Невидимое излучение Космоса
Космическое пространство, космос — относительно пустые участки Вселенной, которые лежат вне границ атмосфер небесных тел. Космос не является абсолютно пустым пространством: в нём есть, хотя и с очень низкой плотностью, межзвёздное вещество, кислород в малых количествах (остаток после взрыва звезды), космические лучи и электромагнитное излучение, а также гипотетическая тёмная материя.
Космические лучи — это поток заряженных частиц, движущихся в Галактике с чудовищными скоростями.
К космическим лучам относятся главным образом ядра обычных химических элементов, по-видимому, возникающие в результате взрывов сверхновых звезд, движение которых по галактическим маршрутам регулируется слабыми магнитными полями, пронизывающими нашу Галактику. Космические лучи — это неотъемлемая часть межзвездной среды, и в них заключена значительная доля общей ее энергии.
В наши дни космические лучи — это единственные известные частицы, пришедшие из-за пределов Солнечной системы, с которыми мы можем иметь прямой контакт. По одной лишь этой причине они заслуживают тщательного исследования.
Открытие космических лучей
Видимый свет, в котором мы наблюдаем Вселенную невооруженным глазом, представляет собой лишь узкую полосу волн электромагнитного спектра. Космос же излучает много других волн, включая инфракрасные, рентгеновские, гамма-лучи и даже частицы, названные нейтрино. Для их обнаружения требуется специальная техника.
Полеты космических аппаратов открыли перед астрономами невиданные ранее возможности, которыми наземная астрономия никогда не располагала, да и не могла располагать. Для изучения небесных тел Солнечной системы, нашей Галактики и многочисленных внегалактических объектов теперь в космос запускаются специализированные астрономические станции-обсерватории, оснащенные новейшими физическими приборами. Они улавливают невидимые излучения, которые поглощаются атмосферой и не достигают земной поверхности.
В результате стали доступны для исследований все виды электромагнитного излучения, приходящего из космических глубин.
Образно говоря, если раньше мы наблюдали Вселенную как бы в одном, черно-белом цвете, то сегодня она представляется нам во всех «цветах» электромагнитного спектра. Но чтобы принимать невидимые излучения, нужны особые телескопы.
Приемники коротковолновых излучений совершенно не похожи на оптические телескопы. И если мы говорим, например, «рентгеновский телескоп» или «гамма-телескоп», то под такими названиями следует понимать: приемник рентгеновского излучения или приемник гамма-квантов.
Как было обнаружено космическое излучение?
Около века назад ученые начали измерять заряды в атмосфере. В то время, хотя некоторые из них действительно обнаруживали явления ионизации в атмосфере, они полагали, что заряды испускаются Землей, а не из космоса. В 1912 году немецкий ученый Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре на 5000 метров и измерил изменения в атмосфере.
Он обнаружил, что обнаруженный ток увеличивается с высотой, что привело к его убеждению, что ток был вызван сильным проникающим излучением из космоса. Этот вид излучения впоследствии был назван «космическими лучами». И благодаря этому открытию Виктор Гесс был удостоен Нобелевской премии по физике в 1936 году.
Обнаружение инфракрасных лучей
Первым обнаружил невидимые лучи выдающийся астроном Уильям Гершель (1738-1822). Он занимался измерением температуры отдельных цветов радуги. Странно, но самый большой показатель термометр зафиксировал с одного конца красного края радуги. Это дало Гершелю основание заподозрить наличие невидимых лучей, которые он назвал калорическими (от «тепло» по-латыни). Он обнаружил, что эти лучи могут поглощаться, отражаться и преломляться так же, как и видимый свет.
Термин «инфракрасный» (инфра — «низший» или «ниже» по-латыни) появился в конце XIX века. Открытые лучи так назвали, потому что они находились ниже красного края электромагнитного спектра.
Галактика в инфракрасном диапазоне
С появлением более чувствительных методов наблюдений инфракрасная астрономия развивалась все активнее. К 1960-м годам инфракрасные телескопы стали запускать на воздушных шарах в верхние слои атмосферы, где космические инфракрасные лучи было легче обнаружить. Чуть позже начали применять специальные самолеты, как, например, воздушная обсерватория им. Койпера НАСА, работающая с 1975 по 1995 год.
Большинство наземных инфракрасных телескопов располагается на вершинах гор. Крупнейший в мире британский инфракрасный телескоп (UKIRT) установлен близ гавайской вершины Мауна-Кеа. Такие приборы используются для изучения межзвездного газа и пыли, из которых образуются новые звезды.
Рентгеновские лучи из космоса
В 1898 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, экспериментируя с катодными лучами, обнаружил, что их сопровождают какие-то невидимые лучи. Он назвал их Х-лучами из-за их загадочной природы, однако теперь уже понятно, что они формируют часть электромагнитного спектра.
Большая часть рентгеновских лучей блокируется в атмосфере. Поэтому до появления спутников детекторы космических рентгеновских лучей крепили на воздушных шарах и исследовательских ракетах, которые могли подниматься вверх в разреженный воздух.
- Первой такой ракетой стала «Фау-2» из послевоенного арсенала Германии, на которую были установлены счетчики Гейгера. Она была запущена с полигона Уайт-Сэндс в штате Нью-Мексико в 1949 году. Это позволило понять, что Солнце является слабым источником рентгеновских лучей.
- А в 1962 году, заменив фотопластинку счетчиком Гейгера, астрономы обнаружили второй рентгеновский источник уже далеко за пределами Солнечной системы. Это ярчайший рентгеновский источник в созвездии Скорпиона, подучивший название Скорпион Х-1.
- Третьим объектом рентгеновской астрономии в 1963 году стала знаменитая Крабовидиая туманность в созвездии Тельца.
Наиболее важным этапом в развитии рентгеновской астрономии были запуски первого в .мире американского рентгеновского спутника «Ухуру» в 1970 году и первого рентгеновского телескопа-рефлектора «Эйнштейн» в 1978 году. С их помощью были открыты рентгеновские двойные звезды, рентгеновские пульсары, активные ядра галактик и другие источники рентгеновского излучения.
Открытие гамма-лучей
В 1900 году французский физик Поль Виллар, экспериментируя с ураном и радием, установил, что они испускают новый тип лучей, проходящих сквозь плотные материалы, через которые не удается проникать рентгеновским лучам.
К тому моменту уже были обнаружены радиоактивные частицы альфа и бета, поэтому британский физик Эрнест Резерфорд назвал их гамма-лучами.
Как и рентгеновские, гамма-лучи блокируются атмосферой, именно поэтому детекторы первых поколений также крепились на борту воздушных шаров и ракет. Правда, гамма-лучи можно обнаружить на Земле непрямым путем благодаря открытию, сделанному в 1934 году выдающимся советским физиком Павлом Черенковым.
Черенков проводил опыт с бомбардировкой воды гамма-лучами, когда обнаружил луч тусклого голубого света, который впоследствии стали называть эффектом/излучением Вавилова — Черенкова. Вызывает его оптическая ударная волна, поскольку энергетические лучи или частицы путешествуют в одной и той же среде быстрее, чем фотоны света — и не только в воде, но и сквозь атмосферу.
Приборы — черенковские счетчики — измеряют скорость и направление света, что позволяет астрономам, отслеживая обратно траекторию света, определять источники излучения гамма-лучей.
К мощным космическим источникам гамма-лучей относят:
24 февраля 1987 года благодаря гамма-лучам была обнаружена сверхновая, вспыхнувшая в Большом Магеллановом облаке.
Снимок сверхновой в большом Магеллановом Облаке
Всесторонние научные исследования позволили изучать свойства заряженных частиц, входящих в состав космических лучей. Легко были отождествлены самые распространенные их компоненты: ядра атомов водорода, протоны, и ядра атомов гелия, альфа частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Но вскоре стало ясно, что присутствуют также ядра более тяжелых элементов, в частности ядра атомов железа.
Нейтринная астрономия
Появление сверхновой SN1987A было также зафиксировано опытным путем в США и Японии. Правда, в ходе этих опытов велся поиск не гамма-лучей, а нейтрино — трудно обнаруживаемых элементарных частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, и не знающих никаких преград.
Первые солнечные нейтрино открыл в 1968 году американский физик Раймонд Дэвис (1914-2006) с помощью емкости с перхлорэтиленом. Во взаимодействие с атомами хлора в этой жидкости вступили всего несколько нейтрино, сформировав радиоактивные изотопы аргона, которые Дэвис и нашел. Его открытие дало толчок к развитию нейтринной астрономии.
Несколькими годами позже в Японии провели эксперимент для изучения солнечных нейтрино, в ходе которого также нашли частицы сверхновой SN1987A. Нейтрино достигли Земли за 150 минут до того, как удалось увидеть сверхновую. Сейчас созданы самые современные детекторы для получения данных о нейтрино.
Природа космического излучения
Ученые выяснили, что наибольшая часть космических лучей, причем с наименьшими энергиями, имеет солнечное происхождение, но главный вклад вносят космические лучи, приходящие из нашей Галактики и обладающие высокими энергиями. Возможно, что некоторая доля космических лучей — это посланцы других галактик.
Сейчас считают, что наиболее вероятным источником космических лучей в Галактике являются взрывы сверхновых.
Космические лучи состоят в основном из высокоэнергетических протонов: 85% ядер водорода, 12% α-частиц, с небольшой долей электронов и некоторыми более тяжелыми атомными ядрами. Космические лучи движутся в пространстве почти со скоростью света, некоторые из которых достигают Земли.
В рентгеновских лучах Вселенная представляется совершенно иной, чем она видна в оптические телескопы:
- С одной стороны, наблюдается увеличение концентрации ярких источников излучения по мере приближения к средней плоскости Млечного Пути — они принадлежат нашей Галактике;
- С другой — равномерное распределение многочисленных внегалактических рентгеновских источников по всему небу.
Многие небесные тела, украшающие небо Земли,— Луна и планеты — в рентгеновских лучах не видны.
В нашей Галактике диффузное (рассеянное) гамма-излучение сосредоточено главным образом в галактическом диске; оно усиливается в направлении к центру Галактики.
Гамма излучение пульсаров
Кроме того, обнаружены дискретные (точечные) гамма-источники, такие как Краб (Крабовидная туманность в Тельце), Геркулес Х-1, Гемннга (в созвездии Близнецов) и некоторые другие. Сотни дискретных источников внегалактического гамма-излучения разбросаны буквально по всему небу.
Удалось принять гамма-излучение, исходящее из активных областей Солнца во время солнечных вспышек.
Наблюдения с искусственных спутников в периоды минимума солнечной активности позволяют получить наилучшие данные о свободных электронах в межзвездном и межпланетном пространстве. Результаты исследования космических лучей позволили нам узнать много нового и интересного об относительном распределении химических элементов и их распространенности в межзвездном пространстве.
Источники космических лучей
В последние годы специалисты по космическим лучам много спорили о том, возникают ли космические лучи в нашей Галактике или за ее пределами. В целом представляется, что одерживают верх сторонники галактического происхождения космических лучей.
Наибольшее внимание привлекла гипотеза, согласно которой космические лучи возникают при взрывах сверхновых звезд в нашей Галактике.
Вспышка сверхновой звезды
В галактиках подобных нашей, происходит 2— 3 взрыва сверхновых в столетие. Энергия, освобождающаяся при каждом таком взрыве, колоссальна, и тот факт, что известные остатки вспышек сверхновых, например Крабовидная туманность, являются источниками радиоизлучения, указывает на присутствие вокруг них крупномасштабных магнитных полей.
Ядра атомов, выбрасываемые в космическое пространство в качестве побочных продуктов взрыва сверхновых звезд, ускоряются этими магнитными полями, что позволяет понять высокие энергии частиц космических лучей.
Можно не сомневаться в том, что космические лучи в больших количествах не могут приходить к нам от далеких галактик, находящихся на расстояниях нескольких миллиардов парсек. Гипотеза сверхновых обеспечивает постоянный приток частиц с примерно требуемой энергией. Именно поэтому представляется вполне разумным искать источник космических лучей в самых грандиозных явлениях, происходящих в нашей Галактике — взрывах сверхновых.
Взаимодействие магнитного поля Земли и заряженные частиц из космоса
Магнитное поле Земли воздействует на частицы космических лучей в такой степени, что становится очень трудно проследить первоначальное направление до входа в магнитосферу Земли всех частиц, кроме тех, которые обладают наибольшими энергиями. Кроме того, взаимодействие частиц космических лучей и газов верхних слоев атмосферы создает вторичные эффекты в виде ливней ионизованных частиц.
Магнитное поле Земли и ее атмосфера — это надежный щит, защищающий нас от космических лучей!
Огромную помощь в изучении космических лучей до их вторжения в атмосферу Земли и до воздействия на них земного магнитного поля оказывают искусственные спутники. Чрезвычайно важная задача будущего — проводить исследование на космических аппаратах за пределами внутренней области Солнечной системы.
Влияние космического излучения на технику
Электронные гаджеты и компьютеры могут выйти из строя из-за космического излучения, выяснили исследователи. Оно способно вызывать сбои в работе электронных устройств, что не может не беспокоить — ведь сложной техники вокруг становится все больше. В сбоях электронных устройств могут быть виноваты субатомные частицы родом из-за пределов нашей галактики, считают исследователи из Университета Вандербильта.
На атмосферу Земли воздействуют космические лучи, движущиеся со скоростью света, образуя различные частицы. Ежесекундно миллионы образовавшихся частиц бомбардируют тела людей. Это воздействие незаметно и не оказывает вреда для организма. Но часть этих частиц способна создавать помехи в интегральных схемах электронных устройств. В результате это взаимодействие может изменить данные, хранящиеся в памяти устройства.
При этом трудно определить, когда и где появятся такие частицы. Кроме того, никаких физических признаков повреждения не возникает. Также нельзя сразу сказать, виновато в сбое космическое излучение, аппаратный дефект или ошибка программного обеспечения.
Так в бельгийском городке Схарбек, где в 2003 году во время выборов в парламент один из кандидатов благодаря излучению получил 4096 дополнительных голосов. Ошибка была замечена, потому что кандидат набрал количество голосов, превышающее возможное. Расследование причин произошедшего привело к выводу, что ошибка возникла именно из-за воздействия космических лучей, которые вызвали сбой в реестре электронного устройства для подсчета голосов.
Другой приведенный пример — проблема, возникшая на пассажирском самолете, летевшем из Сингапура в Перт. Из-за воздействия излучения у самолета отключился автопилот и он резко «подпрыгнул» на 210 метров. Почти треть пассажиров получила настолько серьезные травмы, что самолет пришлось экстренно посадить в ближайшем аэропорту.
В 2004 году компания Cypress Semiconductor, занимающаяся разработкой и производством полупроводников, приводила следующие данные по количеству вызываемых космическим излучением ошибок:
- мобильный телефон с 500 Кб памяти должен совершать одну потенциальную ошибку в 28 лет;
- сеть маршрутизаторов с памятью в 25 Гб допускает одну ошибку, приводящую к сбою в сети, каждые 17 часов;
- находясь в самолете на высоте 10,6–10,7 км, ноутбук с памятью в 500 Кб может совершать одну ошибку каждые пять часов.
Производители полупроводников очень обеспокоены этой проблемой, потому что она становится все серьезнее из-за того, что мощность электронных устройств растет, да и их количество значительно увеличивается
Воздействие космических лучей на организм человека
Пока мы живем на поверхности Земли, нет необходимости принимать какие-либо меры предосторожности против воздействия космического излучения. Это потому, что у Земли есть два механизма, чтобы защитить нас от вреда космических лучей:
- Магнитное поле Земли — когда космические лучи приближаются к Земле, магнитное поле будет отклонять заряженные частицы. Конечным результатом является то, что они в основном сосредоточены на двух полюсах Земли, которые очень малочисленны, если вообще населены. Видимым проявлением влияния магнитного поля Земли является сияние, наблюдаемое на полюсах.
- Другим механизмом является защитная атмосфера Земли. Атмосфера не только может поглощать большую часть инфракрасного и ультрафиолетового света, но и взаимодействовать с космическими лучами. Частицы высоких энергий так называемого первичного космического луча столкнутся с атомами кислорода или азота в атмосфере и затем превратятся во вторичные частицы космического луча. Космические лучи проходят через атмосферу, ослабляются и в конечном итоге достигают земли.Эти вторичные частицы имеют достаточную энергию для производства частиц следующего поколения.
Одна вещь, которую мы должны знать, — то, что заряд высокоэнергетических частиц космических лучей может достигать 100 МэВ. Они могут нарушать нормальную функцию клетки, вызывать заболевания, а значит, представлять угрозу для космонавтов. Если космические лучи проникают в капсулу космических кораблей, они могут также подорвать точность прибора, влияя на их работу. Таким образом, тщательное планирование должно быть принято в каждой космической миссии.
Большая часть космического излучения не может достичь поверхности Земли. Энергии частиц, которые проникают на поверхность Земли, будут дополнительно уменьшаться при приближении к земле. Следовательно, атмосфера действует как барьер для блокирования частиц высоких энергий. Когда космические лучи достигают поверхности Земли, потенциальные вредные воздействия значительно уменьшаются.
Видео
Источник