Путешествие в космос - Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых

Космические лучи

После того как в последнем десятилетии XIX в. было открыто радиоактивное излучение, ученые научились делать приборы для его обнаружения. К немалому удивлению они заметили, что, когда вокруг не было, казалось, никаких радиоактивных веществ, какая-то радиация все-таки отмечалась. Мало того, даже когда приборы были укрыты свинцовыми щитами, непрозрачными для радиоактивного излучения (и других известных тогда видов излучений), устройства, несмотря ни на что, отмечали радиацию.

По-видимому, существовал какой-то вид радиации не только неизвестного. доселе происхождения, но вдобавок еще и самый проникающий и отсюда имеющий самую высокую энергию, чем все известные ее виды. Эта радиация обладала даже более высокой энергией, чем гамма-лучи, излучаемые отдельными радиоактивными веществами, а ведь гамма-лучи куда сильнее рентгеновских!

Наверное, источником нового вида радиации были какие-то сверхрадиоактивные вещества, находящиеся в земле. Но это было только предположение. Австрийскому физику Виктору Гессу (1883–1964) пришла однажды идея, что все это легко проверить, достаточно поднять высоко в небо, допустим на воздушном шаре, приборы — регистраторы радиации. Чем выше над Землей они будут подниматься, тем слабее должна быть радиация, если, конечно, ее источник действительно находится в земле.

Начиная с 1911 г. Гесс со своими приборами сделал десять подъемов на воздушном шаре: пять в дневное время и пять ночью. (Один из подъемов пришелся даже на полное солнечное затмение.) И что ж? К удивлению физика, чем выше он поднимался, тем сильнее становилась проникающая радиация. Источник, судя по всему, был в небе, а не в земле. Больше того, Солнце к этому никакого отношения не имело, ибо интенсивность излучения и днем и ночью оставалась на одном уровне.

Насколько могли заметить Гесс и другие, излучение одинаково приходило со всех сторон неба. Американский физик Роберт Эндрюс Милликен (1868–1953) назвал это излучение «космическими лучами» (так как оно шло из космоса), и название это прижилось. Милликен считал, что космические лучи наряду с обычным светом были еще одним видом электромагнитного излучения.

Электромагнитное излучение имеет волновую природу. Чем меньше волна (т. е. чем короче длина волны), тем выше энергия излучения. Видимый свет имеет очень короткие волны, а из всех оттенков света самые длинные волны имеет красный цвет. Длина волны укорачивается, а энергия в ней становится все выше (если по спектру идти от красного к оранжевому, желтому, зеленому, голубому, синему и, наконец, фиолетовому цвету).

Волны ультрафиолетовой части спектра короче фиолетовых волн, поэтому из всех видимых форм света они обладают наиболее высокой энергией. Рентгеновские лучи имеют еще более короткую длину волны, а гамма-лучи — и совсем короткие. По мнению Милликена, космические лучи — это ультракороткие гамма-лучи, имеющие более высокую энергию, чем даже радиоактивные гамма-лучи.

Это мнение было оспорено соотечественником Милликена физиком Артуром Комптоном (1892–1962), который считал, что космические лучи — это очень быстрые электрически заряженные субатомные частицы. Их энергия определяется массой и скоростью.

К счастью, нашелся способ для разрешения этого спора.

Если бы космические лучи в самом деле являлись электромагнитным излучением, они бы не имели электрического заряда и не испытывали никакого влияния со стороны земного магнитного поля. Разные полюса планеты они атаковали бы одинаково интенсивно, поскольку они равномерно поступают из всех частей неба.

Напротив, если бы космические лучи были электрически заряженными частицами, они бы испытывали воздействие магнитного поля Земли и отклонялись к ее магнитным полюсам. Конечно, частицы космических лучей (если они таковыми являлись) должны обладать очень высокой энергией, и поэтому действие магнитного поля Земли приведет к очень незначительным отклонениям. Однако Комптон высчитал, что это отклонение должно быть измеримой величиной и, чем дальше частица движется от экватора, все равно к северу или к югу, тем интенсивнее поток космических лучей.

Начиная с 1930 г. Комптон много путешествует по миру. Появляется возможность проверить свое предположение. И Комптон оказался прав: «широтный» эффект действительно существует, интенсивность космических лучей тем больше, чем выше широта! Милликен упорно стоял на своем, однако постепенно физики планеты перешли на сторону Комптона. Сегодня природа космических лучей общепризнана.

Космические лучи, как теперь известно, — это положительно заряженные субатомные частицы водорода и гелия, находящиеся в пропорции 10: 1. Имеются вкрапления более тяжелых ядер (вплоть до ядер железа). Распределение ядер в космических лучах аналогично распределению элементов во Вселенной.

Нет ничего удивительного в том, что космическим лучам присуща такая высокая энергия и проникающая способность, ведь эти частицы движутся со скоростями куда более высокими, чем аналогичные частицы, возникающие на Земле или около нее, включая и радиоактивные. Частицы космических лучей наивысших энергий летят со скоростью, близкой к скорости света, абсолютному пределу для любого тела, обладающего массой.

Частицы космических лучей имеют прямое и очень важное отношение к биологической эволюции. Эти высокоэнергетические частицы могут вызывать и действительно вызывают мутации.

Космические частицы достигают Земли в количествах, несравнимых с количеством ультрафиолетовых лучей Солнца. Можно, конечно, избежать воздействия излучений, находясь подальше от источников, и даже можно избежать ультрафиолетовых лучей, укрывшись просто в тени, но укрыться от космических лучей практически невозможно.

Можно спуститься в шахту глубоко под землю или, скажем, жить в воздушном пузыре на дне глубокого озера, можно, наконец, одеть себя толстым, в несколько футов, слоем свинца, но ведь подавляющее большинство живых существ не делает и никогда не делало ничего подобного.

В течение миллиардов лет живые организмы не соприкасались с электромагнитной радиацией, радиоактивным излучением или мутагенными химическими веществами, но зато день и ночь, где бы они ни находились, беспрерывно облучались космическими лучами. (Атмосфера и вода, которые задерживают большую часть обычного излучения Солнца и неба, не могут остановить космические частицы.)

Космические частицы не остаются такими, какими они были в космосе (первичное излучение). Они сталкивались с атомами и молекулами земной атмосферы, замедляли движение, и небольшая их доля поглощалась. При этом они успевали выбить частицы высокой энергии из атомов и молекул (вторичное излучение), и эти последние, в той или иной форме сохраняя все свои мутагенные способности, достигают земной поверхности и глубоко проникают в землю и воду.

Таким образом, непрерывное облучение живой материи космическими частицами в течение всей истории живого на Земле было, по-видимому, достаточно мягким, что позволяло живым организмам не испытывать никаких неудобств. Но оно было достаточно эффективным, чтобы существенно повысить уровень мутаций в сравнении с тем, каким мог быть этот уровень, если бы зависел только от несовершенства репликации, или это облучение являлось бы лишь добавочным толчком мутагенных факторов, более редких и легко избегаемых.

Итак, скорее всего, именно частицы космических лучей придали силу мутациям, которые, в свою очередь, послужили поводом для естественного отбора и заставили эволюцию продвигаться с той скоростью, с какой она и продвигалась. Космическим лучам мы обязаны самим своим существованием, и, если бы космические лучи отсутствовали, эволюция на Земле все еще была бы на уровне червеобразных существ, прозябающих в морских глубинах.

Откуда же приходят к нам эти космические лучи?

Они приходят отовсюду, со всех сторон неба, их нельзя привязать к какому-то одному объекту или к нескольким отдельным объектам, расположенным в разных местах. Нельзя также полагать, что отдельные потоки космических лучей вышли с какого-то объекта в небе, который лежит близ точки, из которой они, по-видимому, исходили. Электромагнитное излучение распространяется прямолинейно, если оно не проходит вблизи какого-то массивного объекта. И если вы видите луч света, то его источник находится именно там, куда вы смотрите. Если вы видите звезду, глядя на ее свет, вы смотрите на саму звезду. Люди так привыкли к прямолинейному распространению света, что, когда вы говорите: «Звезда находится там, где вы ее видите», это звучит как совершенно излишнее утверждение: где же ей еще быть?

Так и любое электромагнитное излучение: оно исходит из той точки неба, откуда зрительно оно приходит. Мы принимаем это как само собой разумеющееся.

Однако электрически заряженные частицы по прямой линии никогда не перемещаются. На них воздействуют магнитные поля, а они в Галактике — сплошь и рядом: каждая звезда, планета и даже целая Галактика имеют свое магнитное поле. Поэтому космическая частица проносится в глубинах Вселенной по очень сложной траектории, реагируя на все магнитные поля, сквозь которые она проходит.

Когда космическая частица устремляется к поверхности Земли, направление частицы на финальном отрезке не является истинным ее направлением, которого она держалась на расстоянии дюжины световых лет. Аналогично птица или летучая мышь летит к вам по линии, которая, если проследить, не укажет на отдаленное дерево. Ничто не говорит о том, с какого именно дерева летит птица или летучая мышь, в непредсказуемом полете она могла десятки раз изменить свой курс.

Каждая космическая частица следует собственным сложным путем, и неудивительно, что лучи кажутся нам приходящими отовсюду, как неудивительно и то, что невозможно отследить их обратный путь к источнику.

Доподлинно известно, что частицы космических лучей в огромной степени заряжены энергией, и, откуда бы они ни явились, источник их должен быть грандиозным. Частицы такой высокой энергии не возникнут в результате какого-нибудь скромного процесса.

Самый активный объект Солнечной системы — это, конечно, само Солнце, а самое бурное явление на его поверхности — это солнечная вспышка. Достаточно ли мощна солнечная вспышка, чтобы произвести частицы космических лучей?

Вопрос этот не ставился, но факт имел место, и ученые вынуждены были его объяснить.

К концу февраля 1942 г. появилась большая вспышка в самом центре солнечного диска; а это значит, непосредственно в сторону Земли начался выброс солнечной материи. Очень скоро была зарегистрирована относительно слабая вспышка космических лучей. Они шли со стороны Солнца, и только оно могло быть их источником, потому что расстояние от Солнца до Земли для таких стремительных частиц не очень велико и существенно изменить направление движения частицы не могли.

Теперь известно, что солнечный ветер — это поток постоянно выбрасываемых наружу ядер, главным образом водорода и гелия. Они обладают невысокой энергией и летят со скоростью сотен километров в секунду. Кроме того, мы знаем, что после вспышек на солнечном диске неотвратимо последуют шквалы «мягких» космических частиц. Но во время ярких солнечных вспышек возникают и чрезвычайно высокоэнергетические частицы; в таком потоке солнечного ветра частицы мчатся с более высокими и даже громадными скоростями. И когда вспышки в энергетическом отношении достаточно мощны, а солнечный ветер оказывается достаточно стремительным — перед нами частицы космических лучей.

Частицы космических лучей — объекты того же порядка, что и частицы солнечного ветра, но у первых большая скорость и большая энергия. Такая же разница между рентгеновскими лучами и светом — у первых более короткие волны и более высокая энергия.

Впрочем, Солнце (благодаря спокойному характеру и возрасту звезды средних лет) в лучшем случае способно испускать космические лучи относительно низкого диапазона энергий. Космические лучи более высоких энергий в количествах достаточно внушительных, чтобы заполнить ими Галактику, возникают в результате более грандиозных процессов.

Теперь уже ясно, что самые грандиозные события, происходящие в мире звезд, — это взрывы сверхновых, и, надо полагать, каждый такой взрыв посылает во все стороны колоссальные волны звездного ветра невероятно высокой энергии. Это частицы космических лучей.

Частицы несутся в почти вакуумной межзвездной среде, не снижая скорости. Проходя сквозь магнитные поля или огибая их, они даже ускоряют движение, приближая его к скорости света. Получив дополнительную энергию, они уже не отклоняются от прямого пути, несмотря на влияние магнитных полей, и в конце концов ничто не мешает им совсем вырваться из Галактики и устремиться в другие, межгалактические дали.

Однако не всем космическим частицам уготована такая судьба. Некоторые из них на своем долгом пути сталкиваются с другими частицами вещества, скажем, с каким-то заблудшим атомом, или с космической пылинкой, или со звездой, или с чем-то вроде нашей Земли.

В космосе существует множество космических частиц, выброшенных всеми сверхновыми, когда-либо взрывавшимися в Галактике. Внушительное их количество ежесекундно ударяется, о Землю, приближаясь со всех сторон. Конечно, какой-то процент космических частиц, производимых сверхновыми нашей Галактики, навсегда уходит за ее пределы, но эти потери восполняются другими частицами из других галактик.

Итак, сверхновые не только дали тепло, удержавшее облако, из которого образовалась наша Солнечная система, предотвратили от преждевременного сгущения, сообщили этому облаку толчок давления, приведший к началу его сгущения, но и снабдили сырьем, из которого образовалась Земля и живая материя, обеспечили движущей силой те самые эволюционные изменения, которые превращали жизнь на Земле во все более и более сложные формы, вплоть до появления человека.

Сверхновые — это титанические тигли космоса, громадные наковальни, на которых выковывается вещество, создающее среду, позволившую, по крайней мере однажды, образоваться и развиться жизни.

<<<Назад Страница 41 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz