Мы 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 па 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 па борту искусственных спутников Земли и автоматических межпланетных станций. Па 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 г. Чтобы вывести на орбиту такой спутник, понадобилась необычайно мощная ракета, обладающая силовыми установками, способными развивать мощность свыше 60 млн. лошадиных сил.
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 па 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 па 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, а пашей 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 метагалактнческого 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 пашей 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».