6. Пушки Вселенной
Помимо высвобождения огромного количества энергии, взрыв сверхновой звезды сопровождается генерацией крупномасштабных магнитных полей – своеобразных магнитных облаков в окрестности места взрыва и ударной волной, расширяющейся с высокой скоростью в межзвёздном пространстве плазменной оболочкой (см. рис.6.2). Именно с этим явлением, в первую очередь, и связан процесс ускорения частиц во Вселенной. 6.1. Космический ускоритель – Пэватрон Впервые идею ускорения космических
лучей в результате множественных отражений от
движущихся магнитных облаков выдвинул
Э. Ферми в 1949 г.
Вкратце этот механизм ускорения можно
представить себе следующим образом.
|
Версия более эффективного
ускорительного механизма типа Ферми была
предложена в 70-х годах
Г. Крымским и другими
исследователями. В рамках этого механизма
частицы дополнительно ускоряются за счёт
взаимодействия с сильной ударной волной,
распространяющейся в среде межзвёздного газа
(рис. 6.1). где U1 – cкорость ударного фронта, U2
– cкорость газа за фронтом, причём (U2 < U1)
и с - скорость света. Затем частицы, оказавшиеся
перед волной, захватываются ею. Возникает новый
цикл ускорения. Многократное повторение этого
процесса может привести к значительному
увеличению энергии частицы.
Другое важное следствие данной
модели состоит в том, что энергетические спектры
ядерных компонент в районе Еmax должны
испытывать так называемый “скейлинг” – с
увеличением заряда ядра Z или его массы сама
величина Еmax в размерности полной энергии
должна быть разной для различных ядер. С
увеличением Z Emax увеличивается. Эти выводы
качественно демонстрируются на рис. 6.2, где
показан экспериментальный энергетический
спектр “всех частиц” и модельные представления
энергетических распределений отдельных
компонент космических лучей.
Есть ещё один наблюдательный факт –
временная корреляция взрывов сверхновых,
связанная с тем, что существуют повышенные
концентрации таких звёзд в их скоплениях.
Происходящий в таких скоплениях взрыв одной
сверхновой порождает взрывы близлежащих
звёзд–соседей. Срабатывает своеобразный
триггер, вызывающий “вселенскую” лавину
взрывов. При этом в межзвёздной среде
распространяется “суперпузырь” остатков
гибнущих звёзд… |
6.2. Превращения звёздного вещества или немного о возрасте космических странников Частицы космических лучей имеют
релятивистские энергии: они преодолевают
просторы Вселенной со скоростями, близкими к
скорости света. Рождаясь в источнике,
космические лучи “наследуют” тот состав
вещества, из которого состоит сам источник.
Поэтому, изучая космические лучи, можно судить о
химическом составе тех звёзд, которые их
образуют. Однако, не всё так просто. |
6.3. О чём говорят результаты экспериментов?
Что пытаются найти и доказать в своих
экспериментах физики? Безусловно, найти
доказательства обсуждаемым моделям
происхождения космических частиц или…
опровергнуть их, или найти подходы к созданию
новых.
Каковы перспективы дальнейших исследований в области “колена”? Безусловно, кардинально решить проблему мог бы запуск в космос прибора большого, с достаточной светосилой, для измерений вплоть до ~10 ПэВ всех основных компонентов космического излучения. Проблема в том, что такой прибор должен весить не менее 10 тонн.
И проекты такие есть. Наиболее
подходящая космическая платформа для проведения
таких экспериментов – Международная
космическая станция, где можно установить прибор
столь большой массы. Будем надеяться, что такой
проект осуществится (рис. 6.6). Таблица 6.1. Количество ливней с E>5.1019 эВ по измерениям на разных наземных установках ШАЛ
Из этой таблицы видно, что “Pierre Auger”
действительно обладает уникальными
возможностями для работы в области
ультравысоких энергий космических лучей:
ожидаемое количество событий – частиц
космических лучей при энергиях E > 5.1019 эВ
за годовую экспозицию ожидается около 300. Эта
установка только начала эксплуатироваться и
пройдёт несколько лет, прежде чем мы получим
результат в этой области энергий космических
лучей. Какой?
Статистика событий в этой области
энергий набирается очень медленными темпами –
уж слишком мал поток космических лучей в этой
области энергий. На рис. 6.7 показаны спектры
частиц, полученные в последнее время на
установках AGASA и в Якутске. Здесь мы видим
расхождение в результатах – данные Якутска
демонстрируют загиб спектра (хотя статистика
здесь ещё недостаточна), а данные AGASA – рост
потоков. |