Знание-сила, 2001 №04
Шрифт:
Космические лучи с энергией больше, чем десять в двадцатой степени электронвольт, были зарегистрированы по вторичным частицам. Такая частица несет в себе энергию, равную энергии теннисного мяча Пита Сампраса при подаче. Скорость ее настолько близка к скорости света, что в собственной системе координат время почти останавливается, и за четверть часа частица пролетает тридцать миллионов световых лет. Энергия таких частиц во много миллиардов раз превышает ту, что удалось достичь на Земле путем колоссальных усилий на самых больших ускорителях. Одна из самых впечатляющих загадок природы – как это удается сделать. Очень хочется узнать секреты такого ускорения. Но сложность в том, что таких частиц невероятно мало – штуки, а для мало-мальски научного их изучения необходимо
Большинство космических лучей, попадающих в атмосферу Земли, имеют энергии не больше, чем десять в четырнадцатой степени электронвольт. Эксперименты на ракетах, спутниках и воздушных шарах показывают, что эти лучи состоят в основном из протонов с небольшой примесью более тяжелых элементов вплоть до железа.
Одна из возможных конструкции детекторов космических лучей
Еще Энрико Ферми полвека назад предложил гипотезу о том, что межзвездные ветры порождают заряженные частицы, которые попадают в поля магнитных облаков от взрывов сверхновых и там ускоряются до сверхвысоких энергий. Свою энергию они получают постепенно, однако проверить эту идею трудно, поскольку нет известных источников лучей, да и доходят они до Земли извилистыми путями.
Наблюдения за остатками сверхновых дают косвенные подтверждения, что такой механизм ускорения возможен, правда, лишь до энергий не выше десяти в пятнадцатой степени электронвольт. Это максимум, что можно набрать в магнитных облаках.
Было предложено немало альтернативных гипотез для ускорения до более высоких энергий: электрические поля в пульсарах, ядра галактик и даже столкновения галактик. Но все расчеты показывали, что и здесь не получается более высокой энергии. Кроме того, частицы с энергией выше десять в двадцатой уже совсем слабо заворачиваются галактическими магнитными полями, и направление их прихода на Землю должно указывать на источник. Но этого нет. На схеме, приведенной на стр. 30, видно, что распределены эти точки совершенно хаотично и не связаны ни с какими известными пульсарами или остатками сверхновых звезд.
Получается странное противоречие. Если мы видим частицу с энергией выше десять в двадцатой, значит она родилась где-то в пределах ста мегапарсеков от нас – не успела больше потерять энергии. Раз она родилась так близко и энергия ее велика, то она не могла отклониться от начального направления и должна указывать на источник рождения. Но таких явных источников нет! Значит, частицы пришли издалека. Похоже на логический тупик.
Чтобы найти из него выход, приходится искать новые процессы и источники, которые могут дать более высокие энергии. Список таких возможностей длинен, и одна экзотичнее другой. Среди них загадочные вспышки гамма-лучей, космические струны и магнитные монополи. Это, кстати, самая молодая гипотеза: все лучи с энергией выше десять в двадцатой – магнитные монополи. Гипотезы красивы, но бездоказательны. Они побуждают экспериментаторов к проверкам, но на большее не претендуют.
Для серьезного анализа ситуации необходимо существенно увеличить статистику – количество данных на самом интересном, высокоэнергетичном конце спектра. Для этого планируются и сооружаются детекторы нового поколения. По идее, они должны не только увеличить количество данных, но и повысить их качество. Главное – определять сорт пришедшей частицы.
Обычно детекторы размером в несколько квадратных метров объединяются в наземные массивы, покрывающие десятки квадратных километров. Время прохождения частиц определяется с точностью до миллиардных долей секунды, что позволяет определить направление первоначальной частицы с точностью до градуса. Самый большой наземный массив AGASA работает в Японии. Размеры его достигают ста квадратных километров, и за год он регистрирует одну частицу в интересующей нас области – вот такие масштабы набора статистики.
Так выглядит схема расположения фотоумножителей во льду
Еше один метод для регистрации высокоэнергичных частиц основан на том, что частицы ливня возбуждают азот в атмосфере, который потом флюоресцирует. Свет от этой флюоресценции может быть виден на расстоянии двадцати километров от оси ливня при помощи детекторов на Земле. Группа «Мушиный глаз» была пионером в этой области. Их установка успешно работает в горах пустыни Ута в США. Она состоит из двух частей, разнесенных на двенадцать километров друг от друга, чтобы можно было видеть каждую зарегистрированную частицу в стереопроекции.
Две эти методики дополняют друг друга. Первая работает постоянно, но она фиксирует ливень частиц лишь в один-единственный момент, когда он соприкасается с поверхностью Земли. Вторая позволяет проследить за процессом развития ливня от верхних слоев атмосферы. Но этот метод работает лишь десять процентов времени: для него необходима ясная, безоблачная и вдобавок безлунная ночь, чтобы ничто не мешало регистрировать достаточно слабый свет от ливня.
Есть уже несколько амбициозных проектов детекторов будущего поколения. Джон Линсли из университета в Нью-Мексико предложил расположить на спутнике камеру с сорокаметровым зеркалом, чтобы она наблюдала за поверхностью Земли. Есть надежда улавливать не только флюоресценцию от лучей, но и черенковский свет, отраженный от наземного лада или воды. Несмотря на большие технические и финансовые сложности, проект выглядит очень привлекательно потому, что позволит просматривать десяток тысяч квадратных километров, что превышает современные возможности в сотню раз.
Масахиро Тешима со своими коллегами из Токио планирует создать колоссальную систему оптических телескопов, чтобы резко повысить скорость набора данных и качество информации в методе флюоресценции.
Джим Кронин из Чикаго руководит международным сотрудничеством, в которое входят 150 человек из таких стран: Аргентина, Армения, Австралия, Боливия, Бразилия, Чили, Китай, Франция, Грузия, Германия, Греция, Япония, Мексика, Россия, Словения, Испания, Великобритания, США и Вьетнам. Нет времени рассуждать о размахах сотрудничества, но впечатляет уже сам список стран, которые мирно работают друг с другом. Проект назван «Оже» в честь Пьера Оже, открывшего широкие атмосферные ливни. Он будет состоять из двух массивов детекторов: один – в Аргентине, другой – в Северной Америке. В центре каждого массива будет стоять флюоресцентный детектор. Его будут окружать 1600 водяных черенковских детекторов, образуя шестиугольную сеть со стороной в полтора километра.
Кроме космических частиц, на Землю из космоса прилетают и энергичные гамма-лучи. Их испускают заряженные частицы. Изучают гамма-лучи с двоякой целью. Во-первых, чтобы понять процессы, идущие в далеком космосе, и узнать о строении тамошних обитателей. Во-вторых, чтобы узнать, как же все-таки ускоряются частицы.
Первый кандидат на роль небесного ускорителя – гравитационный коллапс звезд. Большинство звезд существует не поодиночке, а парами. Один из способов заметить гравитационный коллапс звезды – изучать излучение, которое она испускает, захватывая своим колоссальным гравитационным полем вещество своего компаньона. Это «высасывание» вещества из окружающей среды называется аккрецией.
В случае падения на компактный небесный объект выделение энергии идет гораздо энергичнее. Происходит оно в разных интервалах длин волн — в ультрафиолетовых лучах, рентгеновских и гамма-лучах. Это очень радует астрономов, поскольку, имея в своем распоряжении широкий спектр информации, можно достаточно подробно исследовать процессы аккреции. К сожалению, большая часть лучей высокой энергии не может прорваться сквозь атмосферный заслон (спасибо ему за это, мы можем спокойно жить), и изучать их приходится на спутниках.