Глава 7. Радиация в космическом пространстве

Лучи из мировых глубин

О существовании таинственных космических лучей стало известно сравнительно недавно. В начале нынешнего столетия с целью изучения особенностей радиоактивности горных пород Земли ученые стали исследовать интенсивность ионизации воздуха у земной поверхности. И выяснилось, что до определенной высоты ионизация воздуха падает с увеличением расстояния от Земли (что и следовало ожидать, если источник радиации - земная почва и горные породы). Но с определенного уровня интенсивность излучения, вызывающего ионизацию, начинает быстро расти и на больших высотах во много раз превышает уровень ионизации на поверхности Земли. Например, на высоте 9 км она выше, чем на уровне моря, в 10 раз.

Пришлось сделать вывод, что лучи, вызывающие ионизацию воздуха на больших высотах, имеют не земное, а космическое происхождение; они и получили название космических лучей. Так возникла еще одна интереснейшая научная проблема: что собой представляют космические лучи по физической природе? Как они возникли? Где находится источник (или источники) их образования? Каковы их роль в природе и действие на земную жизнь? До недавнего времени решение всех этих вопросов имело сугубо теоретическое значение, представляло интерес лишь для астрономов и специалистов в области ядерной физики и физики элементарных частиц. Но вот человечество вступило в эру освоения космического пространства. И космические лучи из сугубо научной проблемы стали проблемой непосредственной практики полетов за пределы земной атмосферы, одной из реальных опасностей, угрожающих смелым обитателям нашей планеты, ограничивающих возможности освоения космоса. Даже при полетах современных реактивных самолетов следует учитывать влияние космической радиации. На высоте 15 км за их счет доза облучения увеличивается. За 1 час полета это увеличение составит примерно 0,5% годовой дозы, получаемой за счет естественного фона. Однако время, проводимое на такой высоте пассажирами самолета, невелико, и увеличение фона не может иметь значения для их здоровья.

Задача исследования космических лучей была достаточно сложна. Ведь земную поверхность надежно защищает от космических "неприятностей" атмосфера, толстый покров которой поглощает губительные для жизни на Земле коротковолновые ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма-лучи и космическое излучение. Пришлось ученым в погоне за космическими пришельцами подниматься на самолетах, воздушных шарах, карабкаться на высокие горы и поднимать за собой громоздкую и сложную научную аппаратуру.

Выяснилось, что космические лучи - это потоки материальных частиц, таких же, как и те, из которых построено вещество Земли и всей Солнечной системы. На 85% состоят они из протонов-положительно заряженных ядер водорода, самого легкого элемента. Основную массу остатка составляют альфа-частицы - ядра следующего за водородом элемента гелия, стоящего на втором месте в таблице Менделеева. На долю более тяжелых ядер приходится примерно 1,5 - 1,6% общего числа космических частиц. Среди них различают легкие ядра с атомным номером 3 - 5 (ядра лития, бериллия, бора), средние - с номером 6 - 9 (углерод, азот, кислород, фтор), тяжелые - с атомным номером 10 - 20 и сверхтяжелые - с номером свыше 20. На долю последних приходится всего около 0,1 % излучения.

Рис. 20. Схема образования вторичных космических частиц при попадании в атмосферу первичной частицы космического излучения

Двигаясь по бесконечным космическим просторам, эти частицы разгоняются, достигают скорости, близкой к скорости света, и несут с собой колоссальную энергию, превышающую 1020 эв. Чтобы представить себе более наглядно величину этой энергии, достаточно сказать, что она во много миллионов раз больше энергии, генерируемой в самых мощных ускорителях частиц, созданных руками человека. Врываясь в земную атмосферу, такая частица постепенно теряет свою энергию, растрачивая ее на многочисленные столкновения с молекулами воздуха. Осколки молекул, оказавшихся на пути космической частицы, приобретая часть ее энергии, сами становятся факторами ионизации, разрушая другие атомы и выбивая из них электроны и другие частицы. Первичная частица космического излучения, как правило, не достигает поверхности Земли. Но о ее появлении в пределах земной атмосферы свидетельствует лавина вторичных частиц, образовавшихся в результате ионизации атмосферных газов (рис. 20). По количеству и составу вторичных частиц, по площади лавины можно в какой-то степени судить и об энергии первичной частицы.

Существование "ливней" вторичных космических частиц было открыто советским ученым Д. В. Скобельцыным, исследования которого положили начало систематическому изучению физики космических лучей. Для изучения ливней вторичных частиц космических лучей создаются специальные системы. На площади в несколько десятков квадратных километров располагается большое количество счетчиков заряженных частиц, соединенных между собой так, что они срабатывают только при одновременном попадании в них множества частиц.

Поскольку в земных условиях ученые еще не научились получать столь высокие энергии частиц, они с успехом пользуются гигантским природным ускорителем, разгоняющим космические лучи, и для целей изучения строения вещества. Именно с помощью космических лучей удалось открыть существование таких элементарных частиц, как мю- и к-мезоны, некоторые виды гиперонов. "Характер" и "биографию" элементарных частиц ученые узнают по следам - трекам, оставляемым ими в фотопластинках, которые физики поднимают в верхние слои атмосферы с помощью шаров-зондов, стратостатов, ракет, самолетов, искусственных спутников Земли.

В среднем интенсивность космического излучения за пределами земной атмосферы составляет, по расчетам ученых, около 2 частиц на 1 см² в секунду. Эта величина почти не зависит от времени суток, времени года и практически постоянна. Поскольку Земля совершает движения вокруг своей оси, вокруг Солнца, которые не влияют на интенсивность космического излучения, приходится сделать вывод, что лучи эти приходят к Земле отовсюду из мирового пространства с примерно одинаковой интенсивностью; А если так, то вряд ли их основным источником может быть Солнце.

Загадка происхождения космических лучей продолжает волновать ученых и сегодня, хотя многое для ее решения уже сделано. Прежде всего была выяснена роль Солнца. Она оказалась очень небольшой. Солнце главным образом ответственно за наблюдающиеся время от времени повышения интенсивности излучения, связанные со вспышками на Солнце. О них речь идет в следующем разделе.

Но, быть может, и другие звезды нашей Галактики излучают потоки частиц, которые и создают в совокупности космические лучи? Ученые проверили и это предположение. Оказалось, что если бы все звезды Галактики излучали с такой же силой, как наше Солнце, суммарная интенсивность космических лучей была бы в сотни раз меньше наблюдаемой в действительности. Кроме того, Солнце и другие "спокойные" звезды излучают частицы с меньшей энергией и иным составом, чем частицы космического излучения.

Пришлось допустить, что в пределах нашей звездной системы существуют гораздо более мощные источники космического излучения. Успехи радиоастрономии и других новых методов исследования мирового пространства позволили обнаружить основных "виновников" образования космических лучей. Ими оказались так называемые "сверхновые" звезды.

Тысячелетиями светит из необозримых мировых глубин крохотная звездочка, разглядеть которую можно лишь в самые мощные телескопы. И вдруг происходит чудо: на ее месте в просторах Вселенной вспыхивает новая звезда, свет которой может на какое-то время сравниться с блеском Солнца. Мы можем лишь догадываться о масштабах гигантской космической катастрофы, породившей такую звезду (ее-то и называют "сверхновой"). Ведь яркость ее свечения внезапно возрастает во многие миллиарды раз. Только поэтому свет сверхновой звезды, отделенной от нас расстоянием в тысячи световых лет, приближается по интенсивности к свечению Солнца - нашего ближайшего звездного соседа.

Свыше 900 лет назад, в 1054 г., произошла вспышка сверхновой, которая была столь велика, что звезду легко можно было видеть днем, о чем и сообщают китайские и японские летописи. А в наши дни на месте вспыхнувшей когда-то сверхновой ученые увидели так называемую Крабовидную туманность, отделенную от нас расстоянием в 4500 световых лет. За 900 лет, прошедших с момента взрыва, приведшего к образованию сверхновой (точнее, с момента, когда жители Земли увидели ее вспышку), массы выброшенного взрывом звездного вещества образовали оболочку туманности, которая и сегодня удаляется от ядра взорвавшейся звезды со скоростью 1000 км/сек. Такие-то космические катастрофы и являются основным поставщиком космических лучей в пределах нашей Галактики, где вспышки сверхновых происходят, по подсчетам ученых, каждые 10 - 100 лет.

Однако существует еще один возможный источник космического излучения, расположенный за пределами нашей Галактики. В последние годы ученые, открыли возможность еще более грандиозных космических катастроф, чем взрывы сверхновых: это взрывы галактических ядер - центральных, особенно плотных областей невероятно далеких звездных систем. Возникающие при таких взрывах потоки особенно тяжелых частиц, несущих колоссальную энергию, способны преодолевать гравитационные и магнитные поля своих Галактик, выходить в межгалактическое пространство и после блужданий в пространствах Вселенной достигать Солнечной системы. Возможно, что наиболее тяжелые космические частицы, обладающие максимальной энергией, имеют внегалактическое происхождение.