Космические лучиМы познакомились с электромагнитными «вестника­ми далеких миров», которые уже служат астрономам, и нейтрино — стремительными частицами, которые иссле­дователи Вселенной только стараются приручить. У тех и у других есть общая черта. Порции электромагнитно­го излучения — фотоны и нейтрино — это элементарные «частицы» материи, не имеющие электрического заряда. Но космическое пространство в различных направлени­ях пронизывают также заряженные частицы вещества — космические лучи. Это прежде всего ядра атомов водо­рода — протоны, ядра атомов гелия — альфа-частицы, а также, хотя и в меньших количествах, ядра атомов остальных химических элементов.

Раньше других космическими лучами заинтересова­лись физики. Изучая их, они получили возможность на­блюдать разнообразные взаимодействия элементарных частиц, превращения вещества и излучения. В этой ес­тественной лаборатории были впервые открыты пози­троны, мезоны и некоторые другие частицы вещества. Однако не меньшее значение изучение космических лу­чей имеет для исследования Вселенной. И прежде всего частицы космического излучения несут важную инфор­мацию о космических объектах, которые являются их источниками. Астрофизикам также чрезвычайно важно знать, каким образом космические частицы приобрета­ют свои колоссальные энергии, что представляет собой загадочный природный «ускоритель», как он работает?

От всех прочих вестников далеких миров космиче­ские лучи отличаются не только отсутствием электриче­ского заряда, но и весьма большим разнообразием ме­тодов их регистрации. Ядра атомов, летящие к нам из космического пространства, улавливаются с помощью всякого рода фотопластинок, счетчиков, регистрацион­ных камер и других весьма сложных устройств. Их «подстерегают» в глубоких шахтах, с тем, чтобы менее энергичные частицы отсеялись, не сумев проникнуть сквозь толщу земли, регистрируют на специальных стан­циях, расположенных на вершинах гор, за ними охотят­ся в верхних слоях атмосферы с помощью стратостатов. Именно здесь, на больших высотах удается обнаружи­вать первичное излучение, в то время как до земной поверхности доходят в основном лишь вторичные лучи, возникающие в атмосфере.

В последние годы аппаратуру для изучения косми­ческих лучей стали устанавливать на борту искусствен­ных спутников Земли и автоматических межпланетных станций. На первых порах это были отдельные счетчи­ки, показания которых передавались по радиоканалу наземным пунктам. Однако для более глубоких исследо­ваний необходимо было доставить в космос более совер­шенную аппаратуру. Задача не из легких! Аппаратура для изучения космических лучей отличается довольно большим весом и габаритами. Поэтому для вынесения ее в космос необходимы тяжелые спутники достаточно больших размеров.

Первым таким спутником стала советская космиче­ская станция «Протон 1». Общий вес полезного груза, доставленного на орбиту, т. е. самой космической стан­ции и комплекса контрольно-измерительной аппарату­ры, составлял 12,2 т. Чтобы вывести на орбиту такой спутник, понадобилась необычайно мощная ракета, об­ладающая силовыми установками, способными развивать мощность свыше 60 млн. лошадиных сил.

Советская космическая станция Протон 1 Для «Протона 1» была разработана специальная из­мерительная аппаратура. Приборы, установленные на борту спутника, могли выполнять целый ряд задач: из­мерять энергии космических частиц, определять их при­роду, регистрировать электроны и т. п.

Управление работой научной аппаратуры и всех си­стем станции осуществлялось как с помощью бортовых программно-временных устройств, так и радиокоман­дами с Земли.

Для снабжения всей разнообразной аппаратуры стан­ции необходимым количеством электроэнергии на ее бор­ту была установлена мощная солнечная энергетическая установка. На специальных панелях, которые до выве­дения станции на орбиту находились в сложенном со­стоянии, был укреплен ряд солнечных элементов, способных превращать солнечное излучение в электрический ток. После выхода станции на орбиту панели раскры­лись и солнечные батареи начали вырабатывать электроэнергию. При движении спутника по освещенной ча­сти орбиты солнечные батареи обеспечивали электриче­ское питание всей аппаратуры. Кроме того, в это время производилась зарядка специальной химической бата­реи, которая вступала в работу, как только спутник вхо­дил в тень Земли.

Применение тяжелых искусственных спутников Зем­ли типа космической станции «Протон» открывает ши­рокие перспективы для решения целого ряда интерес­нейших проблем изучения Вселенной.

Космические лучи — свидетели и участники многих неизвестных нам процессов и явлений, протекающих в глубинах космоса в нашей Галактике, а возможно, и за пределами. По меткому выражению одного извест­ного физика — это «иероглифы природы». Но разгадать их нелегко.

Помимо того, что при анализе результатов измере­ний космических лучей ученые сталкиваются с много­численными сложными задачами, сам этот анализ пред­ставляет собой весьма кропотливую и трудоемкую работу. Представьте себе, например, несколько сотен ки­лограммов фотографической эмульсии, поднятой с по­мощью специального зонда на высоту 30 — 40 км. В та­кой эмульсии запечатлелись траектории множества ча­стиц, оставивших за время опыта свои следы. И среди них нужно отыскать след, быть может, одной-единственной частицы, представляющей особый интерес. Над ре­шением подобной задачи иногда в течение многих меся­цев трудятся сотрудники сразу нескольких лабораторий.

Еще одна трудность состоит в том, что космические частицы, которые приходят к нам на Землю, за исклю­чением разве только космических лучей солнечного про­исхождения, давным-давно утеряли всякую связь с объ­ектами, их породившими. Это объясняется тем, что, об­ладая электрическим зарядом, частицы космического излучения во время своих длительных скитаний в ми­ровом пространстве под действием межзвездных маг­нитных полей теряют первоначальное направление дви­жения. Другое дело, если бы удалось обнаружить в со­ставе космического излучения гамма-фотоны — порции электромагнитного излучения, которые движутся строго прямолинейно. Это открыло бы перед астрономией но­вые возможности познания Вселенной.

Но пока экспериментаторы не могут дать ответа на вопрос об источниках космических лучей, проблему пы­таются решить теоретики. Это тем более важно, что согласно современным представлениям, в прошлом в нашей области Вселенной плотность космического излу­чения могла быть весьма значительной, превосходящей плотность межзвездного газа. А это означает, что в определенную эпоху космические лучи могли играть весь­ма важную космогоническую роль.

В последние годы советские ученые В. Л. Гинзбург, II. С. Шкловский и другие успешно разрабатывают тео­рию происхождения космического излучения при вспыш­ках так называемых сверхновых звезд. Астрономические наблюдения подтверждают выводы этой теории и в на­стоящее время генерация космического излучения при вспышках сверхновых может считаться установленным фактом. Вполне вероятно, что именно сверхновые звез­ды, если и не единственные, то по крайней мере глав­ные «поставщики» космического излучения в нашей звездной системе.

Однако существуют и другие гипотезы. Некоторые из них утверждают, что подавляющая часть космиче­ских лучей образуется вне пределов нашей Галактики, в метагалактическом пространстве или в радиогалакти­ках, т. е. галактиках, излучающих радиоволны. Суще­ствует и промежуточная гипотеза, которую можно на­звать «расширенной» галактической теорией. По этой теории космические лучи приходят в нашу Галактику из соседних 15 — 20 галактик, которые вместе с ней обра­зуют так называемую Местную систему.

Какая же из этих гипотез верна? Ответ на этот во­прос попытались дать советские ученые В. Л. Гинзбург и С. И. Сыроватский. Предположим, что космические лучи поступают в Галактику извне, из других галактик. Но так как совокупность всех галактик — Метагалакти­ка— находится в состоянии непрерывного расширении, то нашей звездной системы, очевидно, могут достигать лишь те частицы, которые «рождаются» в сравнительно близкой области пространства. Несложные подсчеты по­казывают, что в такой области находится около десяти тысяч галактик, в том числе несколько радиогалактик, отличающихся особенно сильным космическим излуче­нием. Интенсивность космических лучей, выходящих из нашей Галактики, известна довольно точно. Поэтому не­трудно оценить тот общий вклад, который могут внести в «пополнение» космическими лучами метагалактического пространства остальные десять тысяч «нормаль­ных» галактик. Примерно столько же (даже несколько меньше) дают все радиогалактики вместе взятые. Такой подсчет позволяет оценить среднюю плотность энергии космических лучей внегалактического происхождения. Она оказывается весьма незначительной, примерно в тысячу раз меньшей, чем плотность космического излу­чения внутри нашей Галактики.

Но, может быть, в таком случае правы сторонники «расширенной» теории, которые считают, что плотность космического излучения велика лишь в пределах нашей Местной системы галактик? Однако и подобное предпо­ложение встречает ряд серьезных возражений. Всякая теория происхождения космических лучей должна объ­яснить наблюдаемое в них относительное количество ядер атомов различных химических элементов, в том числе лития, бериллия и бора. Дело в том, что в при­роде эти элементы встречаются гораздо реже, чем в со­ставе космических лучей. Наблюдения показывают, например, что в атмосферах звезд количество атомов ли­тия, бериллия и бора по сравнению с атомами азота, углерода и кислорода ничтожно. А это означает, что те ядра лития, бериллия и бора, которые мы находим в космических лучах, образовались в результате «вторич­ных процессов»: столкновений и расщепления более тя­желых ядер.

Для того чтобы получилось наблюдаемое количество лития, бериллия и бора, должно произойти достаточ­но большое число столкновений. Следовательно, части­цы космических лучей должны встречать на своем пу­ти достаточно большое количество вещества — меж­звездного газа.

Если попытаться дать объяснение этим фактам с точки зрения «расширенной» теории, то получится, что масса межзвездного газа в Местной системе галактик должна примерно в десять раз превосходить общую массу самих галактик. Но подобный вывод находится в явном противоречии с данными астрономических на­блюдений.

Есть и еще одно важное соображение против «рас­ширенной» теории. Для того чтобы сохранялась опреде­ленная концентрация космических лучей в пределах Местной системы галактик, необходимо, чтобы они удерживались внутри этой системы достаточно силь­ным магнитным полем. Однако существование подоб­ной магнитной ловушки также не находит себе подтвер­ждения в астрономических наблюдениях и вообще весь­ма маловероятно.

Космические лучи — не такой уж молодой вестник Вселенной. И они уже успели многое рассказать физи­кам о закономерностях строения материи. Но относи­тельно таинственных процессов, протекающих в глубинах Вселенной, космические лучи пока что упорно «отмалчи­ваются». Тем не менее есть все основания надеяться, что недалеко время, когда и они заговорят «полным голосом».

 

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.

Комаров В. Н. «Увлекательная астрономия» 1968 год. «Наука»