книги из ГПНТБ / Христиансен, Г. Б

деляемая экспериментально. Статистические оценки показывают, что число различных галактик достигает — 100 млрд. В каждой из галактик в принципе могут возникать космические лучи, диффун­ дирующие к ее границе и выходящие в межгалактическое про­ странство.

Вклад космических лучей, генерируемых квазарами и радио­ галактиками, в среднюю плотность космических лучей, по-видимо­

энергии, выделяемой ядрами активных галактик, но число кваза­ ров (~106 ) в 105 раз меньше полного числа галактик. Число радиогалактик порядка нескольких сотен, так что их суммарное энерговыделение оказывается все равно на три — четыре порядка меньше, чем энерговыделение всех галактик.

В рамках картины расширяющейся нестационарной Метага­ лактики такие объекты как квазары и радиогалактики напомина­ ют о том, что за время существования Метагалактики происходила

Если источниками космических лучей внутри галактик явля­ ются сверхновые звезды и ядра галактик, то можно ожидать, что

взаимодействия космических лучей с оптическими фотонами, иду­ щие с сечением

° ^ ю« з 10"». 10» " 3 ' 1 Q ~ 3 1 с -«2 . могут приводить к заметным потерям энергии космических лучей при выходе их за пределы объекта. Примерами таких процессов являются фоторождение пио-

5 В настоящее время эта картина противоречит экспериментальным данным и упоминается из соображений ее простоты.

4я

сJ = N.

10

частицы, Е0 — энергия частицы), максимальная ~0,2 Ео в случае процесса фоторождения пионов. Поэтому эффективные потери энергии в результате первого процесса происходят только при очень большом числе соударений частиц космических лучей с фотонами.

В результате столкновений ускоренных протонов и ядер с фо­ тонами, заполняющими пространство вблизи источника, можно ожидать значительных энергетических потерь для протонов и рас­ щепления для ядер [2].

Количественное рассмотрение вопроса о трансформации энер­ гии протонов и ядер в общем потоке космического излучения пред­

§2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

ВМЕЖЗВЕЗДНОЙ И МЕЖГАЛАКТИЧЕСКОЙ СРЕДАХ

Космические лучи, вышедшие из области эффективного уско­ рения, попадают в межзвездное, а затем межгалактическое про­ странство. Это пространство заполнено согласно современным представлениям ионизованным и нейтральным газом, в котором существуют хаотические и регулярные магнитные поля, а также так называемым реликтовым излучением. Кроме того, современные экспериментальные данные о форме верхней границы спектра электронов от р-распада допускают возможность существования нейтринного фона во Вселенной.

Диффузия в магнитных полях. Попадая в межзвездное галакти­ ческое пространство, космические лучи испытывают влияние регу­

11

где р — импульс заряженной частицы, Я — значение напряжен­ ности магнитного поля, ф — угол между импульсом частицы и направлением поля Я. Это соотношение (1.2.1) выполняется при слабом изменении магнитного поля на пути порядка ларморовского радиуса заряженной частицы. Тогда траектория частиц пред­ ставляет собой спираль с переменным радиусом, возрастающим с уменьшением Я. При этом также уменьшается угол <р между импульсом частицы и магнитным полем Я, что могло бы создать определенную анизотропию при переходе из области ускорения в галактическое пространство, где магнитное поле, по-видимому, уменьшается.

Процесс распространения заряженных частиц значительно усложняется из-за больших градиентов магнитных полей и из-за существования хаотических магнитных полей в виде так называв-

-»

мых облаков. Очевидно, для частицы с импульсом р, направлен-

—*

ным вдоль регулярного магнитного поля Я, существенными ста­ новятся только взаимодействия, с магнитными облаками.

—>

При прохождении поля Я магнитного облака частица приобретает угловое отклонение порядка — , где I — длина участка пути

(размеры магнитных облаков порядка их размеров в нашей Га­

сеяния относительно первоначального направления ей необходимо

Если рассматривать распространение заряженных частиц в пространстве, заполненном магнитными облаками, как диффузион­ ный процесс, то средний диффузионный пробег при малых энер­ гиях постоянен и равен среднему расстоянию между магнитными облаками, а при больших энергиях пропорционален « ~ £ 2 (про­ порционален квадрату энергии заряженной частицы), т. е. в обла­ сти предельно высоких энергий диффузионный характер распро­ странения нарушается.

12

Регулярное магнитное поле осложняет диффузионную карти­ ну. При малых Е, когда ларморовский радиус 31<С<К (К — рас­ стояние между магнитными облаками), заряженные частицы рас­ пространяются по спирали вдоль магнитного поля. При 31Ж существование регулярного магнитного поля не сказывается, так

Взаимодействие с межзвездным веществом. В диффузионной картине время жизни космических лучей в галактическом про­ странстве существенно возрастает по сравнению со случаем пря­ молинейного распространения по порядку величины в г/Ко раз (где г — расстояние от источника до границы области диффузии, Хо — средний диффузионный пробег). Действительно, отношение этих времен

Поэтому количество межзвездного газа, проходимого космически­

При прохождении такого количества вещества протоны косми­ ческих лучей сверхвысоких энергий испытывают лишь относитель­

ских лучей: так, средние и тяжелые ядра имеют сравнимый с

300 HZ

становится возрастающей функцией энергии Е частицы, фактор накопления гДо при больших энергиях убывает и толщина х умень­ шается так, что при достаточно больших Е фрагментация ядер не происходит. Поскольку 31 обратно пропорционально Z, то Ко на­ чинает зависеть от Е при одном и том же значении E/Z. В силу этого фактор накопления в области больших энергий г/Х0 всегда остается наибольшим для больших Z.

Таким образом, космические лучи сверхвысоких энергий выхо­ дят в межгалактическое пространство обогащенные протонами и

7 Такая концентрация наблюдается в области так называемого галактического диска. Так как космические лучи находятся и за пределами диска, Ю - 2 4 г/см3 можно рассматривать как верхнюю границу концентрации.

13

легкими ядрами за счет фрагментации тяжелых и средних ядер и малого поглощения протонов и легких ядер. При малых Е косми­ ческие лучи, выходящие из Галактики, в наибольшей степени обо­ гащены легкими ядрами. По мере возрастания энергии роль фраг­ ментации падает, и при очень больших энергиях химический со­ став близок к составу космических лучей вблизи источников.

Рассмотрим, что происходит в галактическом пространстве с электронами и у-квантами сверхвысоких энергий, испускаемыми источниками. Основными процессами неупругого взаимодействия электронов являются обратный комптон-эффект на оптических фотонах и магнитотормозное излучение. Оба эффекта приводят к резкой деградации энергетического спектра электронов в процессе диффузии электронов в магнитных полях. В особенности велико

этому электронная компонента очень быстро поглощается в Га­ лактике. Однако в процессе поглощения электронов рождается электромагнитное излучение (оптические фотоны, рентген и даже •у-излучение), не отклоняющееся в магнитных полях и несущее информацию о пространственном положении и интенсивности ис­ точников космических лучей.

у-Излучение сверхвысокой энергии может испытывать поглоще­

указанный процесс не играет роли при распространении у-излуче- ния в галактике8 .

Распространение космических лучей в метагалактической сре­ де. Несмотря на то что магнитные поля в метагалактической про­ странстве значительно меньше, чем в галактическом (принято считать, что приблизительно на два порядка), они играют сущест­ венную роль 'в отклонении заряженных космических лучей от тех

Хаббла) и диффузии космических лучей в метагалактической пространстве выравниваются.

14

Д ля слабого отклонения частицы на пути R от направления первоначального движения необходимо, чтобы 31 = ———— было бы

по сравнению с пробегом относительно взаимодействия. При этом

товым излучением, заполняющим Метагалактику [1, 2]. Реликтовое излучение было обнаружено в 1965 г. сначала в сантиметровом диапазоне, а затем прослежено до максимума спектрального рас­

Выше уже рассматривалось взаимодействие квантов оптичес­ кого диапазона с космическими лучами. При взаимодействии ре­ ликтового излучения с космическими лучами также происходят процессы образования электронно-позитронных пар, расщепления ядер, фоторождения пионов (если частица является протоном или ядром) и неупругое рассеяние у-квантов, если частица является Y-квантом сверхвысокой энергии. Все эти процессы существенны лишь при значительно больших энергиях в соответствии с мень­ шим значением энергии реликтового излучения (которая при 7 = 2,7°К в среднем равна 3- Ю - 4 эв).

Значение лоренц-фактора у, при котором процессы становятся

существенным, определяется из условия Y = — — , где £П ор — по-

2е

роговая энергия процесса. Более точно значение у может быть получено с учетом спектра реликтовых квантов f (е) и спектра пер­

тлсг

ю у* — показатель интегрального спектра первичного космического излучения.

15

жизни космических лучей). При невыполнении этого условия суще­

Более точное рассмотрение взаимодействия космических лучей с реликтовым излучением предполагает учет эволюции Метагалак­

тики, а значит, и учет изменения е во времени.

у-Излучение сверхвысокой энергии в Метагалактике испыты­ вает неупругое взаимодействие с реликтовым излучением за счет

лучей сверхвысоких энергий с нейтринным фоном во Вселенной. Согласно принципу Паули максимальное число нейтрино с энер­

16

стиц сверхвысокой энергии с нейтринным фоном стал бы сущест­ венным [4].

После путешествия в метагалактическом пространстве по пути движения к Земле космические лучи попадают в пространство Сверхгалактики — местного скопления галактик, в число которых

нашей Галактики. Регулярные магнитные поля ориентированы, повидимому, вдоль галактических рукавов, и напряженность регу­ лярного магнитного поля составляет величину ~3 - 10 _ 6 гс.

Исследование регулярных магнитных полей в Галактике проводится с по­ мощью изучения поляризации света звезд и фарадеевского вращения линейно поляризованного магнитотормозного излучения внегалактических объектов при его

тических магнитных полей (магнитных облаков) происходит диф­

Галактики через ее границу и заполняют его равномерно.

С другой стороны, космические лучи предельно высоких энер­

будут равномерно заполнять объем Галактики, мало отклоняясь в ее магнитных полях.

2 Г. Б. Христиансен

Если космические лучи, входящие в Галактику, состоят из ядер различных элементов, то на пути их распространения до Солнеч­

ранее рассмотренным взаимодействием с фотонами вблизи источ­ ников). Однако плотность фотонов, излучаемых Солнцем, оказы­ вается недостаточной вблизи траектории Земли. Траектории частиц сверхвысоких энергий не испытывают влияния солнечного ветра

имагнитосферы Земли.

Вмагнитосфере Земли может происходить магнитотормозное излучение. Для частицы с массой М и лоренц-фактором у в маг­

нитном поле Н потери на магнитотормозное излучение [5]

Однако интенсивность электронов сверхвысоких энергий чрезвы­ чайно мала, и поэтому они практически не наблюдаемы. Для про­ тонов же, как это видно из формулы (1.2.5), эффект может стать существенным лишь при фантастических энергиях ~ 103 0 эв. Число у-квантов магнитотормозного излучения в магнитосфере Земли,

также весьма мало и вряд ли может быть использовано в экспе­ рименте.

§ 3 . ПРОХОЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ

18

испытывают взаимодействие с ядрами атомов воздуха. В процессе этого взаимодействия происходит неупругое расщепление ядер кос­ мических лучей, сопровождающееся образованием нуклонов рас­ щепления и различного рода вторичных частиц (я*, я°-мезонов, К-мезонов, нуклон-антинуклонных пар и т. д.) 1 2 . При этом первич­ ная частица расходует на неупругое взаимодействие не всю свою энергию, а только часть (в среднем 0,5), и после первого взаимо­ действия нуклоны сохраняют способность к последующим взаимо­ действиям.

распасться на геометрическом пути порядка одного пробега не­

тельно распада я°-мезона становится больше, чем пробег относи­

никают эффективно даже от первичных частиц предельно высоких

Размножение частиц как в ядерном, так и в з.-ф. каскаде огра­ ничено процессами диссипации энергии. В случае ядерного кас­

2 Представления об эффективном сечении и характере взаимодействия при сверхвысоких энергиях мы здесь заимствуем из области высоких энергий.