Какво представляват космическите лъчи?

Енергични космически лъчи удрят върха на Земята

Душове от високоенергийни частици възникват, когато енергийни космически лъчи ударят върха на земната атмосфера. Повечето космически лъчи са атомни ядра: повечето са водородни ядра, някои са ядра на хелий, а останалите по -тежки елементи. Въпреки че много от космическите лъчи с ниска енергия идват от нашето Слънце, произходът на космическите лъчи с най -висока енергия остава неизвестен и е тема за много изследвания. Тази рисунка илюстрира въздушни душове от космически лъчи с много висока енергия. (Снимка: Саймън Суорди (У. Чикаго), НАСА)

Космическите лъчи са атомни фрагменти, които валят върху Земята извън слънчевата система. Те пламват със скоростта на светлината и са обвинявани за проблеми с електрониката в спътниците и други машини.



Открити през 1912 г., много неща за космическите лъчи остават загадка повече от век по -късно. Един отличен пример е точно откъде идват. Повечето учени подозират, че произходът им е свързан със свръхнови (звездни експлозии), но предизвикателството е, че дълги години произходът на космическите лъчи изглеждаше еднакъв за обсерваториите, изследващи цялото небе.

Голям скок напред в науката за космическите лъчи се случи през 2017 г., когато обсерваторията Пиер Оже (която се простира на 3000 квадратни километра, или 1160 квадратни мили, в Западна Аржентина) изследва траекториите на пристигане на 30 000 космически частици . Той заключава, че има разлика в това колко често тези космически лъчи пристигат, в зависимост от това къде гледате. Докато техният произход все още е мъгляв, знанието къде да се търси е първата стъпка в научаването откъде са дошли, казват изследователите. Резултатите са публикувани в Science.

Космическите лъчи могат дори да се използват за приложения извън астрономията. През ноември 2017 г. изследователски екип открива възможна празнота във Великата пирамида в Гиза, която е построена около 2560 г. пр. Н. Е., използвайки космически лъчи . Изследователите са открили тази кухина с помощта на муонна томография, която изследва космическите лъчи и тяхното проникване през твърди обекти.

История

Докато космическите лъчи са открити едва през 1900 -те, учените са знаели, че нещо мистериозно се случва още през 1780 -те. Тогава френският физик Шарл-Августин дьо Кулон-най-известен с това, че има единица електрически заряд, кръстен на него-наблюдава внезапно и мистериозно електрически заредена сфера, която вече не се зарежда.

По това време въздухът се смяташе за изолатор, а не за електрически проводник. С повече работа обаче учените откриха, че въздухът може да провежда електричество, ако молекулите му са заредени или йонизирани. Това най-често се случва, когато молекулите взаимодействат с заредени частици или рентгенови лъчи.

Но откъде идват тези заредени частици, беше загадка; дори опитите да се блокира зареждането с големи количества олово се оказаха празни. На 7 август 1912 г. физикът Виктор Хес прелетя с висок балон до 17 300 фута (5300 метра). Той откри три пъти повече йонизираща радиация там, отколкото на земята, което означаваше, че радиацията трябва да идва от космоса.

Но проследяването на „историите за произхода“ на космическите лъчи отне повече от век. През 2013 г. космическият телескоп Fermi за гама-лъчи на НАСА публикува резултати от наблюдение на два остатъка от свръхнови в Млечния път: IC 433 и W44 .

Сред продуктите на тези звездни експлозии са фотоните на гама-лъчите, които (за разлика от космическите лъчи) не се влияят от магнитни полета. Изследваните гама-лъчи имат същия енергиен подпис като субатомните частици, наречени неутрални пиони. Пионите се произвеждат, когато протоните се забият в магнитно поле вътре в ударната вълна на свръхнова и се блъскат един в друг.

С други думи, съответстващите енергийни сигнатури показват, че протоните могат да се движат с достатъчно бързи скорости в свръхнови, за да създават космически лъчи.

Актуална наука

Днес знаем, че галактическите космически лъчи са атомни фрагменти като протони (положително заредени частици), електрони (отрицателно заредени частици) и атомни ядра. Въпреки че сега знаем, че те могат да бъдат създадени в свръхнови, може да има и други източници за създаване на космически лъчи. Също така не е ясно как суперновите са в състояние да направят тези космически лъчи толкова бързи.

Космическите лъчи постоянно валят на Земята и докато високоенергийните „първични“ лъчи се сблъскват с атомите в горната атмосфера на Земята и рядко стигат до земята, „вторичните“ частици се изхвърлят от този сблъсък и достигат до нас на земя.

Но докато тези космически лъчи стигнат до Земята, е невъзможно да се проследи откъде са дошли. Това е така, защото пътят им е променен, докато пътуват през множество магнитни полета (галактиката, Слънчевата система и самата Земя.)

Учените се опитват да проследят произхода на космическите лъчи, като гледат от какво са направени космическите лъчи. Учените могат да разберат това, като разгледат спектроскопския подпис, който всяко ядро ​​излъчва в радиация, а също и чрез претегляне на различните изотопи (видове) на елементи, които попадат в детектори на космически лъчи.

Резултатът, добавя НАСА, показва много често срещани елементи във Вселената. Приблизително 90 % от ядрата на космическите лъчи са водород (протони) и 9 % са хелий (алфа частици). Водородът и хелият са най -разпространените елементи във Вселената и началото на звезди, галактики и други големи структури. Останалите 1 процент са всички елементи и от този 1 процент учените могат най -добре да търсят редки елементи, за да правят сравнения между различните видове космически лъчи. Сътрудничеството на обсерваторията Pierre Auger установи някои вариации в траекториите на пристигане на космическите лъчи през 2017 г., като даде някои намеци за това къде лъчите биха могли да възникнат.

Учените също могат да датират космическите лъчи по гледайки радиоактивни ядра, които намаляват с времето . Измерването на полуживота на всяко ядро ​​дава оценка за това колко дълго космическият лъч е бил там в космоса.

През 2016 г. космически кораб на НАСА откри, че повечето космически лъчи вероятно идват от (относително) близки клъстери от масивни звезди. Космическият кораб на агенцията Advanced Composition Explorer (ACE) открити космически лъчи с радиоактивна форма на желязо известен като желязо-60. Тъй като тази форма на космически лъчи се разгражда с течение на времето, учените смятат, че тя трябва да произхожда не повече от 3000 светлинни години от Земята-еквивалентното разстояние на ширината на локалния спирален ръкав в Млечния път.

Експеримент, наречен ISS-CREAM (Cosmic Ray Energetics and Mass) изстрелян на Международната космическа станция през 2017 г. . Очаква се той да работи в продължение на три години, като отговаря на въпроси като това дали свръхновите генерират повечето частици космически лъчи, когато частиците на космическите лъчи са възникнали и дали всички енергийни спектри, наблюдавани за космическите лъчи, могат да бъдат обяснени с един механизъм. МКС също е домакин на CALorimetric Electron Telescope (CALET) , който търси най-енергийните видове космически лъчи. CALET стартира там през 2015 г.

Космическите лъчи могат да бъдат открити и с балон, например чрез експеримента за запис на галактически елементи Super Trans-Iron (SuperTIGER), който включва участие от лабораторията за реактивни двигатели на НАСА и няколко университета. Той е летял няколко пъти, включително рекорден 55-дневен полет над Антарктида между декември 2012 г. и януари 2013 г. „С данните от този полет изучаваме произхода на космическите лъчи. По-конкретно, тествайки нововъзникващия модел на произхода на космическите лъчи в асоциациите на ОВ, както и модели за определяне кои частици ще бъдат ускорени, Това пише на уебсайта на SuperTIGER .

Гражданските учени също могат участва в търсенето на космически лъчи като се регистрирате на уебсайта crayfis.io. Там те ще се присъединят към експеримента CRAYFIS, проведен от Лабораторията за методи за анализ на големи данни (LAMBDA) към Националния изследователски университет Висше училище по икономика в Русия. Там изследователите изследват космическите лъчи с свръхвисока енергия, използвайки мобилни телефони.

Загриженост за космическата радиация

Магнитното поле и атмосферата на Земята предпазват планетата от 99,9 % от радиацията от космоса. Въпреки това, за хора извън защитата на магнитното поле на Земята, космическата радиация се превръща в сериозна опасност. Инструмент на борда на марсохода Curiosity Mars по време на 253-дневния си круиз до Марс разкри, че дозата радиация, получена от астронавт дори при най-краткото пътуване Земя-Марс, ще бъде около 0,66 сиверт. Тази сума е като да получавате компютърна томография на цялото тяло на всеки пет или шест дни.

Доза от 1 сиверт е свързана с 5,5 % увеличение на риска от фатален рак. Нормалната дневна доза радиация, получена от средностатистическия човек, живеещ на Земята, е 10 микрозиверта (0.00001 сиверт).

Луната няма атмосфера и много слабо магнитно поле. Живеещите там астронавти ще трябва да осигурят собствена защита, например като заровят местообитанията си под земята.

Марс няма глобално магнитно поле. Частиците от слънцето са отстранили по -голямата част от атмосферата на Марс, което е довело до много лоша защита срещу радиация на повърхността. Най -високото въздушно налягане на Марс е равно на надморска височина от 35 километра над земната повърхност. На ниски височини атмосферата на Марс осигурява малко по -добра защита от космическата радиация.

През 2017 г. НАСА направи някои подобрения в своята лаборатория за космическа радиация (разположена в Националната лаборатория Брукхейвън в Ню Йорк), за да направи повече проучвания за това как космическите лъчи могат да повлияят на астронавтите при дълги пътувания, включително до Марс. Тези подобрения позволяват на изследователите да променят по -лесно типовете йони и интензивността на енергията, благодарение на софтуерния контрол.