Механизм поглощения космических гамма
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Физический факультет Кафедра общей и теоретической физики Манакова Елена Алексеевна МЕХАНИЗМ ПОГЛОЩЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ГАММА-КВАНТОВ СВЕРХВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ В ГАЛАКТИЧЕСКОЙ СРЕДЕ Магистерская диссертация по направлению 011200.68 «теоретическая и математическая физика» Допущена к защите ГАК Заведующий кафедрой ОТФ, профессор, кандидат физикоматематических наук Бирюков Александр Александрович ______________________ Научный руководитель: доцент, кандидат физикоматематических наук Молчатский Лев Соломонович ______________________ «______» ____________________ 2013г. «______» ____________________ 2013г. САМАРА 2013 Оглавление Введение 3 1 Основы астрофизики космических лучей 8 1.1 Космические лучи…………………………………………………………………………….......8 1.1.1 Открытие космических лучей………………………………………………………………8 1.1.2 Происхождение космических лучей……………………………………………………...11 1.1.3 Основные модели происхождения космических лучей………………………………....12 1.1.4 Характеристики космических лучей…………………………………………………...…13 1.1.5 Общие сведения о космических лучах……………………………………………………13 1.1.6 Первичные космические лучи……………………………………………………………..16 1.1.7 Вторичные космические лучи……………………………………………………………..17 1.2 Широкие атмосферные ливни………………………………………………………………….22 1.3 Основы космологии и реликтовое излучение………………………………………………....27 1.4 Галактики и скопления галактик……………………………………………………………….30 1.4.1 Звездные скопления и наша Галактика…………………………………………………...30 1.4.2 Активные ядра галактик…………………………………………………………………...36 2 Формулировка модели и теоретическое исследование процессов поглощения космических гамма-квантов сверхвысокой энергии 40 2.1 Космический микроволновой фон как среда поглощения гамма-квантов. Постановка задачи……………………………………………………………………………...40 2.2 Процесс образования электрон-позитронной пары при столкновении фотонов…………..41 2.3 Вывод основных формул……………………………………………………………………….42 2.4 Исследование процесса образования пар ультравысокой энергии……………………….....43 2.5 Образование пары близкой к порогу………………………………………………………......45 3 Численные оценки основных параметров 46 3.1 Вычисление энергетического порога реакции поглощения………………………………….46 3.2 Исследование процесса поглощения. Оценка основных параметров……………………….47 3.3 Радиофон как среда поглощения гамма-квантов……………………………………………...51 3.4 Реакция поглощения мюонной пары.…………………………………………….……………52 Заключение 55 Список литературы 56 Приложение 61 2 Введение Актуальность работы Несмотря на то, что космические лучи были открыты более ста лет назад, вопрос о происхождении космических лучей и механизме их распространения в галактической и межгалактической средах является одним из актуальных вопросов современной физики высоких энергий и астрофизики [1-7]. Лауреат нобелевской премии В.Л. Гинзбург отнес эту проблему к одной из важных и интересных проблем физики и астрофизики [3]. В настоящее время накоплено большое количество теоретических и экспериментальных данных посвященных космическим лучам сверхвысокой энергии [8-25]. При этом точность проводимых экспериментов все более возрастает. Исследование космических лучей не только определило существенный этап в развитии физики частиц, но и до настоящего времени представляет интерес с точки зрения этой науки, поскольку позволяет получать некоторые сведения о процессах, происходящих при энергиях, пока недостижимых для ускорителей. Частицы сверхвысокой энергии, попадающие из космоса в атмосферу Земли, взаимодействуя с атомами воздуха, рождают целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые в свою очередь рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из вторичных частиц, который называют широким атмосферным ливнем (ШАЛ) [26-29]. Исследование этих вторичных частиц с помощью специальных установок, расположенных на поверхности Земли, позволяет получить информацию о первичной частице [7]. Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение [30], регистрируемое телескопами. Главная трудность гамма-наблюдений заключается в том, что хотя энергия космических гамма-квантов и очень велика, но число этих квантов в околоземном пространстве ничтожно мало. Современные гамма-телескопы даже от самых ярких гамма-источников регистрируют примерно один квант за несколько минут. Значительные трудности возникают и вследствие того, что первичное космическое излучение приходится изучать на фоне многочисленных помех. В настоящее время установки по измерению ШАЛов расположены в различных частях земного шара (США, Великобритания, Япония, Аргентина). В России такая установка находится в Якутске. Источниками излучения в нашей Галактике являются в основном пульсары. Фотоны, идущие от этих источников, достигают энергии 1014 ÷ 1016 эВ [1, 2, 7, 8] и пробегают расстояния порядка нескольких кпк. Эти источники известны с середины 80-х годов прошлого века и достаточно хорошо изучены, хотя и сегодня многие вопросы остаются неясными. В частности, хорошо изучено излучение, идущее от пульсара, находящееся в созвездии Лебедь Х-3 [31, 32]. 3 Недавние исследования космических лучей сверхвысокой энергии с помощью установок по измерению ШАЛов, привели к новому неожиданному результату – в области сверхвысокой энергии (вплоть до Е > 1020 эВ) в космических лучах присутствуют гамма-кванты. Более того, эксперименты на японской установке AGASA (Akeno Giant Air Shower Array) и на Якутской установке указывают на доминирующее присутствие фотонов в космических лучах с энергией порядка 1020 эВ (рис.1) [33]. Их источниками, как полагают, являются активные ядра галактик [41], т.е. процессы, рождающие фотоны столь высокой энергии, протекают вне нашей галактики и расстояние до этих объектов измеряется в Mпк. Рис. 1. Limits (95% CL) on the fraction of primary gamma rays in the integral flux of cosmic particles with E0 > Emin from: this work (large Y); hybrid events of the Pierre Auger Observatory (PAO-H) [34]; the surface detector of the Pierre Auger Observatory (PAO-SD) [35]; Yakutsk (small Y) [36]; reanalysis of the AGASA (AH) [37] and AGASA and Yakutsk (AY) [38] data; AGASA (A) [39] and Haverah Park (HP) [40]. Еще в 1966 году в работах Грейзена и Зацепина – Кузьмина [42, 43], которое впоследствии было названо эффектом, было показано, что реакция фоторождения пионов протонами на квантах реликтового излучения должна приводить к “обрезанию” спектра первичных космических лучей. Точка эффективного обрезания определяется энергетическим порогом реакции лучи, энергия [44]. Проведённые эксперименты, показали, что Земли достигают которых превышает установленный предел (их называют частицами ультравысоких, или предельно высоких энергий) [1,3,45]. Существование таких частиц называют 4 парадоксом Грейзена-Зацепина-Кузьмина. Было выдвинуто множество предположений для решения этой проблемы: Во-первых, существуют подходы, основанные на предположении, что принцип лоренцинвариантности не выполняется при сверхвысоких энергиях [8, ,26, 33, 46]. Во-вторых, некоторые исследователи этой проблемы считают, что частицы сверхвысокой энергии являются результатом распада частиц «темной материи» [33, 47]. И в-третьих, выдвигается гипотеза об образовании высокоэнергетических частиц в активных ядрах скопления галактик, т.е. за пределами нашей галактики, а переносчиками энергии в нашу галактику являются нейтрино [8, 48,49]. Этот подход доминирует в настоящее время. Однако в работах [50-52] представлено теоретическое обоснование возможности переноса энергии на межгалактические расстояния гамма-квантами сверхвысокой энергии. В настоящей работе именно в рамках этого подхода рассматривается процесс распространения гамма-квантов сверхвысокой энергии в галактической и межгалактической средах. В связи с вышесказанным, считаю, что задача о рассмотрении механизма поглощения и распространения гамма-квантов сверхвысокой энергии в средах представляется актуальной. В диссертации данная проблема рассматривается в рамках стандартных физических представлений. Цель диссертационной работы Цель диссертационной работы заключается в исследовании процесса распространения и поглощения космических гамма-квантов сверхвысокой энергии в галактической и межгалактической средах. Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи: • Показать, что процесс образования электрон-позитронной пары на квантах реликтового излучения является основным механизмом поглощения; • Вычислить энергетический порог данной реакции; • Вычислить основные параметры процесса поглощения и падения интенсивности излучений, идущих от галактических источников; • Найти зависимость длины взаимодействия от энергии налетающего фотона; • Показать, что эффективные поглощения фотонов космического излучения сверхвысокой энергии возможны на фоне реликтового излучения и на радиофоне; • Показать, что гамма-кванты способны быть переносчиками ультравысокой энергии во Вселенной; 5 • Полученные результаты вычислений сопоставить с данными астрофизических наблюдений. Научная новизна Выполненные исследования прохождения фотонов сверхвысокой энергии в галактической и межгалактической средах показывают, что излучения, идущие от активных ядер скопления галактик, способны достигнуть окрестности Земли. Результаты диссертационной работы находятся в согласии с экспериментальными данными, полученными на японской установке AGASA и на Якутской установке, которые указывают на доминирующее присутствие фотонов в космических лучах с энергией порядка 1020 эВ. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием строгих математических методов; детальным анализом общих физических принципов, лежащих в их основе; сравнением с экспериментом и проверкой аналитических результатов с помощью численных расчетов. Научная и практическая значимость результатов работы определяется тем, что полученные результаты могут быть использованы для анализа и интерпретации экспериментальных данных о космических лучах сверхвысокой энергии и об их источниках, а так же могут использоваться в учебном процессе при подготовке студентов и магистров, специализирующихся по теоретической физике, астрофизике и физике высоких энергий. На защиту выносятся следующие основные результаты 1. Показано, что основным процессом поглощения потока гамма-квантов сверхвысокой энергии в галактической и межгалактической средах является реакция образования электрон-позитронной пары при столкновении фотонов; 2. Определен энергетический порог рассматриваемой реакции; 3. Найдена энергетическая зависимость эффективного сечения и эффективной длины взаимодействия для этого процесса; 4. Показано, что основной средой поглощения космических фотонов сверхвысокой энергии являются реликтовое излучение и радиофон; 5. Произведена оценка ослабления интенсивности потока космических гамма-квантов, распространяющихся в галактической и межгалактической средах. Показано, что фотоны сверхвысокой энергии способны достигнуть окрестности Земли; 6. Результаты вычислений сопоставлены с данными экспериментов. 6 Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XXXVII Самарской областной студенческой научной конференции (2011); III Международной конференции "Математическая физика и ее приложения" (Самара 2012); XLIV Научной конференции студентов СамГУ (2013); Ежегодной научной конференции преподавателей и сотрудников факультета физики, математики и информатики ПГСГА (2013), а так же на научных семинарах Самарского государственного университета и Поволжской государственной социально-гуманитарной академии. Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 3 печатных работы, список которых приводится в конце диссертации. Объем и структура диссертации Диссертация изложена на 63 с. печатного текста (в том числе 15 рисунков). Она состоит из введения, 3 глав, заключения, приложения и списка литературы включающего 80 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность настоящего исследования, сформулированы цель работы, выбор объекта и методов исследования. В первой главе дан краткий обзор, посвященный общим сведениям о космических лучах, истории их открытия и происхождения. Рассмотрен вопрос о регистрации широкими атмосферными ливнями космических лучей сверхвысокой энергии. На основе имеющихся источников рассмотрено реликтовое изучение, а также некоторые вопросы астрономии. Во второй главе дана формулировка модели и теоретическое исследование процессов поглощения космических гамма-квантов сверхвысокой энергии. Произведен основной вывод формул. В третьей главе приведены численные оценки основных параметров. В заключении сформулированы основные результаты работы. В конце диссертации приведен список используемой литературы. 7 ГЛАВА 1 ОСНОВЫ АСТРОФИЗИКИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ Астрофизика космических лучей – весьма широкая область исследований, посвященных космическим лучам как одному из астрономических объектов. Ограничимся лишь основными вопросами астрофизики космических лучей, сконцентрировав внимание на достаточно установившемся материале. Данные экспериментов и наблюдений лишь резюмируются и используются для иллюстрации. Довольно подробно изложен тот круг теоретических вопросов, который был использован при решении задачи. Для любого исследования явлений, связанных с космическими лучами, прежде всего, необходимо подробно и точно знать природу и состав первичного излучения. Именно на основе этих данных строится теория происхождения космических лучей. Приведены общие сведения о космических лучах, истории их открытия и происхождения [1, 53, 54]. Изложены вопросы по астрономии и космологии, находящиеся в центре современных интересов изучения строения наблюдаемой Вселенной [1, 55] . 1.1 Космические лучи 1.1.1 Открытие космических лучей Космические лучи не были открыты в каком-то одном эксперименте. Напротив, существование космических лучей - заряженных частиц с высокой энергией - было установлено в результате длительных исследований, начавшихся в первом десятилетии прошлого века [56]. Всякие же сомнения в том, что к нам из космического пространства приходит проникающее излучение - космические лучи, исчезли лишь примерно в 1927-1928 гг. Тем не менее, историю открытия космических лучей можно считать начинающейся в 1900 г., когда Эльстер и Гейтль [57] и независимо Вильсон [58] пришли к заключению о наличии некоторой электропроводности у чистого воздуха, находящегося в закрытых сосудах. При этом какие-либо видимые источники ионизации воздуха отсутствовали. Тогда уже было известно, что электропроводность газов увеличивается под действием рентгеновских лучей и радиоактивных излучений. Поэтому наблюдаемый эффект – «темновой» ток, обусловленный остаточной ионизацией воздуха, связывался с действием радиоактивных загрязнений, как в самом воздухе, так и в окружающей среде (стенки сосуда, земля). В 1901 г. Вильсон высказал мысль [59], что остаточная ионизация вызвана каким-то сильно проникающим излучением, приходящим из-за пределов земной атмосферы. Это была чистая спекуляция, и Вильсон сам от нее вскоре отказался [2, 60]. Гипотеза о каком-то проникающем излучении внеземного происхождения не была полностью забыта, хотя и считалась невероятной [2]. 8 Наблюдаемая ионизация связывалась с радиоактивностью и, конкретно, с гаммаизлучением радиоактивных веществ. Результаты при этом длительное время оставались противоречивыми и неясными. Так, экранирование прибора (электроскопа) даже довольно толстым слоем свинца хотя и привело к уменьшению скорости ионизации, но она все же оставалась равной 6 парам ионов в см3 в секунду. Отсюда, казалось бы, следовало, что источником ионизации являются стенки приборов. Оставались, однако, какие-то неясности, совершенствовалась аппаратура, и для выяснения роли излучения, идущего от земли, стали поднимать прибор повыше – сначала поместили его на Эйфелеву башню, а затем совершали полеты с ним на воздушных шарах. Именно на этом последнем пути Виктору Гессу (1883-1964 гг.) и удалось внести ясность в вопрос [2]. В 1911 году молодой австрийский физик Виктор Гесс поднял ионизационную камеру на воздушном шаре с целью измерения коэффициента поглощения гамма-излучения, испускаемого земной корой. Вопреки ожиданиям скорость ионизации с удалением от земной поверхности не только не уменьшилась, как ожидал Гесс, а даже увеличилась. В 1912 году Гесс совершил еще семь полетов на воздушных шарах. Первый из них был 17 апреля 1912 года во время частичного солнечного затмения. Уменьшения скорости ионизации не было, и Гесс заключил, что Солнце не является источником ионизации. Наблюдения в открытой кабине (гондоле), в которой находилось три человека, вел сам Гесс, причем, иногда приходилось дышать кислородом [21]. Седьмой знаменитый полет начался 7 августа 1912 года в 6 ч 12 мин утра около города Ауссита (Австрия). Была достигнута рекордная высота 5350 м. При подъеме до 1000 м было небольшое уменьшение скорости ионизации, обусловленной поглощением гамма-излучения радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. После этого ионизация окружающего воздуха стала увеличиваться с высотой. Таким образом, шар приближался к источнику ионизации, а не удалялся от него. Гесс получил поразительный результат, показывающий, что с ростом высоты, начиная примерно с 1,5 км, средняя ионизация увеличивается по сравнению с ионизацией над уровнем моря (Табл.1) [21, 28, 61]. В результате тщательного анализа полученных данных Гесс пришел к выводу [61], что излучение большой проникающей способности входит в атмосферу сверху. Открытое излучение Гесс назвал ультра-гамма-излучением. В 1925 году американский физик Роберт Милликен предложил переименовать это излучение в космические лучи. Нобелевскую премию по физике «за открытие космического излучения» («for his discovery of cosmic radiation») Гесс получил в 1936 году, то есть через 24 года после открытия космических лучей. Точнее, Гесс получил половину премии, вторая ее половина досталась Андерсону за открытие позитрона. По определению, Нобелевская премия должна присуждаться за новейшие достижения. Задержка 9 была обусловлена как наличием сомнений в существовании космических лучей, так и необходимостью понимания важности этого нового явления для физики и астрофизики [2, 21]. Таблица 1 Высота, км Разность между наблюдаемой ионизацией и ионизацией на уровне моря, ион/см3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - 1.5 + 1.2 + 4.2 + 8.8 + 16.9 + 28.7 + 44.2 + 61.3 + 80.4 Как правило, Нобелевская премия должна присуждаться за новейшие достижения. Задержка была обусловлена как наличием сомнений в существовании космических лучей, так и необходимостью понимания важности этого нового явления для физики и астрофизики [2, 21]. В 20-е годы Р. Милликен и В. Кольхерстер, интенсивно занимающиеся космическими лучами, изучали, как они поглощаются в атмосфере Земли, воде и других веществах. Но что же собой представляли эти лучи, никто не знал. Не было в руках ученых, исследующих космические лучи, прибора, пригодного для изучения этого явления, хотя он уже и существовал. Это была камера Вильсона - один из самых замечательных физических приборов, впервые позволивший осуществить то, что любой физик мог бы посчитать несбыточной фантазией: увидеть треки отдельных элементарных частиц [21]. В 1923 году Д.В. Скобельцын начинает заниматься эффектом Комптона, то есть изучением характеристик электронов, выбиваемых гамма-лучами радиоактивных веществ, в лаборатории, которой руководил его отец в Ленинградском политехническом институте, а также в Физикотехническом институте, где он тогда работал. Для этой цели он решил использовать камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. По современным масштабам магнитное поле было слабым, всего 1000 эрстед, но этого было вполне достаточно для изучения эффекта Комптона. С помощью разработанной им методики Д.В. Скобельцыну впервые удалось непосредственно наблюдать и фотографировать пути электронов отдачи, получающиеся в результате 10 столкновения гамма-квантов с электронами атомов газа наполнявшего камеру. Энергия электронов измерялась по отклонению их треков в магнитном поле. Такие исследования не только подтвердили гипотезу о квантовой природе эффекта Комптона, но и позволили эффективно применять это явление для спектроскопии гамма-лучей. В ходе работ было сделано одно интересное наблюдение, которое никак нельзя было объяснить за счет радиоактивных веществ. Среди следов в камере были и такие, которые принадлежали частицам, значительно превосходящим по энергии все остальные. И самое главное, что они появлялись группами. Проанализировав треки этих частиц, Д.В. Скобельцын пришел к заключению, что подобные частицы могут создавать как раз такую ионизацию, которую создают космические лучи [21]. Для того чтобы обнаружить такое редкое явление, как появление в камере космической частицы на фоне многих следов других частиц, требовалось большое экспериментальное искусство. И только необычно точные измерения импульсов частиц позволили надежно отделить следы частиц космических лучей от следов электронов отдачи. Таким образом, только через 15 лет после работ Гесса и Кольхерстера были установлены виновники ионизации молекул атмосферы Земли - космические частицы. Но Д.В. Скобельцын открыл не только заряженные частицы, приходящие из Космоса, но и то, что они приходят к поверхности Земли группами ливнями. И сейчас, через столько лет, можно сказать, что физика высоких энергий ведет свое начало именно от этих работ [21]. Результаты исследований Д.В. Скобельцына вызвали большой резонанс в научном мире того времени. Один из создателей квантовой механики - В. Гейзенберг детально обсуждал результаты Д.В. Скобельцына в одной из своих развернутых статей и строил на их основе новые гипотезы. Космические лучи, генерированные в естественных ускорителях частиц, сыграли решающую роль в развитии физики высоких энергий и элементарных частиц. Даже сейчас, при наличии могучей армии ускорителей частиц, космические лучи не оказались "безработными". Более того, естественные ускорители частиц, позволяющие диагностировать физические процессы при ультравысокой энергии и на ультрадалеких расстояниях, регулярно преподносят сюрпризы и загадки в физике и астрофизике. Ниже будет уделено основное внимание космическим лучам ультравысокой энергии (Е > 1020 эВ), которые в рамках современных представлений не должны были дойти до земной атмосферы [21]. 1.1.2 Происхождение космических лучей Исследования по проблеме происхождения космических лучей составляют важную часть научного наследия С.И. Сыроватского. Знаменитая монография В.Л. Гинзбурга и С.И. 11 Сыроватского Происхождение космических лучей [62], опубликованная в 1963 г., стала «библией» для специалистов по астрофизике высоких энергий. Уже в этой монографии, которая была написана до открытия квазаров, реликтового излучения и пульсаров, в те временя, когда сведения о космических лучах вне солнечной системы основывались главным образом на данных радиоастрономии, были сформулированы основные положения модели происхождения космических лучей, которые остаются незыблемыми до сих пор [7]. 1.1.3 Основные модели происхождения космических лучей Источники космических лучей следует искать среди необычных объектов в нашей или в других галактиках. В связи с этим модели происхождения космических лучей можно разделить на два класса. 1. Галактические модели, по которым космические лучи образуются в нашей Галактике и удерживаются в ее пределах магнитными полями (кроме, может быть, частиц с энергией выше 107 ГэВ). Основными источниками являются сверхновые звезды (в том числе ускорение космических лучей пульсарами). Галактическое ядро (имеется в виду взрывная или непрерывная активность ядра). А так же звезды разных типов (например, магнитные звезды и, в частности, магнитные белые карлики) [63]. 2. Метагалактические модели, в которых предполагается, что космическое излучение заполняет всю Метагалактику (универсальные модели) либо некоторую область Метагалактики, например местную группу галактик (локальные модели). Источниками космических лучей в этих моделях служат радиогалактики и квазары. Как правило, галактическая модель не предполагает какой-то выделенности именно нашей Галактики. Согласно этой модели, каждая галактика, подобная нашей, генерирует свои космические лучи, которые в ней и накапливаются, а плотность космических лучей в межгалактическом пространстве много меньше, чем в галактиках. Следует упомянуть еще эволюционную метагалактическую модель, которая относит возникновение космических лучей к ранним эпохам эволюции Метагалактики. Такие космические лучи являются реликтовыми подобно реликтовому электромагнитному излучению. В наше время реликтовые космические лучи не составляют основную часть всего излучения [62]. Поэтому можно считать, что основная часть космических лучей (кроме частиц самых высоких энергий) генерируется и удерживается в галактиках, причем источниками могут быть взрывы сверхновых [29]. В настоящее время нет однозначного ответа на вопрос о происхождении космических лучей. Ясно одно, что кроме Солнца, которое является источником космических лучей 12 относительно низкой энергии, на небе есть источники, обеспечивающие ускорение частиц до очень больших энергий. В целом проблема происхождения космических лучей включает механизм ускорения и распространения в различных условиях [21]. 1.1.4 Характеристики космических лучей На основе многолетних исследований с использованием спутниковой и баллонной техники, наземных экспериментов установлены следующие основные характеристики галактических космических лучей [21]. 1. Плотность энергии космических лучей составляет 1 эВ в 1 см3. Эта величина сравнима с плотностью энергии света звезд, чернотельного излучения, турбулентного движения межзвездного газа, магнитного поля в Космосе. Таким образом, космические лучи являются равноправными партнерами в космическом сообществе и соответственно их вклад в динамику космических явлений является весомым. 2. Дифференциальный энергетический спектр галактических космических лучей степенной: N(E ) ~ E - g, где g = 2,7, от низких энергий до 1015 эВ. Для энергии больше 3 · 1015 эВ в спектре имеются важные особенности, которые будут рассмотрены ниже. 3. Вплоть до очень высоких энергий не обнаружена анизотропия. 4. Поток галактических космических лучей практически не меняется во времени. 5. Наиболее вероятным источником галактических космических лучей являются взрывы сверхновых звезд. Основа такого заключения - энергетические соображения. Основополагающие идеи и конкретные теоретические разработки принадлежат В.Л. Гинзбургу [1, 2, 62]. 1.1.5 Общие сведения о космических лучах От того начального этапа до настоящего времени с космическими лучами проведено большое количество опытов несколькими поколениями физиков в разных странах мира [64]. Проводили опыты на разных высотах в атмосфере Земли, стратосфере на шарах-зондах, на самолетах, на высотах гор, в подземных лабораториях, а так же, вне атмосферы, на искусственных спутниках Земли [65-67]. В результате установлено, что космические лучи представляют собой поток атомных ядер, массовый состав которого близок к распространенности различных атомных ядер во Вселенной. Космические лучи непрерывным потоком устремляются к Земле. Приходят они к нам как из ближнего (околосолнечного), так и дальнего (галактического) и, по-видимому, сверхдальнего (метагалактического) мирового пространства. 13 Источником солнечных космических лучей является - Солнце. Источником галактических космических лучей являются звезды, то есть, так называемые сверхновые звезды нашей Галактики. Метагалактические космические лучи прилетают к нам из других Галактик. Интенсивность их значительно меньше, чем галактических лучей, но они содержат частицы очень большой энергии [65]. Необходимо отметить, что солнечные космические лучи проявляют себя эпизодически, после крупных хромосферных вспышек в период большой активности Солнца. Энергия солнечных космических лучей сравнительно невелика. Она равна нескольким десяткам миллионов электронвольт, хотя и достигает иногда гигаэлектронвольт, то есть находится в диапазоне 107-1010 эВ. Однако солнечные космические лучи играют существенную роль в жизни Земли [65]. В отличие от солнечных космических лучей галактические и метагалактические космические лучи часто называют первичными космическими лучами. Они представляют собой мало меняющийся во времени поток атомных ядер. Величина потока на границе атмосферы Земли приблизительно равна 1 частице на 1 см2 в 1 секунду [1, 2, 65]. Около 92% частиц являются ядрами атомов водорода, то есть протонами, около 6% ядрами атомов гелия (a-частицами), и около 1% приходится на долю более тяжелых атомных ядер. Из тщательного сравнения доли различных атомных ядер или, как говорят, массового состава космических лучей с распространенностью атомных ядер во Вселенной следует, что в космических лучах содержится значительно больше ядер лития, бериллия и бора и больше тяжелых ядер с атомным номером Z > 20. По современным представлениям, большая доля тяжелых ядер связана преимущественно с особенностью источников космических лучей сверхновых звезд [1, 2, 66, 67]. Увеличение же доли легких ядер в космических лучах связано с образованием в результате расщепления более тяжелых ядер при соударениях с ядрами атомов межзвездной среды. Проведенные расчеты показали, что до прихода на Землю от источников частицы космических лучей встречают на своем пути в межзвездной среде в среднем около 5 г вещества межзвездного газа. Время прохождения частиц космических лучей через Галактику ученые приблизительно оценивают в 107 лет. Энергия частиц первичных космических лучей на границе атмосферы Земли сравнительно высокая, она превышает 1010 эВ. Это говорит о том, что, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, до Земли способны дойти частицы, образованные даже в самых отдаленных от нас участках нашей Галактики. Траектории частиц космических лучей в результате их соударений с межзвездным газом и отклонением заряженных частиц магнитными полями, имеющимися в Галактике, не прямолинейные, а скорее, имеют характер хаотического или, как говорят, броуновского движения подобно тому, как атомы газа 14 диффузно распространяются в газовой же среде (рис. 2). При этом движении происходит интенсивное перемешивание частиц от различных источников и достигается наблюдаемая на опыте независимость потока первичных космических лучей от угла их падения на Землю [65]. Важным обстоятельством является присутствие в первичных космических лучах небольшого количества электронов (их доля около 1%). Попадая в межзвездные магнитные поля, электроны испускают так называемое синхротронное излучение в результате своего движения вокруг силовых линий магнитного поля под действием силы Лоренца. Это излучение регистрируется в радиодиапазоне. В результате радиоастрономических исследований разных участков Галактики установлено, что первичные космические лучи практически равномерно заполняют всю Галактику и область галактического гало, а именно сферическую область вокруг центра Галактики с радиусом R = RГалактики. Рис.2. a – движение молекул газа; б – движение частицы в магнитном поле Галактики, изменяющемся в результате движения облаков межзвездного газа и галактического вращения [65]. Самое интересное и важное свойство первичных космических лучей – это энергия составляющих их атомных ядер, для наиболее быстрых из них достигающая огромной величины в 1020 эВ. Таким образом, во Вселенной присутствуют такие активные объекты и области, которые оказались как бы гигантским естественным ускорителем атомных ядер [65]. Максимальная энергия, которая достигнута на ускорителях к настоящему времени, равна 2 · 1015 эВ. После пуска следующего поколения ускорителей, в начале следующего века она достигнет 1017 эВ. В интервале энергий 1017-1020 эВ космические лучи, как правио, еще надолго останутся уникальным источником частиц самых высоких энергий. Как было сказано ранее, средняя плотность энергии первичных космических лучей во всем объеме Галактики равна приблизительно 10-12 эрг/см3, что сравнимо с плотностью других видов энергий в Галактике: гравитационной, магнитной, кинетической энергий межзвездного газа. Таким образом, в энергетическом балансе нашей Галактики космические лучи играют 15 существенную роль. На рис. 3 показано распределение частиц первичных космических лучей по энергии – это так называемый энергетический спектр. В очень широком интервале энергий (от 1010 до 2 · 1015 эВ) наблюдается степенная зависимость их интенсивности от энергии. При меньших энергиях в спектре наблюдается уменьшение интенсивности. Этот эффект связан с наличием у Земли магнитного поля, отклоняющего от Земли медленные частицы (эффект геомагнитного обрезания) [65]. Рис.3.Энергетический спектр космических лучей в интервале энергий 1010-1020эВ [65]. При значении энергии выше 3 · 1015 эВ академик Г.Б. Христиансен обнаружил укручение энергетического спектра первичных космических лучей. Причина такого изменения спектра первичных космических лучей интенсивно изучается [65]. 1.1.6 Первичные космические лучи Изучение первичных космических лучей – одна из центральных задач астрофизики космических лучей. На ее решение были потрачены колоссальные усилия. Согласно идее академика В.Л. Гинзбурга, космические лучи образуются непосредственно при взрывах сверхновых звезд, вспыхивающих в нашей Галактике в среднем один раз в 30 лет. Самое первое свидетельство о появлении на небе новой яркой звезды, видимой даже днем, содержится еще в летописи XII века. Фотография Крабовидной туманности, возникшей от этого взрыва, показана на рис. 4. [65]. 16 Последняя яркая вспышка сверхновой звезды была замечена совсем недавно – в 1987 году. Вспышка возникла в Большом Магеллановом Облаке, сравнительно близкой к нам Галактике, расположенной от нас на расстоянии около 105 световых лет, или 1018 км. Вспышка Сверхновой 87 впервые одновременно наблюдалась астрономами в оптическом диапазоне (то есть в видимом свете), в радиодиапазоне, в диапазонах, соответствующих рентгеновским и γ-лучам, и наконец, она была зарегистрирована в нейтринных обсерваториях России, США, Японии. Магелланово Облако расположено в южной полусфере неба. Поэтому первыми вспышку заметили астрономы, обсерватория которых находилась в южном полушарии – в Чили. Она произошла 24 февраля 1987 года на участке неба, на котором ранее была видна лишь с помощью телескопа очень слабая Рис.4. Фотография Крабовидной туманности, содержащей пульсар, отождествляемый со Сверхновой звездой, взорвавшейся в 1054 году [65]. звездочка. Эта звезда внезапно вспыхнула, так что ее яркость увеличилась более чем в 106 раз, а затем упала на несколько порядков. Еще задолго до вспышки астрономы измерили массу и радиус этой звезды. Звезда была сверхгигантом с массой, близкой к 20 массам Солнца, и с радиусом R = 30 RСолнца [65]. 1.1.7 Вторичные космические лучи Рассмотрим вопрос о том, что же происходит с первичными космическими лучами, достигшими атмосферы Земли [27]. Согласно концепции, предложенной академиком Г.Т. Зацепиным в 1949 году, в атмосфере Земли атомные ядра первичных космических лучей, 17 сталкиваясь с ядрами атомов воздуха и в результате порождают новые элементарные частицы. Данный процесс получил название процесса множественного рождения частиц. Число рожденных частиц при каждом соударении растет при увеличении энергии налетающего ядра по закону N ~ lg E. При высоких энергиях, например при энергии 1015 эВ, величина N достигает нескольких десятков и даже сотен. На рис. 5 приведена фотография, полученная автором данной статьи около 40 лет назад, задолго до создания больших ускорителей. На фотографии видны следы многих частиц, зарегистрированных камерой Вильсона, помещенной в магнитное поле. С подобной аппаратурой в 1932 году американский физик К. Андерсон открыл в составе космических лучей первую частицу антиматерии - позитрон, а примерно семь лет спустя он же обнаружил аналог электрона, но с массой, в 207 раз большей, - мюон. Рис.5. Фотография на камере Вильсона следов частиц, образовавшихся в результате образования протона с ядром атома лития, расположенного под камерой. Видны следы 15 заряженных частиц. Фотография иллюстрирует процесс множественного рождения пионов [65]. Открытие новых частиц в составе космических лучей продолжалось и далее. В середине 40-х годов английский физик С. Пауэлл открыл новую ядерно-активную частицу - пион, а в конце 40х годов в Англии Батлером (C.C.Batler) и Баркером (K.H. Barker) были открыты частицы, за свои необычные свойства получившие название странных, - К-мезоны и гипероны. Вернемся к первому акту соударения ядра первичного космического излучения с атомным ядром воздуха. Поскольку в акте рождается сразу много вторичных ядерно-активных частиц, в основном пионов, ясно, что каждый из них по мере прохождения атмосферы Земли соударяется с ядром атомов воздуха, генерирует вторичные пионы, которые, в свою очередь, рождают третье 18 поколение пионов и т.д. Схематично этот процесс изображен на нашем рис. 6. В итоге возникает ядерно-каскадный процесс размножения частиц ядерной материи. Именно этот механизм образования ядерного каскада и был открыт Г.Т. Зацепиным. При высоких энергиях выше 1015 эВ ядерный каскад частиц, развивающийся в атмосфере Земли, получил название широкого атмосферного ливня (ШАЛ). По мере прохождения ливня через атмосферу сначала нарастает доля ядерно-активных частиц, достигая максимума уже на самолетных высотах (~(10-12) км), а затем уменьшается вследствие потери ими энергии на рождение новых ядерных частиц. Заряженные пионы - частицы нестабильные, они уже в верхних слоях атмосферы распадаются на тяжелые электроны - мюоны и нейтрино. Мюон не обладает ядерным зарядом, эта частица по своим свойствам действительно близка к электрону, хотя и обладает в 207 раз большей массой. Свою энергию мюоны расходуют очень слабо, только на ионизацию атомов воздуха атмосферы Земли. Поэтому уже на уровне моря практически все пионы вторичных космических лучей замещаются мюонами. Существенно отличается от описанной картины прохождение через атмосферу Земли нейтральных пионов. Их путь в атмосфере чрезвычайно мал - лишь доли миллиметров. Такие пионы распадаются на два γ-кванта (так называют фотоны высокой энергии). Каждый из γквантов, обладающий большой энергией, образует электронно-позитронную пару. Рис.6. Схема ядерно-каскадного процесса в атмосфере. В результате соударения протона КЛ с ядром атома воздуха образовались πо- и π±-мезоны. πо-Мезон породил электронно-фотонный ливень (показан в правой части рисунка). π±-Мезон генерировал новый πо-мезон и заряженные π±-мезоны второго поколения, часть π±-мезонов распалась, породив мюоны. Протон очень высокой энергии способен породить в 19 Электроны и позитроны, в свою очередь, в полях атомных ядер встречных атомов тормозятся и испускают новые γ-кванты и т.д. Таким образом, снова возникает каскад частиц, называемый электронно-фотонным ливнем. Именно такие ливни и наблюдал Д.В. Скобельцин еще в 20-х годах. В итоге развития широкого атмосферного ливня число электронов и γ-квантов в ливне становится фантастически большим, достигая миллионов и даже миллиардов частиц. В итоге, мы видим, что атмосфера Земли играет большую роль в преобразовании первичных космических лучей во вторичные. В глубине атмосферы существенно уменьшается не только число частиц первичных космических лучей, но и изменяется природа самих частиц. Так, на уровне моря интенсивность вторичных космических лучей примерно в 100 раз меньше интенсивности первичного излучения, причем в них практически отсутствуют ядерные частицы. Их заменили лептоны - мюоны, электроны, γ-кванты и нейтрино [65]. Таким образом, в развитии современной физики высоких энергий (физики элементарных частиц) космические лучи сыграли роль прародителей этой области физики. Они явились источником крупнейших открытий XX века: открытия антиматерии (позитрона), тяжелых электронов (мюонов), открытия, как думали раньше, основного носителя ядерных сил - пиона, который играет ведущую роль в ядерных процессах, открытия странных частиц и чармированных частиц. Их изучение привело к открытию процесса множественного рождения частиц, открытиям электромагнитного и ядерно-каскадного процессов при прохождении частиц через вещество. Как известно, после создания ускорителей электронов, протонов и атомных ядер исследование элементарных частиц и их свойств переместилось из космических лучей на ускорители. Космическим лучам сейчас отведена другая существенная роль - поставлять частицы сверхускорительной энергии для детальной разведки того, что при сверхвысоких энергиях видно нового и необычного по сравнению с тем, что уже открыто и известно из работ на ускорителях [65]. Перейдем теперь к роли космических лучей в изучении ближнего и дальнего космоса или, как принято говорить, к астрофизическим исследованиям космических лучей. Здесь разделяются два направления. Первое - это изучение солнечных космических лучей и околоземного пространства. Нет нужды говорить, как важно нам, землянам, познать наше Солнце. Солнечноземные связи, их изучение и являются предметом этих исследований. В России, США, Канаде и ряде других стран создана специальная сеть станций по регистрации интенсивности космических лучей, работающих в тесном контакте с астрономами, проводящими исследования Солнца и 20 других звезд, как в оптической области, так и в радиодиапазоне, гамма-диапазоне, на нейтринных обсерваториях. Станции регистрации космических лучей расположены на уровне моря, на уровне гор, в подземных лабораториях, на искусственных спутниках Земли и шарахзондах. Так, в Физическом институте им. П.Н. Лебедева вот уже более 40 лет в стратосферу ежедневно запускаются шары-зонды. Такие опыты начаты еще на заре исследований космических лучей академиком С.И. Верновым и его школой. Систематические измерения дали много новых сведений, в частности показали, что увеличение интенсивности космических лучей приводит к нарушению радиосвязи на Земле на коротких волнах, а крупные вспышки на Солнце сопровождаются потоками радиации, опасными для здоровья космонавтов [65]. Многолетние опыты зондирования солнечных космических лучей показали, что магнитное поле Солнца в отличие от магнитного поля Земли периодически меняет свое направление, то есть происходит его переполюсовка. Доказано также, что солнечные космические лучи образуются в верхних слоях Солнца и это явление тесно связано с протеканием на Солнце мощных электрических токов, связанных с образованием пятен на Солнце. Подобные исследования сейчас интенсивно проводятся на шарах-зондах и искусственных спутниках Земли. Несомненно, они проливают свет на многие стороны деятельности нашей ближайшей звезды - Солнца. Не менее велика роль всестороннего исследования галактических космических лучей для изучения нашей Галактики, Метагалактики, межзвездного вещества, магнитных полей в них и грандиозных катаклизмов - вспышек сверхновых, галактических ядер, квазаров и радиогалактик. Недаром один из известных исследователей космических лучей, академик А.И. Алиханян, говорил, что космические лучи являются "золотым Эльдорадо" как для физиков, исследующих ядерные процессы сверхвысоких энергий, так и для физиков, изучающих звезды, Галактику и всю нашу Вселенную. Роль этих исследований со временем только возрастает [65]. 1.2 Широкие атмосферные ливни Изучение физики космических лучей сверхвысокой энергии ограничено двумя основными трудностями, связанными со спецификой исследуемых явлений. Во-первых, поток таких космических частиц очень мал (в среднем за год на 1 км2 попадает одна частица с указанной энергией). Малость потока означает невозможность непосредственной регистрации первичных частиц, взаимодействующих в верхних слоях атмосферы, с помощью летающих детекторов и, как следствие, предопределяет косвенный характер их исследования наземными установками, которые регистрируют широкие атмосферные ливни (ШАЛ), вызванные этими частицами. Более того, даже большие наземные установки, работающие на протяжении многих лет, набирают 21 число событий, пренебрежимо малое по сравнению, например, с числом фотонов астрофизического происхождения, регистрируемых телескопами в любом другом диапазоне энергий. Во-вторых, взаимодействие частиц с атмосферой происходит при энергиях, которые недоступны лабораторному изучению, поэтому модели, с помощью которых характер развития атмосферного ливня связывается со свойствами первичной частицы, с неизбежностью включают в себя экстраполяцию свойств взаимодействия в неизученную область энергий [68]. Изучая ливни, можно получить информацию о частица с энергией Е > 106 Гэв. При этом возникают три основные задачи: исследование свойств самих широких ливней; изучение взаимодействия частиц при энергиях выше 1015 эВ; астрофизические задачи. Выяснение свойств самих ливней должно послужить базой для решения остальных задач. Широкие атмосферные ливни дают уникальную возможность изучать характеристики взаимодействия частиц сверхвысоких энергий с атомными ядрами. Многие свойства ливня зависят от сечений взаимодействия адронов, от множественности и спектра вторичных частиц. Хотя до уровня наблюдения доходят лишь далекие потомки первичной частицы, все же некоторые характеристики первого акта «просвечивают» сквозь сеть огромного числа последующих взаимодействий. В основе представления о процессах в широком атмосферном ливне лежит модель ядерного каскада. Широкий атмосферный ливень считают гигантским электрон-ядерным ливнем, в нем достигают полного расцвета все компоненты, имеющиеся в атмосфере при умеренных энергиях, и специфические для широких атмосферных ливней: электрон-фотонная, адронная и мюонная компоненты, излучение Вавилова-Черенкова и радиоизлучение. Электроны и фотоны обладают свойством быстро размножаться. Они составляют 95-98% всех частиц в центральной части и 80% на далекой периферии ливня. Поэтому наиболее простым и распространенным методом наблюдения широких атмосферных ливней долгое время являлась регистрация их электрон-фотонной компоненты. Трудно переоценить важность изучения широких атмосферных ливней для астрофизики. Частицы сверхвысокой энергии рассеиваются в Галактике значительно меньше, чем частицы низких энергий, и, возможно несут информацию о более далеких областях Вселенной [28]. С точки зрения экспериментальной техники, активно работающие сегодня установки, регистрирующие ШАЛ, подразделяются на наземные решетки детекторов и флуоресцентные телескопы. Наземная решетка детекторов регистрирует частицы в ливне на уровне земли. Детекторы образуют сетку с шагом порядка 1 км, что позволяет определять функцию пространственного распределения плотности частиц в ливне. Флуоресцентный детектор представляет собой телескоп, фиксирующий ультрафиолетовое излучение, вызванное флуоресценцией молекул атмосферного азота, возбужденных заряженными частицами в ливне. 22 Наземная решетка регистрирует только двумерный срез ШАЛ, но работает вне зависимости от погоды и времени суток и детектирует (а в принципе и позволяет разделять) различные компоненты ливня (электромагнитную, мюонную, барионную). ФТ видит картину продольного развития ливня, но может регистрировать события только в ясные безлунные ночи, что составляет около 10% от полного времени работы, и является чувствительным только к электромагнитной компоненте ШАЛ. При этом НР регистрирует в основном периферийную часть ливня, а ФТ – центральный ствол (рис.7). В настоящее время в мире работает три эксперимента, которые способны изучать ШАЛ, вызванные частицами с энергиями свыше 1019 эВ. Эти эксперименты очень различны, и у каждого из них есть свои сильные и слабые стороны. Якутская комплексная установка ШАЛ, работающая уже более 40 лет, сейчас имеет эффективную площадь наземной решетки пластиковых сцинтилляторов около 10 км2, что по современным масштабам совсем немного. Основным достоинством этой установки является возможность Рис.7. Схема развития ШАЛ и его регистрация. одновременной регистрации различных компонент ШАЛ. Эта единственная современная установка, предоставляющая данные мюонных детекторов с достаточно большой экспозицией; также данные крайне полезны при анализе состава первичных частиц и проверке моделей взаимодействия частиц при высоких энергиях. Экспериментальная установка в США (штат Юта) Telescope Array (ТА), эксплуатируемая международной колаборацией, в состав которой входят и российские ученые, включает в себя наземную решетку пластиковых сцинтилляторов площадью ≈ 680 км2 и три флуоресцентных телескопа. Существенным преимуществом данной установки является возможность ее работы в 23 гибридном режиме – одновременной регистрации одного и того же ШАЛ с помощью как наземной решетки, так и флуоресцентного телескопа, причем реконструкция события может проводиться независимо двумя способами (в том числе для флуоресцентного телескопа – в стереорежиме). Крупнейший современный эксперимент в физике космических лучей сверхвысокой энергии – международный эксперимент Обсерватория им. Пьера Оже (Pierre Auger cosmic ray Observatory – PAO) в Аргентине – имеет наземную решетку площадью ≈ 3000 км2, что делает РАО бесспорным лидером в экспозиции, и четыре флуоресцентных телескопа. РАО также может работать в гибридном режиме, однако независимая от наземной решетки реконструкция событий с помощью флуоресцентного телескопа не производится, в частности отсутствует стереореконструкция. Можно также сомневаться в удачности выбора водных баков в качестве детекторных станций наземной решетки – такие детекторы имеют повышенную чувствительность к мюонной компоненте ШАЛ, которая менее других изучена и хуже моделируется; это иногда приводит к увеличению систематических неопределенностей. На рис.8. изображена принципиальная схема детектирования ШАЛ в обсерватории. Рис. 8. Принципиальная схема детектирования ШАЛ в обсерватории Пьера Оже.. Как и завершившие работу эксперименты прошлых лет, эти установки нередко дают не вполне согласующиеся между собой результаты. Примечательно, что в 2012 году для 24 обсуждения результатов и устранения противоречий были созданы рабочие группы, включающие в себя представителей всех трех работающих экспериментов [68]. Независимо от способа регистрации ШАЛ, в результате обработки «серых» данных извлекается информация о нескольких основных характеристиках первичной частицы: ее типе, энергии и направлении прихода. Направление прихода. Наименее подверженная модельной зависимости наблюдаемая величина, реконстрируемая по атмосферному ливню, это направление прихода первичной частицы, которое определяется геометрически. Наземные детекторы восстанавливают направление прихода по времени срабатывания отдельных детекторных станций, на которые фронт ливня, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, прибывает неодновременно. Флуоресцентный телескоп непосредственно фиксирует положение содержащей ствол ливня плоскости, проходящий через детектор; в стереорежиме положение ствола в пространстве находится как пересечение двух таких плоскостей; при наблюдениях одним телескопом учитывается временная развертка сигнала. Точность геометрической реконструкции наземной решетки зависит не только от точности измерения времени, но и от числа сработавших станций; в случае флуоресцентного телескопа определяющим является расстояние от телескопа до оси ливня. На практике точность определения направления прихода уменьшается с возрастание эффективной площади детектора – станции наземной решетки располагаются реже, а флуоресцентный телескоп просматривают больший объем атмосферы. Лучшее угловое разрешение (направления прихода 68% событий восстанавливались с точность не хуже, чем 0,6о) было достигнуто в эксперименте прошлого поколения HiRes (флуоресцентный телескоп в стереорежиме). Для современных экспериментов с большой эффективной площадью эта величина составляет ~1,5о. Энергия. Энергия первичной частицы восстанавливается косвенными методами. В случае наземной решетки сигнал регистрируется каждым отдельным детектором, а затем пространственное распределение сигнала сравнивается с ожидаемым. Такая процедура определения энергии, естественно, приносит значительную неопределенность, связанную с моделирование ожидаемого сигнала для разных энергий. Флуоресцентные телескопы наблюдают ствол ливня, частицы в котором несут основную часть энергии; этот метод позволяет оценить полную энергию электронов и позитронов в стволе на основе измерений, в связи с чем метод часто называется калориметрическим. Следует отметить, что остаются значительные источники неопределенности, связанные как с величиной выхода флуоресцентного света, так и с оценкой энергии, которая не содержится в электронах ствола ливня. Во всех случаях дополнительным источником неопределенности (статистической) являются флуктуации в первых взаимодействиях частиц в атмосфере. Энергия конкретной первичной частицы сейчас 25 оценивается со статистической ошибкой ≈ (15-10)% и систематической неопределенностью ≈ 25%. Тип первичной частицы. Вследствие значительных флуктуаций в развитии ШАЛ, вызванных одними и теми же первичными частицами, а также из-за схожести между собой характеристик ливней, вызванных разными частицами, определение типа исходной частицы для отдельного взятого события сегодня, как правило, не представляется возможным. Подходы к решению этой задачи основаны на изучении отдельных компанен ШАЛ (электрон-фотонная, мюонная, адронная, черенковское излучение и т.д.) и детальных характеристик продольного и/или поперечного развития ливня (глубина максимального развития, форма фронта и т.д.). Даже вероятностные оценки, получаемые этими методами, сильно зависят от используемой модели [68]. 1.3 Основы космологии и реликтовое излучение Космология изучает физическое строение и эволюцию наблюдаемой части Вселенной в больших масштабах – сотни и тысячи мегапарсек и более, а также эволюцию Вселенной как единого целого. Данные, используемые в космологии, получают из наблюдений внегалактических объектов в различных диапазонах длин волн, а также измеряя интенсивность и флуктуации яркости реликтового микроволнового излучения. Создаваемые космологические модели основаны на современных теоретических представлениях о свойствах пространствавремени (теория гравитации) и элементарных частиц и стремятся описать совокупность известных наблюдательных фактов о Вселенной с минимумом произвольных допущений [69]. Космология является наукой экспериментальной. Именно эксперимент/наблюдение в космологии является отправной точкой в построении теоретических моделей Мира, он же является и конечной целью теории, обеспечивая возможность наблюдательной проверки ее предсказаний. Долгое время в космологии остро ощущалась нехватка наблюдательных данных и только в последние годы, благодаря бурному развитию как космической, так и наземной техники наблюдений появляется возможность для космологии стать полноценной физической наукой – получить прочный фундамент эксперимента. Наблюдательной основой космологии является совокупность экспериментальных данных о свойствах крупномасштабного распределения материи. Сюда относятся такие наблюдательные факты, как: глобальное космологическое красное смещение; структура, кинематика и динамика систем галактик; микроволновое фоновое излучение; химический состав различных объектов; экстремально далекие объекты Метагалактики. 26 Остановимся более подробно на понятии реликтового излучения (микроволнового фонового излучения) [70]. В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон решили провести исследования в области радиоастрономии и спутниковой связи. Для тестирования антенны была выбрана длина волны 7,35 см. Вскоре стало понятно, что антенна постоянно фиксирует дополнительный необъяснимый посторонний шум, от которого никак не удавалось избавиться. Изотропия шума и его постоянство во времени означали, что его источник находится за пределами Солнечной системы. Даже если бы причина крылась в нашей Галактике, то интенсивность излучения изменялась бы из-за вращения Земли вокруг своей оси вокруг Солнца, изменяющего направление антенны на те или иные участки космоса. Следовательно, шум был внегалактического происхождения. Измеренная на длине волны 7,35 см, интенсивность этого радиосигнала оказалась равной интенсивности излучения абсолютно черного теле с температурой около 3 К. Так было открыто реликтовое излучение. Что же такое реликтовое излучение? Согласно теории Большого взрыва, Вселенная возникла приблизительно 14 миллиардов лет назад в результате грандиозного «взрыва», создавшего пространство и время, всю материю и энергию, которая существует в нашей Вселенной. До возраста приблизительно 300 тысяч лет молодая Вселенная состояла из горячей плазмы элементарных частиц и, конечно, фотонов. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду, и когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, появились нейтральные атомы. После этой эпохи первоначальное излучение – фотоны распространялось свободно, так как оно почти не взаимодействует с образовавшимися нейтральными атомами. В ходе космического расширения длина волны этого излучения постоянно увеличивалась. Именно оно являлось тем самым шумом, впервые обнаруженным Пензиасом и Уилсоном [71]. От излучения звезд, галактик и других астрономических источников реликтовое излучение отличается двумя важнейшими свойствами: угловой изотропией, т.е. одинаковой интенсивностью от всех участков неба, и планковской (равновесной) формой спектра. Для космологии важен как сам факт существования фонового радиоизлучения, так и возможность исследования с его помощью физических процессов во Вселенной и ее структуры. Спектр реликтового излучения хорошо изучен в диапазоне длин волн от 3 мм до 21 см. Интенсивность реликтового излучения в этом диапазоне не зависит от направления на небесной сфере с точностью до десятой доли % (угловая изотропия излучения). Данные об угловой изотропии несколько различаются в зависимости от рассматриваемого углового масштаба. В мелких масштабах (от 3 до 150′) существуют лишь ограничения на возможную анизотропию в виде неравенства δТ/Т < 10-4 (гдеδТ – отклонение температуры от равновесного значения Т). В 27 масштабе ≈ 30о δТ/Т < (3-5)•10-4. Наконец, в больших угловых масштабах обнаружена слабая дипольная анизотропия на уровне δТ/Т ≈ 10-3. Это различие температур однозначно интерпретируется как результат движения Солнечной системы относительно фона реликтового излучения с υ ≈ 420 км/с. Температура реликтового излучения, идущего из области на небесной сфере, в направлении которой движется Солнце, несколько выше среднего значения, а из диаметрально противоположной области неба – несколько ниже. Обнаружены даже годовые вариации температуры, связанные с движением Земли вокруг Солнца. Плотность энергии равновесного реликтового излучения составляет 5•10-13 эрг/см3. Излучение с такими характеристиками не может быть излучением звезд с термоядерными источниками энергии или множества дискретных источников (квазаров и др.), находящихся на космологических расстояниях. В то же время интерпретация этого излучения как сохранившегося от предшествующей плотной и горячей стадии развития Метагалактики (по этой причине оно и было названо реликтовым) является совершенно естественной и согласуется с другими экспериментальными и теоретическими сведениями. Планковский характер спектра фонового излучения согласуется с выводом о его реликтовом происхождении, поскольку в процессе расширения Вселенной излучение со спектром, первоначально соответствующим закону Планка, остается планковским, уменьшается лишь его температура. Если R(t) характеризует размер космических лучей большого расширяющегося объема в Метагалактике, то плотность энергии излучения падает с расширением пропорционально R-4, поскольку уменьшается средняя концентрация фотонов (~R-3) и энергия (частота) каждого из них (~R-1). Температура излучения убывает, следовательно, как Т ~ R-1. На ранних стадиях расширения Вселенной, в эпоху высоких температур, не существовало нейтральных атомов и молекул, т.к. энергия фотонов и теплового движения частиц превышала энергию связи атомов и молекул. По этой причине вещество в целом находилось в состоянии плазмы, и равновесный спектр реликтового излучения сформировался благодаря взаимодействию излучения с плазмой. Когда температура плазмы и излучения снизилась до 4000 К, фотоны реликтового излучения уже не могли ионизировать атомы. Электроны присоединились к ядрам атомов, и вещество в массе своей стало нейтральным. С этого периода, который соответствует z = zr ≈ 1400-1500, фотоны реликтового излучения распространяются практически свободно. Огромная величина свободного пробега фотонов реликтового излучения (миллиарды световых лет от акта их последнего рассеяния) является причиной, по которой оно стало эффективным средством исследования крупномасштабной структуры Вселенной [72]. Космические лучи (протоны и ядра высоких энергий; ультрарелятивистские электроны, определяющие радиоизлучение нашей и других галактик в метровом диапазоне) несут информацию о гигантских взрывных процессах в звездах и ядрах галактик, при которых они 28 рождаются. Как оказалось, время жизни частиц высоких энергий во Вселенной во многом зависит от фотонов микроволнового фонового излучения, обладающих малой энергией, но чрезвычайно многочисленных - их в миллиард раз больше, чем атомов во Вселенной (это соотношение сохраняется в процессе расширения Вселенной). При столкновении ультрарелятивистских электронов космических лучей с фотонами микроволнового фонового излучения происходит перераспределение энергии и импульса. Энергия фотона возрастает во много раз, и радиофотон превращается в фотон рентгеновского излучения, энергия же электрона меняется незначительно. Поскольку этот процесс повторяется многократно, электрон постепенно теряет всю энергию. Наблюдаемое со спутников и ракет рентгеновское фоновое излучение, повидимому, частично обязано своим происхождением этому процессу. Протоны и ядра сверхвысоких энергий также подвержены воздействию фотонов микроволнового фонового излучения: при столкновениях с ними ядра расщепляются, а соударения с протонами приводят к рождению новых частиц (электрон-позитронных пар, πмезонов и т.д.). В результате энергия протонов быстро уменьшается до пороговой, ниже которой рождение частиц становится невозможным по законам сохранения энергии и импульса. Именно с этими процессами связывают практически отсутствие в космических лучах частиц с энергией ≥ 1020 эВ, а также малое количество тяжёлых ядер [72]. 1.4 Галактики и скопления галактик 1.4.1 Звездные скопления и наша Галактика Галактики представляют собой гигантские звездные системы, своего рода структурные единицы Вселенной, в которых сосредоточено основное количество существующих в природе звезд и холодного газа. Все объекты галактики находятся в движении относительно общего центра масс и удерживаются вместе суммарным гравитационным полем. Галактику, в которой находится солнечная система, как и все звезды, доступные наблюдению невооруженным глазом или в небольшой телескоп, называют нашей Галактикой или галактикой Млечный Путь [69, 73]. Звездные системы, состоящие из большого количества звезд, были известны задолго до открытия галактик. Это гравитационно-связанные звездные скопления внутри нашей Галактики. Различают два типа звездных скоплений - рассеянные (или открытые) и шаровые скопления. Некоторые рассеянные скопления (например, Плеяды) хорошо видны невооруженным глазом. Шаровые скопления находятся на больших расстояниях (от нескольких килопарсек до десятков килопарсек), и для того чтобы увидеть даже ярчайшие из них, требуется телескоп. Если рассеянные скопления наблюдаются преимущественно вблизи полосы Млечного Пути, то шаровые, наоборот, избегают Млечный Путь (эффект межзвездного ослабления света) и 29 почти все сосредоточены в одной области неба с центром в созвездии Стрельца, где располагается центр нашей Галактики. Масса звездного скопления может быть оценена по теореме вириала на основании измерения размера и дисперсии скоростей звезд относительно среднего значения. Она составляет 103-104МО для наиболее крупных рассеянных скоплений и 105-106МО- для шаровых. При этом характерные размеры для наиболее крупных скоплений обоих типов измеряются десятками парсек. Рассеянные скопления содержат значительно меньше звезд и, следовательно, более разрежены. Сила гравитации, удерживающая звезды вместе, у них более слабая, и поэтому немногие рассеянные скопления доживают до возраста в миллиард лет, не распадаясь. Существование больших различий между скоплениями очень хорошо иллюстрирует сложность процесса формирования и эволюции галактических структур. Звезды, входящие в каждое скопление, имеют близкий возраст, а значит, образовались в результате единого процесса. Именно по этой причине скопления оказались очень удобными для проверки теорий звездной эволюции, поскольку они дают возможность сравнивать светимость и цвет звезд разных масс, но одного возраста. Возраст звезд определяется по их спектру и светимости путем сопоставления их положения на диаграмме Герцшпрунга-Рессела с теоретически построенными изохронами (т. е. кривыми, описывающими положение звезд равного возраста), а химсостав- по эквивалентным ширинам линий поглощения в спектрах или (более грубо) - по цвету старых звезд-гигантов, который коррелирует с относительным содержанием металлов. Как оказалось, звезды рассеянных скоплений имеют возраст до 1 - 2 миллиардов лет и нормальный (т. е. близкий к солнечному) химсостав. Среди них много систем, где образование звезд еще продолжается или завершилось сравнительно недавно (107 - 108 лет назад). Самые яркие звезды рассеянных скоплений - это, как правило, звезды спектральных классов В или А, и лишь в самых молодых скоплениях еще сохранились голубые сверхгиганты (звезды класса О). Что касается шаровых скоплений, то они расположены, в основном, вблизи центра Галактики, их возраст превышает 12 миллиардов лет, а содержание в звездах элементов тяжелее гелия в десятки и сотни раз ниже, чем в Солнце. Последнее свидетельствует о том, что в эпоху образования шаровых скоплений Галактика только формировалась, и тяжелые элементы еще не успели возникнуть в звездах и попасть в межзвездную среду. Самые яркие звезды шаровых скоплений - это звезды с массой, близкой к массе Солнца, которые успели проэволюционировать до стадии красного гиганта. С помощью космического телескопа «Хаббл» (диаметр зеркала - 2.4 м) в скоплениях удалось увидеть и большое количество старых звезд очень низкой светимости белых карликов. В рентгеновском диапазоне в некоторых шаровых скоплениях найдены также уникальные объекты, связанные с тесными двойными системами старых звезд. Речь идет о 30 самых быстрых природных «волчках» - миллисекундных пульсарах, вращающихся со скоростями порядка четверти или трети скорости света. Большая часть звезд Галактики, включая Солнце и ближайшие к нему звезды, не принадлежит ни к каким скоплениям и сосредоточена в галактическом диске толщиной несколько сотен парсек, который мы видим на небе «изнутри» как полосу Млечного Пути, и который содержит основное количество звезд и газа в Галактике. Свет Млечного Пути значительно ослаблен межзвездным поглощением, но его самая яркая часть находится там, где располагается центр (ядро) Галактики и, предположительно, гигантская черная дыра (созвездие Стрельца). Расстояние до центра 7-8 кпк (21-24 тысячи св. лет), а общий диаметр звездного диска - не менее 30 кпк. Средняя пространственная концентрация звезд в диске падает с расстоянием от центра Галактики и в окрестностях Солнца составляет несколько звезд на 1 пк3. Самый многочисленный класс звезд, составляющих Галактику - красные карлики с массой в несколько раз меньше солнечной. Если бы мы имели возможность взглянуть на Галактику со стороны, то увидели бы систему клочковатых спиральных ветвей в звездном диске, вытянутую звездную перемычку - бар во внутренней области диска и яркое излучение большого числа звезд в центральной части Галактики. Находясь вблизи плоскости диска, мы можем видеть его только «с ребра», при этом центральная часть выделяется как «вздутие» (балдж) (рис. 9). Рис.9. Вид нашей Галактики, восстановленный по изображениям в ближнем ИК диапазоне спектра, полученным космическим аппаратом COBE (NASA). 31 Наша Галактика относится к гигантским спиральным системам, содержащим большое количество межзвездного газа с различной температурой (от нескольких К до 106 К) и областей звездообразования, расположенных преимущественно в спиральных ветвях. В спиральных же ветвях находятся самые массивные газовые конденсации - гигантские молекулярные облака, масса которых в некоторых случаях достигает 106 МО. С межзвездным газом хорошо перемешана пыль, составляющая по массе немногим меньше 1% от суммарной массы газа. Изучать Галактику изнутри во многих отношениях сложнее, чем исследовать другие галактики - как из-за эффектов проекции, так и из-за того, что пыль сильно ослабляет излучение, распространяющееся в межзвездной среде, и препятствует наблюдению слабых или далеких объектов, если направление на них близко к плоскости диска. Звезды, как и газ, участвуют во вращении Галактики, обладая, помимо этого, еще и собственными, случайными скоростями. Соотношения между скоростью вращения и случайными скоростями во многом определяют форму и структуру как нашей, так и других галактик. Орбитальная скорость Солнца в Галактике составляет 200-220 км/с, а скорость относительно совокупности ближайших звезд диска, вращающихся вместе с Солнцем вокруг центра Галактики (то есть случайная составляющая скорости Солнца), - около 20 км/с. Звездный и газовый состав, характер внутренних движений и другие свойства Галактики достаточно типичны для спиральных галактик, и будут рассматриваться вместе со свойствами других галактик в последующих разделах [69]. Получить надежное представление о структуре нашей Галактики трудно, поскольку мы наблюдаем ее изнутри, к тому же значительные помехи создает поглощение сета межзвездной пылью. Некоторые ее существенные особенности хорошо видны на карте неба, созданной в Лундской обсерватории. Эта карта построена в системе координат, в которой галактические широта и долгота центра Галактики равны нулю (рис.10). Легко видеть, что Галактика сильно сплюснута, а измерение скоростей близких звезд показывает, что вся система вращается вокруг своего центра. За начало отсчета галактической широты и долготы выбрано направление на центр Галактики, которое определяется из радионаблюдений, поскольку в этом диапазоне отсутствует поглощение. За галактический экватор принимается большой круг, проходящий через середину галактической плоскости (рис.11). Галактическому экватору соответствует нуль градусов галактической широты, а полюсу – 90о (рис.12). Центр Галактики находится приблизительно на расстоянии 10 кпс от Солнца, т.е. в 10000 раз дальше, чем ближайшая звезда. Солнце принадлежит к системе звезд, образующих диск, вращающийся вокруг своей оси. В окрестностях Солнца его полутолщина составляет примерно 32 200 пс. В диске находится, кроме того, система звезд, образующая так называемое центральное вздутие – эллипсоидальное образование из более старых звезд. Рис.10. Карта неба в галактических координатах Центр Галактики, которому соответствует нуль галактической широты, расположен в центре рисунка. (Карта нарисована М.Т. Кескула из Лундской обсерватории). Рис.11. К определению галактической долготы и широты. 33 Рис.12. Схема, показывающая положение Солнца в Галактике. Ниже перечислены основные составные части Галактики: Звезды – одиночные, либо входящие в состав скоплений или ассоциаций. Межзведный газ и магнитные поля – газ собран в облаках ионизованного водорода или распределен по Галактике в ионизованном или нейтральном состоянии. Межзвездная пыль (практически не рассматривается в нашем изложении) затрудняет оптические наблюдения в плоскости Галактики. Частицы высоких энергий – главный герой нашего повествования. В Галактике насчитывается приблизительно 1012 звезд и именно в них заключена основная доля ее массы. Они образуют гравитационно-связанную сильно уплощенную систему. По движению близких к Солнцу звезд можно сделать вывод, что звезды, образующие диск, вращаются вокруг центра по орбитам, близким к круговым. Наблюдения свидетельствуют в пользу дифференциального вращения Галактики. Кривая вращения Галактики, т.е. зависимость скорости вращения от расстояния до галактического центра, строится различными методами, например, по измерениям скоростей близких к Солнцу звезд и исследованиям распределения скоростей облаков нейтрального водорода по линии 21 см. Согласно современным представлениям, за орбитой Солнца кривая вращения выходит на почти плоский участок. По этой кривой можно определить динамическую массу Галактики. Внутри орбиты Солнца заключена масса примерно 2•1011 МΘ, где МΘ = 2•1033 г – масса Солнца. Важное обстоятельство, о котором следует упомянуть, заключается в том, что полное гравитационное поле Галактики определяется только распределением звезд. На долю газа приходится всего около 5 % массы Галактики, поэтому его динамика определяется заранее заданным гравитационным полем звезд [28]. 34 1.4.2 Активные ядра галактик Интерес к ядрам галактик столь велик потому, что они совершенно не похожи по своим свойствам на любые другие астрономические системы. И почти наверняка они в значительно большей степени, чем другие системы, имеют отношение к новым разделам астрофизики, в частности к астрофизике высоких энергий и релятивистской астрофизике [28]. Термин «ядро галактики» может иметь два смысла: ядро как центральная, выделяющаяся высокой яркостью, наиболее плотная область галактики (для близких и далеких галактик эта область будет иметь разные линейные размеры), и ядро как исчезающее маленькая (по сравнению с размером галактики) область, где разыгрываются процессы, сопровождающиеся выделением большого количества энергии, не объясняющиеся активностью отдельных звезд. Ниже мы будем использовать именно второй вариант термина. Первое обнаружение галактик с активными ядрами принадлежит американскому астроному К. Сейферту (1943). Он выделил небольшое число внешне нормальных спиральных галактик, у которых ядро выглядит как звездообразный объект и имеет необычный для галактики спектр, содержащий яркие и очень широкие эмиссионные линии. Подобные галактики (а они, как оказалось впоследствии, составляют около 1% от полного числа спиральных галактик) получили название сейфертовских. Интерес к активности ядер резко поднялся с открытием в 1950-е годы радиогалактик, источник мощной энергии которых нельзя было объяснить активностью звезд, а позднее - с открытием квазаров - радиоисточников очень малого углового размера, на месте которых в оптике были обнаружены необычные звездоподобные объекты, заметно меняющие свою яркость и поэтому трудноотличимые от переменных звезд. Их эмиссионный спектр не поддавался расшифровке, пока не стало очевидным, что он содержит линии обычных элементов, но сильно сдвинутые в красную сторону (М. Шмидт, 1963 г.). Последнее сразу указало на внегалактическую природу таких объектов. Но при этом пришлось принять, что их излучение приходит из очень небольших по размеру областей с размером в световые дни или месяцы (иначе было бы невозможно объяснить их оптическую переменность). Тем не менее, мощность квазаров иногда в десятки и сотни раз превышает интегральную мощность всей совокупности звезд таких галактик, как наша. Следы родительских галактик вокруг квазаров (причем, далеко не всех) были обнаружены лишь позднее. Большую стимулирующую роль в изучении ядер галактик и нестационарных процессов, связанных с их активностью, сыграли работы В.А. Амбарцумяна, который считал, что они играют основополагающую роль в образовании галактик и их систем. Со временем, однако, утвердилась иная точка зрения, согласно которой не активность ядра формирует галактику, а 35 ядро формируется вместе с галактикой и его текущий уровень активности зависит от непосредственного окружения. Характерная мощность выделения энергии в галактиках с активными ядрами составляет от 1041 - 1044 эрг/с для сейфертовских галактик до 1046 - 1047 эрг/с для наиболее мощных квазаров. Если выражать светимость активного ядра в единицах полной светимости всех звезд галактики L*, то это примерно соответствует интервалу 10-3 - 102L*. Основная энергия выделяется, как правило, в коротковолновой оптической области и в далекой инфракрасной области, где излучает нагретая межзвездная пыль. У части ядер наблюдается также значительный избыток рентгеновского излучения. Наблюдаемые признаки активности ядра и формы выделения энергии могут быть различными. Наиболее часто встречающимися проявлениями активности являются: - быстрое движение газа со скоростями в тысячи километров в секунду, которое приводит к сильному уширению линий излучения в спектре ядра вследствие эффекта Доплера; - излучение большой мощности в коротковолновых (оптической, ультрафиолетовой и рентгеновской) областях спектра, сконцентрированное в очень небольшой области размером менее светового года. Спектр его не похож на спектр абсолютно черного тела и имеет степенную форму (Fν ~ νn, где n ≈ 0.6 - 0.8). Излучение обычно имеет переменный характер без четко выраженного периода. По характеру проявления активности принято разделять галактики с активным ядром на сейфертовские галактики, радиогалактики, квазары и лацертиды. Сейфертовские галактики - это спиральные галактики, в которых активное ядро наблюдается как звездоподобный, часто переменный по яркости объект, в центре галактики. Спектр ядра, как отмечалось выше, отличается наличием ярких и широких эмиссионных линий. Обычно выделяют два типа: Seyfert 1 и Seyfert 2. Первые характеризуются особенно широкими линиями водорода (тысячи километров в секунду) и более сильным излучением в оптическом континууме и в рентгеновском диапазоне. В окрестности сейфертовских ядер часто наблюдается интенсивное звездообразование в околоядерном газовом диске радиусом несколько сотен парсек (не путать с аккреционным диском вокруг черной дыры). Активность молодых звезд (нагрев газа и пыли, вспышки сверхновых) также вносит свой вклад в наблюдаемые особенности сейфертовских ядер, причем вклад массивных звезд в энергетику ядра не всегда легко отделить от вклада центрального, не звездного источника. Радиогалактики - это галактики, с которыми связано интенсивное радиоизлучение, в тысячи и более раз превосходящее по мощности радиоизлучение нормальных галактик, таких, как наша. Радиоизлучение имеет синхротронную природу и связано с выбросом потоков 36 релятивистских электронов из ядра. Мощные радиогалактики встречаются почти исключительно среди эллиптических галактик. Форма радиоисточников различна: обычно это либо радиоизлучающая оболочка вокруг галактики, либо длинные «джеты» — выбросы из ядра в противоположных направлениях, хотя возможна их комбинация. В самом центре галактики выбросы релятивистских частиц часто наблюдаются как крошечные и неоднородные по яркости «парсековые» радиоджеты, направленные от ядра. Любопытно, что во многих случаях отдельные детали (участки повышенной яркости) этих джетов удаляются от ядра с кажущейся сверхсветовой скоростью. Объяснение этого эффекта достаточно простое и сводится к геометрии: это результат того, что мы можем наблюдать перемещение только в проекции на плоскость, перпендикулярную лучу зрения. Если движение источника, удаляющегося от ядра, имеет околосветовую скорость в пространстве и направлено под небольшим углом к лучу зрения в сторону наблюдателя, его видимая скорость перемещения поперек луча зрения может превосходить скорость света. При движении в противоположную сторону такой эффект будет иметь противоположный знак, однако вероятность обнаружения удаляющегося источника меньше, поскольку доплеровское уменьшение частоты излучения, которое будет иметь место в этом случае, приводит также к уменьшению его интенсивности. Квазары по наблюдаемым особенностям похожи на ядра сейфертовских галактик, но превосходят последние по мощности выделения энергии на несколько порядков. Хотя название «квазары» - это сокращение от «квазизвездные радиоисточники», оно отражает лишь исторический путь их открытия. Большая часть квазаров не отличается мощным радиоизлучением. В тех случаях, когда можно рассмотреть родительскую галактику, чаще всего оказывается, что квазары ассоциируются с эллиптическими галактиками, в которых бывают заметны следы тесного взаимодействия (искажение формы, присутствие газа), что, по-видимому, является результатом происходящего слияния галактик. Лацертиды - выглядят как быстропеременные звезды с крайне слабыми спектральными линиями и частично поляризованным излучением. Они оказались редко встречающимся типом активных ядер гигантских эллиптических галактик, рассмотреть которые удалось только с помощью телескопа «Хаббл», поскольку свет галактик «тонет» в свете активного ядра. Предполагается, что особенности, характерные для лацертид, возникают при направлении джета почти точно на наблюдателя. Галактики с активными ядрами довольно широко распространены и составляют несколько процентов от всех галактик высокой светимости. Однако между активными и спокойными ядрами галактик нет резкой границы, и слабые признаки активности можно найти в большинстве наблюдаемых галактик высокой светимости. Ближайшая к нам галактика с активным ядром 37 радиогалактика Центавр А (NGC 5128), находящаяся на расстоянии около 5 Мпк, а самая близкая галактика Сейферта- NGC 1068 (около 14 Мпк). Сложность интерпретации пространственной картины активного ядра связана с тем, что линейный размер активной области настолько мал, что не разрешается при телескопических наблюдениях. Все оценки размеров структурных деталей ядра - косвенные. Различные спектральные линии образуются на различном расстоянии от центрального источника. Так, профили разрешенных спектральных линий, например, линий водорода (в отличие от более узких запрещенных линий) обычно можно представить состоящими из двух наложенных друг на друга компонент: узкой (до 1000 км/с) и широкой (тысячи километров в секунду). Очевидно, что широкая компонента линий связана с более быстрым движением газа, в непосредственной окрестности центрального источника, а более узкие линии (как разрешенные, так и запрещенные) рождаются в более разреженной среде, дальше от источника. При интерпретации спектральных особенностей рассчитывают модели ядер, добиваясь, чтобы они удовлетворительно описывали наблюдаемый спектр. Как всегда в подобных случаях, остается проблема однозначности выбора параметров модели. Однако чем точнее измерения и шире охватываемый спектральный диапазон, тем уже круг возможных вариантов. Принято разделять три зоны ядра: 1. Источник континуума (предполагается, что он представляет собой аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры). Размер наиболее «яркой» части сопоставим с размером солнечной планетной системы (световые часы или дни). Коротковолновое оптическое и жесткое излучение связано с очень высокой температурой диска, доходящей во внутренних областях до 109 К12. 2. Область широких спектральных линий. Размер этой области - от нескольких световых дней до (в квазарах) нескольких световых месяцев. Излучение, тепловое по природе, рождается в потоках плотного газа, движущихся со скоростями в тысячи километров в секунду. 3. Область узких спектральных линий. Размер - световые месяцы. Газ по своим свойствам похож на газ, который наблюдается в областях НИ вокруг молодых звезд, но имеет дисперсию скоростей в сотни километров в секунду. Эта среда постепенно переходит в неоднородный по плотности околоядерный газовый диск, простирающийся на сотни световых лет [69, 74]. 38 ГЛАВА 2 ФОРМУЛИРОВКА МОДЕЛИ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОГЛОЩЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ГАММА-КВАНТОВ СВЕРХВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ Несмотря на свой «солидный» возраст, физика космических лучей как часть более общего научного направления – астрофизики элементарных частиц – активно развивающееся направление исследований. Многое сделано, но на много вопросов еще нет ответов, многие экспериментальные и теоретические результаты, полученные к настоящему времени, нуждаются в детальной проверке. Одна за другой встают новые проблемы, относящиеся как к физике взаимодействий при сверхвысоких энергиях, так и к природе источников космических лучей [73]. В данной главе приведена формулировка проблемы исследуемой в диссертации и произведен вывод основных формул. 2.1 Космический микроволновой фон как среда поглощения гамма-квантов. Постановка задачи Источниками излучения в нашей Галактике являются в основном пульсары. Фотоны, идущие от этих источников, достигают энергии 1014 ÷ 1016 эВ [1, 2, 7, 8] и длина взаимодействия составляет порядка нескольких кпк. В частности, хорошо изучены излучения, идущие от пульсара, находящиеся в созвездии Лебедь Х-3. Однако в последние годы были обнаружены излучения с энергиями, достигающими величины 1019 ÷ 1020 эВ [1, 2, 33]. Предполагается, что их источниками являются активные ядра галактик, находящихся от Земли на расстоянии порядка 20-75 Мпк [1, 7, 8, 49], т.е. процессы, рождающие фотоны столь высокой энергии, протекают вне нашей галактики. В связи со сказанным возникают следующие вопросы: 1) Как меняется интенсивность гамма излучения, распространяющегося внутри и вне нашей Галактики? 2) Гамма-кванты сверхвысокой энергии каких источников способны достигнуть окрестности Земли? Для ответа на эти вопросы необходимо провести всесторонний количественный анализ возможных механизмов поглощения гамма-излучения средой, в которой оно распространяется. Как показывают исследования предшественников [1], доминирующим процессом поглощения гамма-квантов сверхвысокой энергии является процесс взаимодействия гамма-кванта ультравысокой энергии (γо) с фотоном микроволнового фонового излучения (γrel), с последующим образованием электрон-позитронной пары [1, 54, 75, 76], т.е. реакция (2.1) 39 2.2 Процесс образования электрон-позитронной пары при столкновении фотонов Реакция (2.1) в низшем порядке по параметру тонкой структуры описывается диаграммами Фейнмана, изображёнными на рис.12 [76]. k1 p1 p1 k2 p1 – k1 p1 – k2 k2 -p2 k1 -p2 Рис.12. Диаграммы Фейнмана для процесса образования электрон-позитронной пары при столкновении фотонов [76]. Здесь используются следующие обозначения: k1 , k2 - 4-импульсы фотонов; p1 , p2 - 4-импульсы, соответственно, электрона и позитрона. Используя правила Фейнмана, мы получаем следующие выражения для инвариантных амплитуд [77, 78], соответствующих диаграммам рис.1 а), б): (2.2) (2.3) где u(p1) и v(p2) = u(–p2) – биспиноры Дирака, описывающие состояния электрона и позитрона; ε1, ε2 – векторы поляризации фотонов; m - масса электрона. В формулах (2.2) и (2.3) используются стандартные обозначения Здесь и далее используются релятивистские единицы, в которых ħ = 1, с = 1 и α = е2 =1/137. Эффективное дифференциальное сечение реакции (2.1) в системе центра масс (СЦМ) определяется формулой: 40 , (2.4) где dΩ – элемент телесного угла; s – постоянная Мандельстама 2.3 Вывод основных формул Рассмотрим в СЦМ столкновение фотонов и определим вклад t – канальных и u – канальных амплитуд в сечении реакции (1.1). Из формулы (2.2) находим, что . (2.5) Мы рассматриваем столкновение неполяризованных фотонов. При выводе формулы (2.5) произведено усреднение по спинам фотонов и суммирование по спинам частиц в конечном состоянии с помощью стандартных соотношений: Кроме того, при выводе (2.5) выполнена круговая перестановка матриц под знаком следа произведения матриц. Формула (2.5) упрощается, если учесть следующие свойства γ- матриц Дирака: Таким образом, 41 (2.6) Здесь t = (p1 - k1)2 - переменная Мандельстама. Формула (2.6) определяет t – канальный вклад в сечение реакции (2.1). Формула для u – канального вклада получается заменой в формуле (2.6) t → u и k1 →k2: (2.7) где u = (p1 – k2)2. Аналогичная процедура вычислений приводит к следующим результатам: . (2.8) 2.4 Исследование процесса образования пар ультравысокой энергии Определим сечение реакции образования электрон-позитронных пар при столкновении фотонов ультравысокой энергии, т.е. при ω >> m. (Мы продолжаем решение задачи в СЦМ). В этом случае формула (2.6) приобретает вид (2.9) При выводе этой формулы мы пренебрегли членами пропорциональными m2 и учли, что Аналогично находим, что . Перейдем к вычислению (2.10) . (2.11) Поскольку мы рассматриваем ультрарелятивистские процессы, для переменных Мандельстама имеют место соотношения: 42 (2.12) где Принимая это во внимание, выразим соотношения (2.6), (2.10) и (2.11) через переменные Мандельстама: (2.13) (2.14) (2.15) Из формул (2.12) – (2.15) ясно видно, что при сверхвысоких энергиях должны наблюдаться ярко выраженные пики для движения образовавших частиц вперед (θ → 0) и назад (θ → π). Перейдем к вычислению полного эффективного сечения реакции (2.1) при столкновении фотонов сверхвысокой энергии. Согласно формуле (2.4) (2.16) т.к. при сверхвысоких энергиях Перейдем к вычислению интегралов, входящих в формулу (2.16). Из соотношений (2.12) видно, что при s >> m2 доминируют вклады состояний θ ≈ 0. В этом случае Далее удобно перейти к интегрированию по переменной t. (2.17) Аналогично находим, что В этом интеграле доминируют состояния с θ ≈ π, поэтому t ≈ -s. Удобно перейти к интегрированию по du: 43 (2.18) Последний интеграл равен (2.19) Подставляя выражение (2.17) - (2.19) в формулу (2.16), получаем: Итак, эффективное сечение реакции образования электрон-позитронных пар при столкновении фотонов ультравысокой энергии определяется формулой (2.20) где s – переменная Мандельстама, α – постоянная тонкой структуры, m – масса электрона. 2.5 Образование пары близкой к порогу Исследуем другой предельный случай, когда образовавшиеся частицы движутся в СЦМ с нерелятивистскими скоростями, т.е. когда << 1 и Начнем с определения << m. этого случая. После перемножения матриц формула (2.6) приобретает вид (2.21) Воспользуемся нерелятивистскими аппроксимациями и упростим формулу (2.21). При выводе этого соотношения было учтено, что вблизи порога реакции (2.1) имеют место равенства и Аналогично находим, что и . Используя эти аппроксимации, приходим к выводу, что в нерелятивистском пределе формула (2.21) приобретает простую форму: (2.22) Аналогично находим, что (2.23) Формула (2.8) трансформируется к виду 44 (2.24) Из формул (2.22) – (2.24) следует, что в низкоэнергетическом пределе (2.25) Подстановка (2.25) в формулу (2.4) приводит к следующему результату: Таким образом, (2.26) Эта формула определяет сечение реакции образования электрон-позитронных пар вблизи энергетического порога, т. е. при << с. 45 ГЛАВА 3 ЧИСЛЕННЫЕ ОЦЕНКИ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ 3.1 Вычисление энергетического порога реакции поглощения Запишем закон сохранения 4-импульса для реакции (2.1): . В формуле (3.1) используются обозначения: космическое излучение; 2- 1 (3.1) - 4-импульс фотона, входящего в 4-импульс фотона реликтового фона; p1 - 4-импульс электрона; p2 - 4- импульс позитрона. От уравнения (3.1) полезно перейти к релятивистско-инвариантным выражениям: (3.2) Нас интересует пороговая энергия фотонов в лабораторной системе (Л.С.). Принимая это во внимание, вычислим левую часть уравнения (3.2) в Л.С. (3.3) Здесь используются следующие обозначения: θ - угол столкновений фотонов Л.С.; ω1 и энергия и импульс налетающего фотона; ω2 и - - энергия и импульс реликтового фотона. При выводе формулы учтено, что масса фотона равна нулю, а энергия и импульс фотона связаны соотношением . Используем систему единиц, в которой ħ = 1 и с = 1. Для определения порога реакции (2.1) правую часть уравнения (3.1) полезно вычислить в системе центра масс (СЦМ). , т.к. в СЦМ и , где (3.4) энергии электрона и позитрона. 46 Теперь соотношения (3.3) и (3.4) подставим в уравнение (3.2) и учтём, что порогу реакции соответствует случай, когда фотоны летят навстречу друг к другу, т.е. θ = π. , (3.5) т.к. порогу реакции (2.1) соответствует E = mc2, из уравнения (3.5) находим, что . (3.6) Спектр микроволнового излучения описываются распределением Планка с температурой Т = 2,73 К [8]. Функция распределения имеет максимум при энергии фотонов [1, 8, 75] , (3.7) Подставив это значение в формулу (3.6) и учитываем, что mc2 = 0,51 МэВ, находим . (3.8) Энергия, излучаемая источниками гамма-квантов, находящимися внутри нашей Галактики, достигает величины 1014 - 1016 эВ, т.е. превосходит пороговую энергию для реакции (2.1). Это означает, что гамма-кванты сверхвысокой энергии, поглощение которых имеет место в нашей Галактике, могут иметь как галактическое, так и внегалактическое происхождение. Вычислим основные параметры процесса поглощения гамма-излучения от источников, принадлежащих нашей Галактике. 3.2 Исследование процесса поглощения. Оценка основных параметров Процесс рождения электрон-позитронной пары хорошо изучен в квантовой электродинамике [76,77,79]. Его эффективное поперечное сечение определяется формулой [77]: . В формуле (3.9) классический радиус электрона; частиц в СЦМ. Следовательно, величина (3.9) скорость разлетающихся связана с энергиями сталкивающихся фотонов в Л.С. уравнением (3.5), из которого следует, что Отсюда следует следующие выражения для скорости в СЦМ: 47 (3.10) Если учесть, что среди реликтовых фотонов преобладают фотоны с энергией (3.7) и mc2= 0,51 МэВ, то из формулы (3.10) вытекает: . (3.11) При прохождении излучения в какой-либо среде его интенсивность (число частиц, пересекающих в единицу времени единичную площадку в единичном телесном угле, причем в единичном интервале энергий) падает по экспоненциальному закону [27, 80]: . Здесь - пройденный излучением путь; (3.12) - длина взаимодействия, которая определяется формулой [27] , где (3.13) - концентрация частиц поглощения в среде. В данной задаче – это кванты реликтового излучения. Согласно астрофизическим данным [8] . (3.14) Эти частицы, по-видимому, играют главную роль в процессе поглощения гамма-излучения сверхвысокой энергии, т.к. их концентрация достаточно большая. Рассмотрим два предельных случая, которые представляют интерес. В низкоэнергетическом пределе, когда движение образовавшихся частиц в СЦМ нерелятивистское, полное эффективное сечение реакции определяется формулой (3.15) где - классический радиус электрона: Максимальное значение эффективного сечения достигает при энергии эВ. Ему соответствует минимальное значение длины взаимодействия . (3.16) В другом предельном случае при энергии электрона и позитрона в СЦМ E >> m эффективное сечение падает по закону (3.17) 48 Как видно из формул (3.13) и (3.17), с ростом энергии фотонов космического излучения эффективное сечение их взаимодействия с фоном падает, а следовательно длина взаимодействия растет. Вычисления с помощью этих формул приводят к следующим результатам для фона реликтового излучения. λ = 12 Мпк при ω1 = 1019 эВ λ = 100 Мпк при ω1 = 1020 эВ (3.18) Эти значения для длины взаимодействия одного порядка с данными о расстояниях до возможных источников гамма-излучений сверхвысокой энергии. В таблице 2 приведены результаты вычислений интенсивности гамма-излучений сверхвысоких энергий, идущих от галактических источников [1]. Значения получены вблизи порога образования электрон-позитронной пары. Таблица 2 Галактические источники гамма-излучений сверхвысокой энергии Источник Расстояние, Относительная интенсивность кпк излучения в окрестности Земли Лебедь Х-3 13 0,14 Геркулес Х-1 5 0,46 Вела Х-1 1,9 0,74 Лебедь Х-1 2,5 0,68 Результаты, приведенные в таблице 2, свидетельствуют о том, что гамма-излучения, идущие от источников в нашей галактике, способны достигнуть Земли. Однако, гамма-кванты с энергиями Е > 1017 эВ, как полагают [1, 7, 8], рождаются за пределами нашей галактики. Их источниками являются активные ядра галактик. Расстояния до этих объектов достигают 100 Мпк и более. Из формулы (3.12) видно, что фотоны с энергией близкой к пороговой Е0 не достигнут нашей галактики, т.к. в этом случае λ0 . Но этот вывод касается фотонов с энергией вблизи порога, т.е. при Е ≈ 2×1014 эВ. 49 График зависимости длины взаимодействия от энергии фотонов, распространяющихся во Вселенной, изображён на рис.13. Результаты работы показывают, что при Е = 1020 эВ длина взаимодействия λ = 110 Мпк. Эта величина соизмерима с расстоянием до активных ядер скопления галактик в созвездии Змееносца. А это означает, что не только нейтрино, но и фотоны ультравысокой энергии, распространяющиеся от этих источников, могут достичь окрестности Земли. Этот результат находится в согласии с недавними экспериментальными исследованиями на астрофизической станции в Якутске, на которой были обнаружены фотоны ультравысокой энергии, идущие из космоса [26, 33]. Рис.13.График энергетической зависимости длины взаимодействия космических фотонов с квантами реликтового излучения: - энергия космического фотона, - длина взаимодействия. 50 Лебедь Х‐3 Геркулес Х‐1 Вела Х‐1 Лебедь Х‐1 Рис 14. График энергетической зависимости интенсивности гамма-излучений сверхвысокой энергии, идущих от галактических источников. 51 Волосы Вероники Дева Большой пёс Эридан Рис 15. График энергетической зависимости интенсивности гамма-излучений ультравысокой энергии, образующихся в активных ядрах скоплений галактик. 3.3 Радиофон как среда поглощения гамма-квантов Яркость неба или фоновое излучение в рассматриваемых диапазонах длин волн определяется суммарным излучением всех небесных тел, заполняющих пространство с радиусом, равным радиусу видимой Вселенной. В каждом из этих диапазонов фоновое излучение дает разную информацию о Вселенной и ее истории. Радиоизлучение Галактики достаточно хорошо изучено, и его природа нашла свое теоретическое объяснение. Оказывается, за радиоизлучение нашей Галактики в основном ответственны релятивистские электроны, входящие в состав галактических космических лучей. Двигаясь в магнитном поле Галактики, эти электроны излучают синхротронное радиоизлучение. Анализ энергетического спектра релятивистских электронов позволяет теоретически рассчитать 52 спектр синхротронного радиоизлучения Галактики, сравнить его с наблюдаемым и тем самым выделить фоновую внегалактическую компоненту радиоизлучения. Есть основания предполагать, что функцию поглощения гамма-квантов с энергиями большими 1019 эВ может выполнять низкочастотный радиофон. Однако экспериментальные данные о распределении радиофона недостаточно определены. Согласно данным наблюдений этих излучений они доминируют в интервале длин волн от λ = 3 см до λ = 30 м, а их интенсивность меняется по закону (3.19) при β = 0,62 [1]. Эта формула определяет распределение плотности радиофона по частотам и позволяет вычислить дифференциальный коэффициент поглощения , (3.20) а затем интегральный: (3.21) С помощью этой формулы находим, что при энергии космического фотона ω1 = 1020 эВ его длина взаимодействия в среде радиофона равна (3.22) Этот результат свидетельствует о том, что радиофон играет не малую роль в подавлении гамма-излучений ультравысокой энергии, но не исключает возможность их прохождения до окрестности Земли, поскольку найденное значение длины взаимодействия по порядку величины не отличается от расстояний до галактик с активными ядрами. 3.4 Реакция поглощения мюонной пары Рассмотрим процесс взаимодействия гамма-кванта ультравысокой энергии (γо) с фотоном микроволнового фонового излучения (γrel), с последующим образованием мюонной пары, т.е. реакцию (3.23) Найдем энергетический порог этой реакции. Для вычисления энергетического порога реакции поглощения, воспользуемся формулой (3.6). Учитывая, что в данном случае mc2 = 106 МэВ, находим 53 . (3.24) Как видно, полученное значение энергетического порога для реакции (3.23) на несколько порядков больше чем для реакции (2.1). Сравнение эффективных сечений для реакций (2.1) и (3.23), с помощью формулы (3.15) приводит следующему соотношению (3.25) Из отношения видно, что эффективное сечение для процесса образования мюонной пары будет меньше и соответственно поглощение будет слабым. Из полученного результата можно сделать вывод, что реакция рождения мюонной пары при столкновении фотона ультравысокой энергии с фотоном, входящем в состав реликтового излучения, является несущественной. 54 Заключение • В работе исследован основной механизм распространения гамма-квантов сверхвысокой энергии, распространяющихся в галактической и межгалактической средах. Показано, что процесс образования электрон-позитронной пары на квантах реликтового излучения является основным механизмом поглощения. • Найден энергетический порог этой реакции. Из расчетов видно, что вблизи энергетического порога (т.е. при энергиях порядка 1014 - 1015 эВ) длина взаимодействия фотонов с квантами реликтового излучения соизмерима с расстоянием до галактических источников, поэтому фотоны, идущие от этих объектов способны достигнуть окрестности Земли. Однако внегалактические фотоны с энергиями, близкими к пороговой энергии, не способны дойти до нашей галактики, т.к. расстояние до активных ядер скопления галактик достигнет величины порядка 100 Мпк. Результат вычислений сопоставлен с данными астрофизических наблюдений. • Вычислены основные параметры процесса поглощения и падения интенсивности излучений, идущих от галактических источников. • С использованием результатов квантовой электродинамики найдена зависимость длины взаимодействия от энергии налетающего фотона. Выполненный численный анализ результатов показывает, что длина взаимодействия быстро растет с увеличением энергии фотонов, что позволяет фотонам сверхвысокой энергии проходить большие расстояния в межгалактической среде. Этот теоретический вывод находится в согласии с недавними экспериментальными исследованиями ШАЛов на астрофизической станции в Якутске, где были обнаружены космические гамма-кванты с энергией, достигающей величины порядка 1020эВ [33]. • Показано, что эффективные поглощения фотонов космического излучения сверхвысокой энергии возможны не только на фоне реликтового излучения, но и на радиофоне. Эта область космического излучения недостаточно полно изучена, поэтому возможны коррективы. Тем не менее, полученные результаты не исключают того факта, что гаммакванты, образующиеся в активных ядрах галактик, являются переносчиками сверхвысокой энергии во Вселенной. • Показано, что гамма-кванты способны быть переносчиками ультравысоких энергий во Вселенной. 55 Список литературы 1. Астрофизика космических лучей / под ред. В.Л. Гинзбурга. М.: Наука, 1990. –528 с. 2. Гинзбург В.Л. Астрофизика космических лучей (история и общий обзор) // УФН. 1996. Т. 66. №2. С. 169-183. 3. Гинзбург В.Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными // УФН. 1999. Т. 169. № 4. С. 419-441. 4. Григоров Н.Л., Толстая Е.Д. Спектр космических лучей и проблема их происхождения // Письма в ЖЭТФ. 2004. 125(4). С. 734 -743. 5. Деденко Л.Г., Зацепин Г.Т. Космические лучи ультравысоких энергий // Ядерная физика. 2005. 68(3). С. 449-467. 6. Иванов А.А. Поиск внегалактических источников космических лучей сверхвысокой энергии // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 87. №4. С. 215-219. 7. Птускин А.С. О происхождении галактических космических лучей // УФН. 2007. Т. 177. №5. С. 558-565. 8. Рябов В.А. Нейтрино сверхвысокой энергий от астрофизических источников и распадов сверхмассивных частиц // УФН. 2006. Т. 176. №9. С. 931-963. Letessier-Selvon A., Stanev T. Ultrahigh energy cosmic rays // Rev. Mod. Phys. 83. 9. 907-942. (2011). 10. Olinto A.V. Cosmic rays at the highest energies // Journal of Physics: Conference Series 375. 052001 (2012). 11. Михайлов А.А. Космические лучи предельно высоких энергий и пульсары // Письма в ЖЭТФ. 2003. Т. 77. №4. С. 181-183. 12. Alvarez-Muniz J., Berlin A., Bogdan M. et. al. Search for microwave emission from ultrahigh energy cosmic rays // Phys. Rev. D 86. 051104 (2012). 13. Fang K., Kotera K., Olinto A.V. Newly born pulsars as sources of ultrahigh energy cosmic rays // The Astrophysical Journal. 750. 118. (2012). 14. Murase K, Beacom J.F. Very-high-energy gamma-ray signal from nuclear photodisintegration as a probe of extragalactic sources of ultrahigh-energy nuclei // Physical Review D. 82. 043008. (2010). 15. Dermer C.D., Razzaque S. Acceleration of ultra-high-energy cosmic rays in the colliding shells of blazars and gamma-ray bursts: constraints from thefermi gamma-ray space telescope // The Astrophysical Journal 724. 1366 (2010). 56 16. Filonenko A D. Determining the axis orientation of an ultrahigh-energy cosmic cascade shower // Tech. Phys. Lett. 28. 110-112. (2002). 17. Filonenko A D, Filonenko V A. Radio astronomy method for determining the energy and composition of a nucleus of ultrahigh-energy cosmic particle // Tech. Phys. Lett. 37. 182-184. (2011). 18. Fan Y., Zhang B., Chang J. Electron/positron excesses in the cosmic ray spectrum and possible interpretations // Int. J. Mod. Phys. D. 19. 2011-2058. (2010). 19. Урысон А.В. Космические лучи сверхвысоких энергий: возможное происхождение и спектр // ЖЭТФ. 1998. Т. 113. №1. С. 12-20. 20. Филоненко А.Д. Детектирование космических лучей по электронной радиоэмиссии ливня и возможности этого метода в диапазоне сверхвысоких энергий // УФН. 2002. Т. 172. №4. С 439-471. 21. Кочаров Г.Е. Космические лучи ультравысокой энергии и реликтовое излучение во Вселенной // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7. №7. С. 83-87. 22. Глушков А.В. Космические лучи с энергиями Е0 > 1019эВ и крупномасштабная структура Вселенной // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т. 73. №7. С. 355-358. 23. Иванов А.А. Поиск внегалактических источников космических лучей сверхвысоких энергий // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 87. №4. С. 215–219. 24. Деришев Е.В., Кочаровский В.В. Космические ускорители для частиц сверхвысоких энергий // УФН. 2007. Т. 177. №3. С. 323–330. 25. Дорман Л.И. Вариации космических лучей и космическая погода. 180 519–527 (2010). 26. Филоненко А.Д. Радиоастрономический метод измерения потоков космических частиц сверхвысокой энергии // УФН. 2012. Т. 182. №8. С.793-827. 27. Мурзин В.С. Введение в физику космических лучей. М.: Изд-во МГУ, 1988. –316 с. 28. Лонгейр М. Астрофизика высоких энергий. М.: Мир, 1983. – 400 с. 29. Михайлов А.А. Космические лучи предельно высоких энергий и пульсары // Письма в ЖЭТФ. 2003. Т. 77. №4. С. 181–183. 30. Франк И.М. «Черенкова–Вавилова излучение» // Физическая энциклопедия. Гл. ред. Прохоров А.М. – М.: «Большая Российская энциклопедия», 1998.– Т.5. – С. 448−450. – 760 с. 31. Догель В.А. Быстрый пульсар в Лебеде Х-3 // Природа. 1986. №6. С. 107. 32. Гальпер А.М., Лучков Б.И. Необычный астрономический объект Лебедь Х-3. М.: Знание, 1988. – 64 с. 57 33. Glushkov A. V. et. al. Constraints on the flux of primary cosmic-ray photons at energies E > 1018eV from Yakutsk muon data // Phys. Rev. D 82. 041101(R) (2010). 34. Abraham J. et al.Upper limit on the cosmic-ray photon fraction at EeV energies from the Pierre Auger Observatory // Astropart. Phys. 31. 399-406 (2009). 35. Abraham J. et al. Upper limit on the cosmic-ray photon flux above 1019 eV using the surface detector of the Pierre Auger Observatory // Astropart. Phys. 29. 243-256 (2008). 36. Glushkov A. V. et al. Constraining the fraction of primary gamma rays at ultra-high energies from the muon data of the Yakutsk extensive-air-shower array // JETP Lett. 85. 131 (2007). 37. Risse M. et al. Upper limit on the photon fraction in highest-energy cosmic rays from AGASA data // Phys. Rev. Lett. 95. 171102 (2005). 38. Rubtsov G. I. et al. Upper limit on the ultra-high-energy photon flux from AGASA and Yakutsk data // Phys. Rev. D 73. 063009 (2006). 39. Shinozaki K. et al. Upper limit on gamma-ray flux above 1019 eV estimated by the Akeno giant air shower array experiment // Astrophys. J. 571. L 117 (2002). 40. Ave M. et al. New constraints from Haverah Park data on the photon and iron fluxes of ultrahighenergy cosmic rays // Phys. Rev. Lett. 85, 2244 (2000). 41. Bordes J. et al. Possible test for the suggestion that air showers with E > 1020eV are due to strongly interacting neutrinos // Astroparticle Phys. 1998. Vol. 8. P. 135-140. 42. Greisen K. End to the cosmic-ray spectrum? Phys. Rev. Lett. 16. 748 (1966). 43. Зацепин Г.Т., Кузьмин В.А. О верхней границе спектра космических лучей // Письма ЖЭТФ. 1966. Т. 4. №3. С. 114-117 . 44. Деденко Л.Г., Зацепин Г.Т., Роганова Т.М., Федорова Г.Ф. Космические лучи с энергией выше 3·1020 эВ // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 61. №4. С. 233-235. 45. Elbert J., Somers P. In search of a Source for the 320 EeV Fly's Eye Cosmic Ray. arXiv: astro-ph /9410069 v1 Oct.1994. 46. Coleman S.R., Glashow S.L. High-energy tests of Lorentz invariance // Phys. Rev. 1999 .D 59. 116008. 47. Рябов В.А., Царев В.А., Цховребов А.М. Поиски частиц темной материи // УФН. 2008. Т. 178. №11. С. 1129-1164. 48. Рябов В.А. Регистрация астрофизических нейтрино сверхвысоких энергий // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2009. Т. 40. №1. С. 4-62. 58 49. Ряжская О.Г. Нейтрино от гравитационных коллапсов звезд: современный статус эксперимента // УФН. 2006. Т. 176. №10. С. 1039-1050. 50. Буянова Е.А., Молчатский Л.С. Гамма-кванты сверхвысокой энергии от астрофизических источников и механизм поглощения // Вестник ФМФИ ПГСГА. 2011. №6. С. 148-150. 51. Буянова Е.А., Молчатский Л.С. Гамма-кванты от астрофизических источников как переносчики сверхвысокой энергии в космическом пространстве // «Математическая физика и ее приложения» Третья международная конференция. Материалы конференции. 2012. С. 80. 52. Манакова Е.А. Количественный анализ механизма поглощения гамма-квантов сверхвысокой энергии космическим микроволновым фоновым излучением // Вестник молодых ученых и специалистов Самарского государственного университета. 2013. № 2. С. 100-105. 53. Птускин А.С. Происхождение космических лучей // УФН. 2010. Т. 180. №9. С. 1000-1004. 54. Рамакришнан А. Элементарные частицы и космические лучи. М.: Мир, 1965. – 607 с. 55. Бисноватый-Коган Г.С. Релятивистская астрофизика и физическая космология. М.: КРАСАНД, 2011. – 376 с. 56. Гинзбург В.Л. Астрофизические аспекты исследования космических лучей (Первые 75 лет и перспективы на будущее) // УФН. 1988. Т. 155. №2. С. 185–218. 57. Elster J, Geitel H. Phys. Zs. 2.116. 560. (1900). 58. Wilson CTR Proc. Camb. Phys. Soc. 11. 32. (1900). 59. Wilson CTR Proc. Roy. Soc. A 68. 151. (1901). 60. Дорман И.В. Космические лучи. М.: Наука, 1981. – 190 с. 61. Hess V. Phys. Zs. 13. 1084-1091. (1912). 62. Гинзбург В.Л., Сыроватский С.И. Происхождение космических лучей. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 63. В.Л. Гинзбург, В.С. Птускин «О происхождении космических лучей (Некоторые вопросы астрофизики высоких энергий)» // УФН. 1975. Т. 117. №12. С 585–636. 64. Физический энциклопедический словарь. М.: Сов. энциклопедия, 1983. 65. Славатинский С.А. Космические лучи и их роль в развитии физики высоких энергий и астрофизики // Соросовский образовательный журнал. 1999. №10. С. 68–74. 66. Гинзбург В.Л. Космические лучи у Земли и во Вселенной. М.: Наука, 1967. 95 с. 67. Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. М.: Бюро Квантума, 1995. 512 с. 68. Космические частицы с энергиями выше 1019 эВ: краткий обзор результатов // УФН. 2013. Т. 183. №3. С.323-330. 69. Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. - Фрязино, 2006. 496 с. 59 70. Барышев Ю.В. Современное состояние наблюдательной космологии // Итоги науки и техники. Сер. Классическая теория поля и теория гравитации. Т.4. – М., ВИНИТИ, 1991. – С. 89-135. 71. Бронников К.А., Рубин С.Г. Лекции по гравитации и космологии. Учебное пособие. М.: МИФИ, 2008. 460 с. 72. Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол.: Р.А. Сюняев (Гл.ред) и др.- 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Сов. энциклопедия, 1986. 783 с. 73. 74. Гальпер А.М. Космические лучи.- 2-е изд., исп. и доп. М.: МИФИ, 2002. 172 с. Клапдор-Клайнгротхаус Г.В., Цюбёр К. Астрофизика элементарных частиц: Пер. с нем./ Под ред. В. А. Беднякова. - М.: Редакция журнала "Успехи физических наук", 2000. 496 с. 75. Савельев И.В. Курс общей физики. Том 3. М.: Наука, 1987. –320 с. 76. Ициксон К., Зюбер Ж.-Б. Квантовая теория поля. Т.2.: Пер. с англ.-М.: Мир, 1984. 400 с. 77. Берестецкий В.Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Квантовая электродинамика. -М.:Наука, 2002. 720 с. 78. Ахиезер А.И., Берестецкий В.Б. Квантовая электродинамика.-М.: Наука, 1981. 428 с. 79. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики: Учеб.пособ.: Для вузов. В 10 т. Т 3. Квантовая механика (нерелятивистская теория). 6-е изд., испр. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 800 с. 80. Гинзбург В.Л. Теоретическая физика и астрофизика (дополнительные главы). М.: Наука. 1980. 505 с. 60 Приложение 1 и длины Зависимость эффективного сечения реакции взаимодействия от энергии. № Энергия фотона ω1, Эффективное сечение , Длина взаимодействия < L >, эВ см2 Мпс 1 2,2×1014 1,2×10-25 6,5×10-3 2 1×1015 1,4×10-25 7,7×10-3 3 1×1016 2,2×10-26 35×10-3 4 1×1017 3,4×10-27 230×10-3 5 1×1018 4,7×10-28 1,6 6 1×1019 5,9×10-29 13 7 1×1020 7,1×10-30 110 8 1×1021 8,3×10-31 930 п/п 61 Приложение 2 Подавление интенсивности гамма-излучений сверхвысокой энергии, идущего от галактических источников. № Энергия фотона ω1, Относительная интенсивность излучения в окрестности п/п эВ Земли, I / I0 Лебедь Х-3, Геркулес Х-1, Вела Х-1, Лебедь Х-1, х = 13 кпк х = 5 кпк х = 1,9 кпк х = 2,5 кпк 1 2,2×1014 0.2 0.6 0.7 0.6 2 1×1015 0.1 0.5 0.8 0.7 3 1×1016 0.6 0.8 0.9 0.9 4 1×1017 0.9 0.9 0.9 0.9 5 1×1018 0.9 0.9 0.9 0.9 6 1×1019 0.9 0.9 0.9 0.9 7 1×1020 0.9 0.9 0.9 0.9 8 1×1021 0.9 0.9 0.9 0.9 62 Приложение 3 Подавление интенсивности гамма-излучений ультравысоких энергий, образующихся в активных ядрах скоплений галактик. № Энергия Относительная интенсивность излучения в окрестности Земли, п/п фотона ω1, I / I0 эВ Волосы Вероники, Дева, Большой пёс, Эридан, х = 17 Мпк х = 20 Мпк х = 24 Мпк х = 18 Мпк 1 1×1019 0,2 0,2 0,2 0,2 2 1×1020 0,8 0,8 0,7 0,8 63
