Цивилизация
В 1912 году австрийский физик Виктор Франц Гесс в ходе экспериментов на воздушном шаре обнаружил, что ионизация молекул воздуха возрастает с высотой. Это стало первым доказательством существования космических лучей — частиц высокой энергии, приходящих на Землю из космического пространства. Согласно общепринятым представлениям, основным источником космических лучей являются взрывы сверхновых звезд (небольшой вклад вносит и Солнце). При попадании в атмосферу этот поток создает так называемое вторичное излучение, которое образуется в результате взаимодействия высокоэнергичных космических частиц с ядрами атомов молекул воздуха. В атмосфере Земли рождаются практически все известные элементарные частицы (вторичное излучение).
До создания мощных ускорителей заряженных частиц космические лучи были единственным источником частиц высоких энергий. Однако и до сих пор частицы с самыми большими энергиями наблюдаются только в космических лучах.
Изучение потока космических лучей проводится разными приборми и способами. Эффективным методом исследования космических лучей является проведение экспериментов на космических аппаратах. В течение почти четырех лет успешно выполняется международный эксперимент PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics). В середине 2006 года спектрометр PAMELA, созданный учеными из Италии, России, Германии и Швеции, был выведен на орбиту на борту российского спутника «Ресурс-ДК». <2> В 2009 году команда эксперимента PAMELA опубликовала статью, в которой сообщалось об обнаружении избытка позитронов (антиэлектронов) в составе космических лучей, с энергией от 10 до 100 гигаэлектрон-вольт (ГэВ). Одним из возможных объяснений этого избытка является наличие темной материи в нашей Галактике.
Сейчас, спустя почти два года, ученые представили новое открытие: изучение потоков протонов и ядер гелия в космических лучах показало, что их энергетические спектры не соответствуют теоретическим предсказаниям, а именно разным диапазонам энергий соответствуют разные показатели спектра.
Соответствующая статья опубликована в журнале Science, а «Газете.Ru» подробнее о ней рассказал один из авторов работы, заведующий Долгопрудненской научной станцией лаборатории физики Солнца и космических лучей ФИАН Юрий Стожков.
— Означает ли данная публикация, что представления об ускорении космических лучей в остатках вспышек сверхновых являются неверными?
— Когда мы говорим о вспышках сверхновых и ускорении космических частиц, мы имеем в виду ударную волну, которая образуется при взрыве сверхновой. Эта волна ускоряет частицы до огромных энергий, до сих пор недостижимых на современных ускорительных машинах. Детальные данные о потоках протонов и альфа-частиц, полученные в эксперименте PAMELA, ставят вопрос о существовании различных типах источников космических лучей.
Благодаря первым высокоточным измерениям частиц в широком диапазоне энергий мы обнаружили изменения показателя энергетических спектров протонов и альфа-частиц. Это свидетельствует о том, что в нашей Галактике существуют различные типы источников космических лучей.
Одним из возможных объяснений является ускорение частиц во время вспышек на активных карликовых звездах. Эти звезды похожи на Солнце (наше Солнце – карликовая звезда), имеют такую же или меньшую массу и светимость.
— Главный предыдущий результат PAMELA заключался в том, что в составе космических лучей с энергией от 10 до 100 гигаэлектрон-вольт (ГэВ) был обнаружен избыток позитронов. Одним из вероятных объяснений этого факта было то, что темная материя может давать этот избыток. Другое объяснение было связано с рождением дополнительного потока позитронов в очень сильных магнитных полях пульсаров, во вспышках на карликовых звездах или в процессах, происходящих на каких-то других астрофизических источниках. Какова ситуация с результатами PAMELA сейчас? Какое объяснение представляется наиболее вероятным?
— Было выполнено много работ (в основном теоретического плана), в которых этот эффект объясняется. Работы можно разделить на два класса. Первый — что избыток связан с частицами так называемой темной материи. Второй класс работ — попытка объяснить результаты наблюдений обычными известными процессами в разных звездных объектах.
— Каких еще результатов можно ждать от PAMELA в ближайшее время? Планируется ли аналогичный проект в будущем — на другом спутнике, с другими, более точными, приборами?
— Материала, полученного в эксперименте PAMELA, очень много, и его анализ займет не один год. Эксперимент продолжается, каждый день мы получаем по 10–15 гигабайт новой информации.
Сейчас заканчивается четвертый год этого эксперимента, хотя изначально он был рассчитан на три года. Конечно, мы надеемся и ждем новых и неожиданных результатов.
Планируется продолжение эксперимента: сейчас в ФИАН совместно с МИФИ и учеными из других стран готовится эксперимент «Гамма-400». Основная цель этой работы – исследование гамма-излучения в области больших энергий. Другим не менее важным предметом исследований является изучение спектров протонов, электронов и ядер с более высоким эhttp://pg.gazeta.ru/aqua/i/icon_publish.gifнергетическим разрешением и в более широкой области энергий, чем это делается на спектрометре PAMELA. Начало эксперимента рассчитано на 2017 год, сейчас идет разработка нового прибора.