmik adalah 98% terdiri daripada baryon (proton dan zarah alfa – helium nuclei). Apabila mereka bertabrakan dengan nukleus atom-atom gas di atmosfera, mereka menghasilkan banyak serpihan dan zarah-zarah neutral dan yang neutral, yang seterusnya bertembung dengan atom-atom atom, memecah dan menyebabkan "hujan lebat kosmik"

Menurut data yang diterbitkan oleh NASA pada tahun 2010, 98% fluks zarah bercas kosmik terdiri daripada baryon dan hanya 2% lepton stabil (elektron dan positron). Komponen baryon, pada gilirannya, mengandungi proton (87%), zarah alfa (12%) dan nukleus elemen yang lebih berat daripada helium, yang astronomer memanggil logam (1%). Antaranya, karbon, nitrogen, dan oksigen menduduki tempat pertama, diikuti oleh litium, berilium, dan boron. Ini enam akaun untuk kira-kira 90% daripada kosmik "logam", sehingga yang lain yang lain tetap agak sedikit. Kira-kira empat perlima daripada zarah-zarah yang tersisa diwakili oleh unsur-unsur dengan nombor atom dari 9 hingga 25, terletak di dalam jadual berkala antara oksigen dan besi. Hampir semua residu yang ditangkap besi, yang bersebelahan dengan nikel dan kobalt. Jumlah bahagian unsur yang lebih berat daripada kobalt diukur dalam seratus ribu peratus. Tetapi mereka masih berlaku – dengan cara ini, nukleus emas, raksa, platinum, plumbum dan juga uranium didapati dalam sinaran kosmik utama. Sebaliknya, tidak ada unsur radioaktif dengan jangka hayat yang pendek.

Dari titisan ke pancuran mandi

Kawasan hujan dan jumlah "titisan "nya meningkat dengan ketara dengan meningkatkan tenaga zarah utama. Proton dengan tenaga kira-kira 1015 eV menghasilkan kira-kira satu juta zarah sekunder, 1016 eV – sehingga sepuluh juta, 1020 eV – beberapa bilion. Proses cascade skala ini, yang dipanggil mandi udara yang luas, mula diperhatikan pada tahun 1938 oleh ahli fizik Perancis, Pierre Auger. Nama beliau telah beroperasi sejak tahun 2005, sebuah observatorium sinar kosmik antarabangsa yang terletak di barat Argentina.

Mendaftar pancuran mandi luas tidak mudah. Rata-rata, satu zarah dengan tenaga 10 titisan setiap satu kilometer persegi dari sempadan atas atmosfera.19 eV, manakala zarah dengan tenaga 1020 eV melintasi kawasan yang sama kurang dari satu abad. Oleh itu, untuk mengesan hujan yang dihasilkan oleh zarah-zarah tersebut, mereka membina pemasangan besar-besaran. Oleh itu, kompleks utama Balai Cerap Pierre Auger terdiri daripada 1600 tangki dengan air ultrapure dan sensor radiasi Cherenkov yang bertaburan di kawasan 3000 km2.

Lebih dekat ke ruang angkasa
Dipasang pada tahun 2011 pada pengesan ISS AMS (Alpha Spectrometer Magnetik) untuk mengkaji sinaran kosmik selama 14 bulan kerja, mencatatkan 18 bilion zarah. Ini lebih daripada bilangan zarah yang dikesan oleh semua pengesan berasaskan bumi dalam seratus tahun.

Dua jenis proses bertanggungjawab untuk pembentukan pancuran: hadron dan elektromagnet. Proton utama bertembung dengan nukleus atom dan memecahnya menjadi serpihan.Jika tenaganya tidak melebihi beberapa ratus MeV, ini adalah akhirnya, bagaimanapun, proton dengan tenaga berpuluh-puluh dan ratusan GeV telah menyebabkan lebih banyak kesan yang serius. Selepas perlanggaran pertama, proton tersebut terus bergerak dengan kurang tenaga (kira-kira 30% daripada asal). Semasa mesyuarat ini, sebagai peraturan, pion yang dikenakan dan neutral dilahirkan, tetapi zarah-zarah yang lebih besar juga boleh berlaku. Pion yang dikenakan sama ada bertentangan dengan nukleus atom lain dan menimbulkan proses nuklear baru, atau tidak mempunyai masa untuk melakukan ini dan berpecah menjadi muon tanda yang sama dan muon neutrino (ada saluran pembusukan lain, tetapi kebarangkaliannya sangat kecil). Muon, yang masa hidupnya yang besar diukur dalam beberapa mikrosecond oleh piawaian zarah asas, bergerak hampir pada kelajuan cahaya dan berinteraksi dengan sangat lemah dengan nukleus atom, kehilangan sedikit tenaga hanya apabila melalui cangkang elektronik mereka. Oleh itu, ia mempunyai peluang yang sangat baik untuk mencapai permukaan bumi dan bahkan menembusi jauh ke bumi.

Akhirnya, muons juga merosot, hampir selalu menjadi elektron atau positron (bergantung kepada tanda mereka) dan sepasang neutrinos, muon dan elektron.Pion neutral yang hidup kira-kira seratus juta kali lebih kecil akan kemungkinan besar tidak bertembung dengan apa-apa dan akan menjadi sepasang foton sinar gamma di atmosfera. Mereka bertaburan di atas atom dan menghasilkan pasangan elektron-positron, dan positron cepat dihapus, menimbulkan quanta gamma baru. Ini adalah bagaimana aliran litar elektromagnetik bermula, yang menyebabkan kelahiran komponen lembut radiasi kosmik. Pada masa yang sama, proton utama, walaupun ia memberikan beberapa tenaga, serta pion dan zarah-zarah yang tidak stabil yang tidak mempunyai masa untuk hancur, terus bertembung dengan nukleus atom, yang menimbulkan zarah baru dan kuat berinteraksi dengan kaskade hadron. Dalam perjalanan semua transformasi ini, bukan sahaja peonies timbul, tetapi juga hadrons lain, seperti kaons dan hyperons.

Suasana di bawah api

Sinar kosmik sebenarnya mempengaruhi suasana bumi. Sekiranya proton hanya memecahkan nukleus yang mereka hadapi, maka rakan-rakan mereka yang lebih besar dapat memecah-belah (contohnya, inti magnesium dari ruang boleh berpecah menjadi enam zarah alfa). Dua reaksi sedemikian patut diberi perhatian khusus.Dalam bilangan produk sekunder, sinaran kosmik menjana neutron, sesetengahnya melambatkan begitu banyak dalam perlanggaran dengan atom udara yang menggabungkannya dengan nukleus nitrogen atmosfera. Dengan cara ini, nuklei isotop karbon yang tidak stabil berlaku pada ketinggian 15 kilometer. 14Dengan separuh hayat 5,730 tahun. Digabungkan dengan oksigen, ia membentuk karbon dioksida radioaktif. 14DENGAN2yang, bersama dengan karbon dioksida biasa, diserap oleh tumbuh-tumbuhan dan mengambil bahagian dalam fotosintesis. Keadaan ini mendasari kaedah temu radiokarbon, yang digunakan secara meluas dalam paleontologi dan arkeologi. Menggunakan karbon-14 dan isotop radioaktif berilium yang jauh lebih lama 10Menjadi asal kosmik, anda juga boleh memulihkan sejarah turun naik dalam intensiti sinaran kosmik hingga kedalaman 200,000 tahun (garis kajian ini dipanggil paleoastronomy eksperimen).

Mandi atmosfera juga boleh dimulakan oleh elektron ultrarelativistik yang berasal dari angkasa. Walau bagaimanapun, mereka jarang keluar kerana ketumpatan elektron tersebut sangat kecil. Dalam ruang angkasa, mereka muncul dengan banyak, tetapi mereka dengan cepat menghalang, hamburan pada foton dan memancarkan gelombang elektromagnetik ketika mereka melewati medan magnet.Oleh itu, elektron-elektron dengan tenaga pesanan 1000 GeV datang ke Bumi hanya dari sumber yang cukup dekat, jarak yang tidak melebihi 3000 tahun cahaya. Proton kosmik bertenaga tinggi merangkumi jarak jauh yang amat besar.

Ketumpatan tenaga sinaran kosmik utama di sekitar Matahari adalah lebih kurang sama dengan 1 eV / cm3. Bekalan tenaga yang mereka berikan ke planet kita sangat stabil dan hampir sama dengan 100 MW. Nilai ini dua bilion kali kurang daripada tenaga cahaya matahari, bagaimanapun, ia dapat dibandingkan dengan tenaga bintang cahaya yang jatuh di Bumi. Benar, sinaran kosmik, tidak seperti bintang, tidak mengilhami penyair – mereka tidak dapat dilihat.

Misteri asal

Genealogi hampir semua zarah kosmik ditubuhkan agak boleh dipercayai. Pada tahun 1934, ahli astronomi Amerika, Fritz Zwicky dan Walter Baade mencadangkan sumbernya boleh menjadi letupan supernova. Pada tahun 1950-an, hipotesis ini telah banyak diperkuatkan dan telah diterima umum pada umumnya.

Walau bagaimanapun, dia segera menemui bantahan jelas. Adalah wajar untuk mengandaikan bahawa bahagian singa sinar kosmik dilahirkan di galaksi kita. Walau bagaimanapun, bintang, termasuk supernova,mereka tertumpu di dalam satah khatulistiwa Bima Sakti (lebih tepatnya, di dalam lengan spiral berbaring di sana), manakala sinar datang ke Bumi dari segala arah. Hakikatnya, proton dan zarah-zarah lain yang bergerak di ruang angkasa tidaklah mudah. Laluan mereka berulang kali diputarbelitkan oleh medan magnet galaksi dan perlanggaran dengan atom dan molekul yang bertaburan di ruang interstellar. Keadaan ini rumit oleh fakta bahawa zarah-zarah sinar kosmik menghasilkan medan magnet sendiri, yang ditumpangi di medan umum Galaxy dan memesongkan strukturnya. Oleh itu, pergerakan zarah dari sumber ke Bumi sangat membingungkan, dan kod komputer yang sangat rumit telah dibuat untuk pemodelannya dalam beberapa dekad kebelakangan ini.

Adakah supernova mempunyai tenaga yang cukup untuk menghasilkan sinar kosmik? Seperti yang telah disebutkan, ketumpatan tenaga mereka berhampiran Matahari ialah 1 eV / cm3; ketumpatan purata keseluruhan cakera galaksi mungkin lebih besar, tetapi kemungkinan besar tidak melebihi 2 eV / cm3. Oleh kerana saiz cakera adalah 1067 lihat3, jumlah tenaga maksimum sinaran kosmik ialah 2 × 1067 eV, atau 6 × 1055 erg Hayat purata zarah sinaran kosmik di galaksi kita dianggarkan pada 15 Ma, atau 5.4 × 1014 c. Kuantiti kuantiti ini ialah 6 × 1040 erg / s adalah sama dengan tenaga purata yang dibelanjakan setiap saat untuk mengekalkan kepadatan radiasi kosmik yang stabil. Sebaliknya, supernovae meletup di galaksi kita sekurang-kurangnya sekali dalam 50 tahun, atau 1.5 × 109 dengan, dan setiap letupan melemparkan zarah dengan jumlah keseluruhan tenaga sebanyak 1050 erg Jadi setiap penjanaan tenaga kedua adalah sekurang-kurangnya 6 × 1040 erg – sebanyak yang diperlukan. Tidak kira berapa anggaran anggaran ini, ia berfungsi dengan hipotesis Zwicky dan Baade.

Tenaga proton kosmik yang mencapai persekitaran planet kita berbeza-beza dari 108 sehingga 1020 eV. Diyakini bahawa hampir semua daripada mereka, kecuali zarah-zarah yang jarang berlaku di sempadan atas selang ini, dipercepat oleh gelombang kejutan yang mengiringi ledakan supernova intragalactic. Letupan seperti itu melempar ke angkasa bahan shell luar sebuah bintang yang mati dengan kecepatan hingga sepuluh peratus dari kelajuan cahaya. Ini lebih daripada kelajuan bunyi dalam medium interstellar, yang membawa kepada kemunculan gelombang kejutan. Pada masa yang sama, medan magnet huru-hara dijana, yang memaksa proton berulang kali melompat di antara bahagian depan gelombang kejutan dan medium interstellar yang belum dimampatkan. Pada setiap hop proton meningkatkan tenaga kinetik disebabkan oleh tenaga gelombang kejutan.

Supernova Surfing
Zarah-zarah yang dikenakan sinar kosmik mempercepatkan kepada tenaga yang sangat besar, melompat dari gelombang kejutan letupan supernova ke dalam gas yang masih belum terkompresi gas interstellar, sama seperti surfer mempercepat, bergolek dari puncak gelombang

Proton yang menjalani jumlah maksimum peralihan mendapat tenaga tertinggi, tetapi tetap berada di dalam minoriti. Akibatnya, letupan supernova dalam banyaknya membuang nukleus hidrogen dengan tenaga sehingga 1012 eV, tetapi dalam kuantiti yang lebih kecil menghasilkan zarah dengan tenaga yang tinggi. "Mekanisme ini menjelaskan dengan baik pecutan proton dan nukleus kompaun kepada tenaga sekitar 1016 eV, kata Angela Olinto, seorang profesor astronomi dan astrofizik di University of Chicago. – Mungkin letupan bintang runtuh yang paling besar mempercepatkan proton sehingga 1018 eV. Sumber-sumber proton yang mungkin mempunyai tenaga yang tinggi di dalam Bima Sakti belum dijumpai, sehingga mereka hampir pasti berasal dari galaksi lain. "

Ledakan Supernova juga menjana elektron superfast dengan positron. Walau bagaimanapun, zarah-zarah ini mudah dipotong dan bertaburan dalam medium interstellar dan sebahagian besar tidak mempunyai masa untuk mencapai Bumi (danpositron juga dihapuskan). Oleh itu, bahagian mereka dalam sinaran kosmik utama adalah kecil, dan tenaga tidak terlalu besar.

Pemancaran rekod sinar

Setengah abad yang lalu, ahli fizik Amerika mencatatkan hujan lebat kosmik yang banyak dihasilkan oleh zarah dengan tenaga 100 EeV (exelectronvolt). Sejak itu, hanya puluhan peristiwa magnitud ini telah diperhatikan. Rekod tanpa undur yang masih belum disahkan telah ditetapkan pada 15 Oktober 1991, apabila pengesan Mata Fly di negeri Amerika Syarikat Utah menemui tandatangan zarah dengan tenaga 320 EeV, atau 51 J (tenaga kinetik mempunyai bola tenis yang terbang pada 160 km / j).

Kini zarah-zarah ini hanya dikaji di tiga tempat – ini adalah Balai Cerap Auger, yang telah beroperasi sejak tahun 2007. Pelbagai teleskop di negeri Utah dan pemasangan EAS di desa Oktemtsy di selatan Yakutsk (satu-satunya daripada tiga pengesan muon). Asal zarah-zarah ini belum diketahui; tidak ada keyakinan sepenuhnya bahawa mereka semua adalah proton, zarah alfa, atau nukleus logam. Menurut versi yang paling biasa, mereka dilahirkan di nukleus galaksi aktif. Tetapi terdapat penjelasan lain yang menghubungkannya dengan pecahan gamma-ray, proses pertambahan berhampiran bintang-bintang neutron yang kuat,penggabungan lubang hitam dan juga keruntuhan zarah benda gelap besar-besaran hypothetical atau perpecahan lebih banyak kecacatan topologi hipotesis dalam ruang yang diwarisi dari era Big Bang.

Tetapi tidak kira bagaimana proton muncul dengan tenaga beratus-ratus EEV, sumber mereka tidak terlalu jauh dari Galaxy kita, sekurang-kurangnya tidak pada jarak kosmologi. Perjalanan di ruang angkasa, mereka berinteraksi dengan radiasi latar belakang kuanta quanta, ketumpatannya adalah sekitar 400 foton per cm3. Perlanggaran ini membawa kepada kelahiran pion, kedua-duanya positif dan neutral. Pion yang dikenakan muncul bersama dengan neutron, selepas itu kedua-dua zarah terputus – yang pertama sangat cepat, yang kedua dalam beberapa minit. Pion neutral, yang melemahkan lebih cepat, muncul bersama-sama dengan proton, yang tenaganya lebih rendah daripada tenaga zarah induk (yang sama berlaku kepada proton yang dilahirkan akibat kerosakan neutron). Akibatnya, pada jarak lebih dari 50 megaparsec dari sumber (160 juta tahun cahaya) tidak ada proton dengan tenaga lebih besar daripada 50 EeV. Kesan ini pada pertengahan tahun 1960-an telah diramalkan oleh profesor Cornell University Kenneth Greisen dan kemudian ahli kakitangan FIAN George Zatsepin dan Vadim Kuzmin.

Muon Metrophysics

Sinar kosmik dikaji menggunakan pengesan yang dipasang di bawah tanah dan pemerhatian bawah tanah, kapal terbang, belon dan kapal angkasa. Satu pemerhatian seperti 10 tahun yang dikendalikan di tempat perlindungan di stesen metro Moscow Kropotkinskaya dan Park Kultury. Seperti yang dikatakan Irina Rakobolskaya, seorang perunding profesor di Fakulti Fizik Universiti Negeri Moscow, berkata "PM", 144 ruang pelbagai lapisan dipasang di sana pada penghujung tahun 1960-an yang mencatatkan muons yang dihasilkan oleh nukleon utama dengan tenaga sehingga 1015-1016 eV. Mangkun meninggalkan jejak pada tumpukan lembaran filem X-ray bermuka dua dengan luas 4000 m2berlapis dengan plat plumbum. Ahli fizik Moscow memperoleh hasil yang menarik yang memungkinkan untuk membetulkan kesilapan yang dibuat oleh rakan-rakan Amerika mereka.

Ikut jejak itu

Baryon ultrarelativistik sangat lemah dibelokkan oleh medan magnet antara galaksi, jadi trajektori mereka kira-kira menunjukkan arahan ke sumbernya. Ahli astronomi cuba untuk mendapatkan cara ini kepada sumber sendiri, bagaimanapun, menurut Profesor Olinto, tanpa banyak kejayaan.Untuk memudahkan penyelesaian masalah ini, perlu mendaftar lebih banyak zarah tenaga ultrahigh. Ini bertujuan untuk projek antarabangsa JEM-EUSO (Modul Eksperimen Jepun – Balai Cerap Angkasa Extreme Universe) yang melibatkan pemasangan pada 2016 di modul Jepun Stesen Angkasa Antarabangsa dengan teleskop sudut lebar yang unik. Peranti ini akan menjejaki foton ultraviolet yang berlaku di pancuran atmosfer yang dihasilkan oleh zarah dengan tenaga berpuluh-puluh dan beratus-ratus eV. Oleh kerana teleskop orbital akan mempunyai pandangan yang lebih luas daripada pemasangan berasaskan tanah, ia akan dapat menangkap lebih banyak zarah.

Para saintis Rusia telah terlibat dalam penyediaan projek JEM-EUSO selama beberapa tahun sekarang. "Dalam rangka program ini, kami membuat instrumen untuk satelit mini Tatiana-1 dan Tatiana-2, dan tahun depan kami berharap dapat melancarkan satelit Lomonosov yang lebih berat," kata Mikhail Skobeltsyn, pengarah Institut Fizik Nuklear di Moscow State University Panasyuk – Salah satu matlamat pelancaran ini adalah untuk membangunkan kaedah untuk mengasingkan suar ultraviolet dari sinaran kosmik terhadap latar belakang am cahaya ultraviolet atmosfera. Ini adalah tugas yang sangat sukar dan maklumat dari satelit akan membantu menyelesaikannya.Kami juga terlibat dalam pemodelan proses atmosfera yang berkaitan dengan operasi teleskop dan sistem mekaniknya: teleskop akan dihantar ke orbit yang dilipat, selepas itu ia akan dibawa ke keadaan kerja. Malangnya, setakat ini nasib percubaan ini tidak jelas, sejak pada September tahun lalu NASA enggan berpartisipasi dalam projek itu. Oleh itu, Jepun belum membuat keputusan muktamad mengenai pelancaran teleskop, walaupun eksperimen ini aktif disokong dan disubsidi oleh Agensi Angkasa Eropah. "

Ke arah fizik baru

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, sinaran kosmik sekali lagi memasuki bidang kepentingan fizik asas. "Zarah tenaga rendah tidak melebihi 1012 eV, banyak, mereka mudah dicatatkan oleh peranti berasaskan darat, udara dan berasaskan ruang. Kompleks pengesan PAMELA dipasang pada satelit Resurs-DK1 Rusia yang dilancarkan pada bulan Jun 2006 juga terlibat dalam ini, Sergei Troitsky, seorang penyelidik terkemuka di Institut Fizik Nuklear Akademi Sains Rusia, menerangkan Mekanik Popular. – Peranti mencatat lebihan positron tenaga tertentu, yang agak sukar dijelaskan.Ada syak wasangka bahawa positron "tambahan" muncul ketika memusnahkan zarah-zarah materi gelap yang belum ditemui. Jika syak wasangka ini disahkan, akan ada peluang untuk mengekstrak maklumat mengenai sifatnya daripada pemerhatian radiasi kosmik.

Kemungkinan kedua ialah menggunakan zarah kosmik yang paling bertenaga sebagai sejenis penambahan kepada Geneva Large Hadron Collider. Akibat pelanggaran zarah-zarah ini dengan atom-atom udara bergantung kepada tenaga mereka dalam bingkai rujukan yang terikat kepada pusat jisim pasangan zarah atom. Ia jauh lebih rendah daripada tenaga mereka untuk memerintahkan beratus-ratus EEV dalam kerangka makmal makmal, tetapi masih sepuluh kali lebih banyak daripada tenaga sepadan yang dapat dicapai dalam eksperimen di LHC. Sekiranya anda mendaftarkan secara terperinci pelbagai komponen mandi yang luas, anda boleh mendapatkan maklumat mengenai proses-proses tersebut dengan segera selepas perlanggaran pertama partikel "ibu bapa".

Terdapat garis carian yang lebih eksotik. Sesetengah data menunjukkan bahawa 2-3% zarah dengan tenaga perintah 10 EeV datang dari Lac-certids, sumber radiasi elektromagnet yang kuat dalam nukleus beberapa galaksi. Mereka tidak berhampiran Milky Way, mereka sekurang-kurangnya seratus lima puluh megaparsec dari kami.Walau bagaimanapun, hakikatnya adalah tidak ada zarah neutral yang diketahui boleh terbang seperti jarak. Proton dan nukleus atom mampu ini, bagaimanapun, mereka akan menyimpang dalam medan magnet antara galak ke sudut yang jauh lebih besar dari arah ke sumber Lazertida, seperti yang ditunjukkan oleh pemerhatian. Jadi persoalan timbul: adakah ada fizik baru di sini? "


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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