Космические лучи

Открытие космического излучения началось в 1780-х. когда французский физик Шарль Кулон (1736—1806) экспериментировал с электричеством. В изысканиях Кулону помогал простенький гальванометр— прибор, измеряющий величину и знак заряда. Устройство представляло собой плотно закрытую банку с выкачанным воздухом, куда был вставлен металлический брусок-электрод с двумя кусочками фольги внизу. Когда к бруску прикладывали заряженный предмет, кусочки фольги либо расходились в стороны, либо сближались. По углу между ними определялась величина заряда. Так вот с помощью этого прибора Кулон продемонстрировал, что наэлектризованная фольга по какой-то причине может внезапно потерять весь свой заряд.

В 30-х годах XIX в. британский ученый Майкл Фарадей (1791—1867) обнаружил, что чем меньше атмосферное давление, тем медленнее заряженная фольга теряет свое электричество. Фарадей высказал предположение, что в воздухе могут присутствовать положительные ионы (заряженные атомы, которым не хватает отрицательных частиц), оттягивающие электроны на себя. Но вот откуда эти самые ионы могут взяться в окружающем пространстве, оставалось загадкой.

В конце столетия француз Антуан Беккерель опытным путем установил, что некоторые минералы (такие как урановые соли) в ходе распада собственных атомов испускают высокочастотные радиоактивные лучи, ионизирующие воздух. А позже было замечено, что те же минералы одним своим присутствием заставляют электроскоп разряжаться быстрее. Это привело ученых к заключению, что воздух насыщается ионами только по вине радиоактивных веществ, скрытых под землей и витающих над ней.

В начале XX в. немецкие физики Юлиус Эльстер и Ганс Гейтель хорошенько изолировали электрод внутри сосуда и провели еще несколько экспериментов, результат которых показал: ионная «фабрика» находится в коротковолновом солнечном излучении. Порции-кванты электромагнитных волн выбивают электроны из внешних оболочек воздушных молекул, вследствие чего эти молекулы получают положительный заряд, а те к которым цепляются свободные отрицательные частицы, соответственно, заряжаются отрицательно. Данный вывод подтверждался тем, что в солнечные, особенно летние, дни воздух ионизирован сильнее, чем в другое время.

Кстати, подобные исследования отдельно от немцев провел шотландский физик Чарлз Вильсон (1869—1959). Его вывод был еще более смелым: грозовые облака— то ли посредством перемещения вверх-вниз холодных и теплых потоков воздуха, то ли благодаря трению замерзших в верхних слоях капель — высвобождают электроны, и те разгоняясь, образуют излучение, способное проникать сквозь любые предметы. Увы. никаких точных цифр ученый не привел, к тому же измерения под землей пошли вразрез с его теорией: отсутствие грозовых облаков никак не сказалось на количестве ионов в воздухе. Не удивительно, что научный мир быстро отбросил эту версию.

Желая найти наконец источник ионизирующей радиации, немецкий ученый-священник Теодор Вульф усовершенствовал электрометр, заменив фольгу кварцевыми проводами с металлическим покрытием и подключив микроскоп для съема показаний. Этим прибором в 1909 г. ученый измерил уровень ионизации воздуха у подножия Эйфелевой башни и на ее вершине, то есть на 300-метровой высоте. Вопреки ожиданиям, что наверху радиация будет на 95 % меньше, чем внизу, разница показаний составила не более 50 %. Значит, источник не в земле, решил Вульф.

Однако другие физики — в том числе швейцарец Альфред Гокель. немцы Карл Курц и Карл Бергвиц — запускали воздушные шары с измерительной аппаратурой на высоту от 1 до 5,5 км и наблюдали, как поначалу уровень радиации падает, а на отметке 3 км резко возрастает. Ученым казалось, будто при таких данных радиация не может возникнуть вне земной поверхности, но это. конечно же. было ошибкой. (Хотя именно Гокель придумал название «космическая радиация».)

Год спустя итальянский исследователь Доменико Пачини погрузил электрометр в море на трехметровую глубину — и зафиксировал значительное снижение радиации по сравнению с уровнем на суше. Из этого он заключил: количество ионов в воздухе не зависит от подземных радиоисточников.

Австриец Виктор Гесс (1883—1964) поднимал в воздух три электрометра— два закрытых и один открытый— на большом военном дирижабле. За год он совершил 7 вылетов, в ходе которых уточнил данные своих предшественников, но выводы сделал прямо противоположные. До 2-километровой высоты ни один электрометр не продемонстрировал отклонений от наземного уровня, а вот дальше количество ионов стало расти. На высоте 3—4 км в сумме уже насчитывалось четыре «лишние» пары (положительный/отрицательный ион), на высоте 4—5.2 км— 15 пар. Поскольку изменения происходили не только в закрытых, но и в открытом приборе, ученый убедился, что проникающее излучение исходит из верхних слоев атмосферы. Но вряд ли его испускает Солнце, ведь ни в ночное время, ни на фоне затмения число ионов не сокращалось. За это открытие 24 года спустя Гесс получил Нобелевскую премию (правда, разделил ее с Карлом Андерсоном, установившим природу космического излучения).

Затем Вернер Кольхерстер сделал замеры на высоте более 9 км и обнаружил, что космическое излучение гораздо меньше поглощается атмосферой, нежели коротковолновые гамма-лучи, испускаемые земными радиоактивными минералами. Эти результаты не помешали Роберту Милликену 10 лет спустя выдвинуть гипотезу, согласно которой космическое излучение представляет собой гамма-лучи, то есть чистую энергию, порции-кванты которой испускаются в момент соединения водородных атомов из межзвездного пространства.

Впрочем, исследования конца 1920-х доказали: космические лучи состоят не из квантов энергии, а из материальных заряженных частиц. Измерения интенсивности космического излучения свидетельствовали о том. что на экваторе она минимальная, и у данного явления могла быть лишь одна причина: магнитное поле Земли «отгоняет» заряженные частицы в сторону. Более того, лучи проходили насквозь через 4-сантиметровый брусок золота, а на такое способны только материальные тела.

По отклонению в геомагнитном поле ученые пробовали также определить знак заряда космических частиц. Дело в том. что магнитное поле разводит пути положительных и отрицательных частиц в разные стороны, а так как с запада исходит более интенсивное излучение, чем с востока, итальянский физик Бруно Росси (1905—1993) приписал космическим частицам положительный заряд. Кроме того, ученый открыл, что космическое излучение, наблюдаемое на уровне моря, состоит из частиц двух видов: одни ведут себя как электроны и проходят сквозь толстые листы металла, но при этом больше весят и теряют меньше энергии (позже выяснилось, что это протоны); другие разбивают встречные тяжелые частицы и устраивают из них ливни.

В 1930-х американский физик Карл Андерсон (1905—1991) входе наблюдений за движением космических частиц в камере Вильсона (прибора. наполненного перенасыщенным паром, который проявляет траекторию движения заряженных частиц), увидел треки, направленные противоположно следам электронов, при этом не так круто изогнутые. Значит, излучение содержит положительные частицы, по величине заряда сравнимые с электроном, но с массой больше электронной и меньше протонной. Эти промежуточные частицы оказались мюонами.

К 1948 г. астрофизики окончательно разобрались, из чего сделаны космические лучи. Первичное излучение, исходящее из космоса, состоит преимущественно из протонов, а также ядер гелия (альфа-частиц): вторичное излучение, возникающее при взаимодействии первичного с земной атмосферой, содержит в себе электроны, мюоны и кванты энергии — фотоны.

По поводу источника первичного излучения ученые не договорились до сих пор. Впрочем, самая популярная теория предполагает, что эти лучи испускаются при взрывах сверхновых звезд. Эту версию подтвердила вспышка 1987-го в Большом Магеллановом облаке, которое сопровождает нашу галактику. Сигнал, поступивший на Землю от новорожденной нейтронной звезды, и дал информацию о космическом излучении.