Научные открытия России
Государственный реестр открытий СССР
 


КОСМОС
Открытия в области изучения Вселенной.



Научное открытие "Закономерность в энергетическом спектре космических лучей".

Формула открытия: " Экспериментально установлена неизвестная ранее закономерность в энергетическом спектре космических лучей (до энергий 1017 эВ), состоящая в том, что показатель степени у интегрального спектра при энергиях более 2•1015 эВ, равный 1,7, при больших энергиях увеличивается до значения y=2,3".
Авторы: С. Н. Вернов, Г. Б. Христиансен, Г. В. Куликов, В. И. Соловьева, А. Т. Абросимов, Б. А. Хренов.
Номер и дата приоритета: № 84 от 22 апреля 1958 г.


Описание открытия.

Космические лучи приходят на Землю из глубин Вселенной и состоят преимущественно из ядер легких и тяжелых элементов (протонов, альфа-частиц и т. д.). Согласно современным представлениям космические лучи возникают в результате ускорения заряженных частиц в активных космических объектах. Такими объектами являются сверхновые звезды, ядра галактики пульсары, так как именно они обладают энергией, достаточной для рождения космических лучей и сверхвысоких энергий.

Исследование космических частиц сверхвысокой энергии представляет большой интерес, так как даже самый факт существования таких частиц является одной из наиболее интересных загадок природы. До сих пор физики и астрофизики решают вопрос о механизмах их ускорения.
Десятки, если не сотни ядерных превращений происходят с космическими "скитальцами", прежде чем они достигают земной поверхности. Выйдя из области эффективного ускорения, космические лучи попадают в межзвездное, а затем в межгалактическое пространство, в котором они испытывают влияние регулярных и хаотических магнитных полей и взаимодействуют с межзвездным веществом и реликтовым электромагнитным излучением, возникшим на ранней стадии эволюции Вселенной.

Химический состав, распределение по энергиям и направление космических частиц в значительной степени зависят от свойств той среды, в которой они распространяются. Космические лучи не только несут информацию о свойствах источников, в которых они возникают, но и являются эффективным зондом межзвездного и межгалактического пространства.

Попадая в атмосферу Земли, космическая частица сверхвысокой энергии взаимодействует с атомами воздуха и создает в результате ядерно-каскадного процесса мощный поток вторичных элементарных частиц. Этот поток коррелированных частиц называется широким атмосферным ливнем. На уровне моря он имеет большое число частиц - оно измеряется сотнями тысяч и даже десятками миллиардов, в зависимости от энергии частицы, и достигает больших поперечных размеров (до 1 км и выше). Поток состоит из электронов, мюонов и ядерно-активных частиц. Благодаря большим поперечным размерам таких потоков существенно возрастает область регистрации каждой космической частицы сверхвысокой энергии. Экспериментальные данные о широких атмосферных ливнях - единственный источник наших сведений о первичном космическом излучении сверхвысоких энергий.

Особенно большой прогресс в исследовании частиц сверхвысоких энергий был достигнут тогда, когда были созданы установки, дающие детальные сведения об индивидуальном ливне. В Советском Союзе такая установка на уровне моря была создана в конце 50-х гг. в МГУ по инициативе академика С. Н. Вернова и профессора Г. Б. Христиансена. Эта установка называется комплексной установкой для исследования широких атмосферных ливней, так как на ней детально исследуется каждый ливень - определяется число электронов и мюонов, их пространственное расхождение и т. д. Установка располагает уникальными по масштабу площадями детекторов с большим разнообразием функций.

На территории МГУ стоит здание специальной конструкции, крыша которого выполнена в виде блестящих полуцилиндров из тонкого дюралюминия. Они "прозрачны" для космических лучей. Здесь расположена центральная часть комплексной установки для изучения частиц сверхвысокой энергии, приходящих из космоса. Остальные части установки находятся в 50 фургонах - походных лабораториях, расположенных на территории около 100 тыс. м2. Свыше 5 тыс. датчиков на поверхности Земли и 2 тыс. на глубине 25 м регистрируют коррелированные потоки частиц, создаваемые в атмосфере частицами сверхвысокой энергии. Установка работает круглые сутки в течение многих месяцев в году. Поток частиц сверхвысокой энергии чрезвычайно мал - в неделю на площадь 1 м2 падает одна частица с энергией более 1015эВ.

На установке были проведены прецизионные исследования спектров ливней по числу электронов и мюонов. Было установлено; что оба спектра резко изменяют свою форму. Анализ спектров, а также различных компонент широких атмосферных ливней позволил получить фундаментальный результат: для объяснения экспериментальных данных требуется принять предположение о резком изменении энергетического спектра первичных космических лучей. Если энергетический спектр описывать функцией степени, то показатель степени должен претерпевать резкое увеличение в сравнительно узком интервале энергии.

Этот результат привлек большое внимание и был подтвержден рядом работ, выполненных в лабораториях разных стран. До этого долгое время считалось, что энергетический спектр космических лучей, т. е. их распределение по энергиям, описывается степенным законом с постоянным показателем.

Открытие ранее неизвестной закономерности в энергетическом спектре космических лучей сделано коллективом ученых МГУ в составе академика С. Н. Вернова, профессора Г. Б. Христиансена, кандидатов физико-математических наук Г. В. Куликова, В. И. Соловьевой, А. Т. Абросимова и Б. А. Хренова. Оно привело к появлению ряда новых аспектов в теории происхождения космических лучей.

По предлагаемой авторами диффузианной модели распространения космических лучей, они образуются в нашей Галактике, и коэффициент диффузии растет с увеличением энергии частицы. Этот коэффициент зависит от характеристик межзвездного пространства - величины магнитного поля, размеров облаков ионизированного газа и др. Рассматривались и другие возможности. Предполагалось, что изменение энергетического спектра вызвано взаимодействием космических лучей с универсальным тепловым излучением на ранних стадиях развития Вселенной. В этом случае наблюдаемое изменение формы первичного спектра объясняется взаимодействием космических лучей с реликтовым излучением на ранних стадиях эволюции Метагалактики и, таким образом, тесно связано с космологической проблемой - эволюцией Вселенной.

С каждым годом наука обогащается новыми данными в исследованиях космоса. Так, например, приборы "Интеркосмоса-6" были предназначены для изучения высокоэнергичных частиц космических лучей и явлений, происходящих при их взаимодействии с ядрами фотоэмульсии, стопка которой входила в состав бортовой аппаратуры. Этот спутник предусматривал возможность возвращения с орбиты на Землю и доставки (помимо переданной по радиоканалу телеметрической информации) непосредственных экспериментальных материалов из космоса. Герметический контейнер с ядерной фотоэмульсией, рентгеновские пленки и фотоматериалы запечатлели следы ядерных взаимодействий. Их изучают ныне ученые всех стран - участниц программы "Интеркосмос".






Главная
КОСМОС
ЗЕМЛЯ
ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ
ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ
ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
МАТЕМАТИКА
Сайт создан в системе uCoz