Автор: Кужевский Б. М.

Кандидат физико-математических наук Б.М. КУЖЕВСКИЙ,

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына (НИИЯФ) Московского государственного университета

Все, что происходило и происходит на Земле, включая возникновение и эволюцию жизни, геологические и климатические изменения, обусловлено энергией Солнца. Вот почему исследования нашего светила, процессов, протекающих в нем и вокруг него, чрезвычайно важны.

С давних пор человек замечал на поверхности Солнца темные пятна. Они принимали разные формы, имели неодинаковую площадь, число их менялось во времени. Сейчас мы хорошо знаем: эти пятна - проявление процессов на огнедышащем шаре. Исследование их позволило установить существование цикличности его активности. Она проявляется в периодическом изменении как различных параметров, характеризующих темные пятна, так и электромагнитного излучения самого светила. Наиболее изученный цикл этой активности - так называемый 11-летний период.

Другим впечатляющим явлением, которое открыто свыше 100 лет назад, стала хромосферная вспышка (ныне употребляют термин "солнечная вспышка") - спорадическое выделение в части атмосферы Солнца (хромосфере) огромного количества энергии, равного одновременному взрыву 100 млн. ядерных бомб в одну килотонну каждая. Последующие наблюдения дали повод утверждать: хромосферная вспышка простирается далеко за пределы собственно хромосферы, охватывая и низкие, и высокие области атмосферы Солнца - его фотосферу и корону. Выделение же при этом колоссальной энергии происходит как в виде газодинами-

стр. 4

ческих движений солнечной плазмы, так и электромагнитного излучения в широчайшем диапазоне - от радиоволн до гамма- квантов в сотни миллионов электрон-вольт и генерации частиц солнечных космических лучей (СКЛ) в десятки миллиардов электрон-вольт (энергетический спектр СКЛ).

Относительную концентрацию разных ядер в СКЛ определяют три условия: химический состав оболочки Солнца, особенности процесса ускорения и ядерные реакции между быстро летящими частицами и веществом солнечной атмосферы. К настоящему времени в различных по энергетике вспышках (измеряются в баллах) экспериментально наблюдались ядра элементов от водорода до железа (зарядовый спектр СКЛ). Естественно, что абсолютный поток энергичных частиц и диапазон энергетического спектра СКЛ связаны с мощностью этого явления. Но ученых волновали и дру-

стр. 5

гие чрезвычайно важные вопросы:

неужели потоки ускоренных частиц от солнечной вспышки возникают внезапно? Не предваряются ли они менее значительными потоками как по величине, так и по энергетическому диапазону?

Согласно нынешним представлениям, эволюция активной области сопровождается увеличением плотности магнитной энергии в ней. В конце концов происходит стремительное разрушение сложной конфигурации этой активной области, сопровождающееся генерацией СКЛ. Представить же, что процесс накопления энергии в активной области до плотностей, когда наступает "переливание" одного ее вида в другой, станет происходить спокойно, было трудно. И действительно, когда в межпланетном пространстве удалось разместить регистрирующую аппаратуру на постоянной основе, ученые обнаружили: перед вспышкой СКЛ в среднем в течение суток начинают регистрироваться частицы относительно малых энергий. Это явление получило название "предвспышечное возрастание".

Наиболее полно оно было изучено сотрудниками отдела космофизических исследований нашего института в начале 80-х годов XX в., а также подтверждено наблюдениями отечественных спутников серии "Прогноз", американскими и западноевропейскими космическими аппаратами "IMP", "Гелиос". Установлено: этот поток может либо монотонно увеличиваться до самого прихода частиц СКЛ, либо возрастать на определенную величину за относительно короткое время и затем практически не меняться до появления этих частиц.

Предвспышечный эффект выявлен как в протонной и электронной компонентах, так и в потоке ядер гелия. Несомненно, он существует и в потоке тяжелых ядер, хотя для его обнаружения требуются приборы с большей светосилой, чем у применяемых ранее. Наблюдения за предвспышечным увеличением малоэнергичных частиц можно использовать для повышения достоверности предсказания радиационной обстановки в межпланетном пространстве. Первые работы в этом направлении показали: вероятность точного прогноза возросла до 85-90%.

Обнаружение предвспышечного явления подтвердило нашу гипотезу о том, что ускорение частиц в солнечной атмосфере протекает практически непрерывно. Варьируется лишь мощность этого процесса. Поэтому понятия "спокойное" или "активное" Солнце относительны и неточно отражают его состояние.

Анализ результатов взаимодействия энергичных частиц СКЛ с ядрами химических элементов атмосферы нашего светила, детально осуществленный в начале 1967 г. сотрудниками НИИЯФа МГУ и НАСА, существенно изменил бытовавший ранее взгляд на роль этого процесса в формировании изотопного и элементного состава СКЛ. Стало очевидно, что ядерные реакции, протекающие в солнечной атмосфере при участии энергичных частиц, могут привести к заметному изменению в СКЛ соотношения между различными изотопами по сравнению с их исходным составом. Особенно это относится к так называемым редким элементам (литий, бериллий, бор), само присутствие которых во вспышечных частицах, вероятнее всего, обусловлено ядерными процессами между энергичными первичными ядрами углерода, кислорода, азота и ядрами водорода атмо-

стр. 6

сферы Солнца. Но даже изотопный состав такого обильного в природе элемента, как гелий, не одинаков в СКЛ и солнечной атмосфере. Причин здесь две: ядерные взаимодействия и вероятностная селективность, избирательность процесса ускорения энергичных частиц. Механизм последнего детально изучили сотрудники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт- Петербург).

Естественно ожидать, что результатом ядерных превращений будет присутствие среди энергичных частиц от солнечной вспышки не только стабильных, но и радиоактивных изотопов. Правда, из последних можно наблюдать на орбите Земли лишь такие, период полураспада которых достаточно велик - не меньше нескольких суток. Однако теоретический анализ совершенно неожиданно показал: для некоторых химических элементов поток радиоактивных изотопов в СКЛ будет выше потока стабильных. Такая ситуация вытекала из расчетов, проведенных еще в 1967 г. в нашем институте, в частности, для ядер бериллия и кобальта. Поток этих элементов должен был в основном состоять из радиоактивных ⁷ Bе и ⁵⁶ Со. Экспериментальное подтверждение данного факта мы получили лишь сейчас, спустя 34 года, с совершенно неожиданной стороны - при изучении проблем космического материаловедения.

Во время гамма-спектрометрического исследования в 1990 г. состояния пластин из различных материалов, которыми был покрыт цилиндр длиной 9 и диаметром 3 м (эксперимент LDEF), американские специалисты обнаружили большую концентрацию ^е. Кстати, этот цилиндр почти шесть лет находился в открытом космосе на высоте в среднем 350 км. И в течение всего времени полета его положение в пространстве было строго ориентировано.

В итоге ученые установили, что распределение радиоактивного бериллия - необычное. Большая его концентрация наблюдалась лишь на тех пластинах, которые были на передней по вектору скорости стороне. Отсюда вывод: данный химический элемент находился в тепловом равновесии с веществом верхней атмосферы Земли и просто собирался, прилипал к пластинам. Естественно, возникли вопросы: как это могло произойти? Откуда в верхней атмосфере нашей планеты появился радиоактивный бериллий?

Дальнейшее изучение обнаруженного факта проводили совместно американские и российские специалисты. С 1996 г. сотрудники отдела космофизических исследований НИИЯФа МГУ с помощью искусственных спутников Земли серии "Космос" и "Ресурс" ведут непрерывные наблюдения в верхней атмосфере нашей планеты (на высоте примерно 200 км) за радиоактивным ⁷ Bе, чтобы выяснить природу его образования. В гипотезах недостатка нет. Некоторые ученые утверждают: он может появляться в земной атмосфере в результате ядерных взаимодействий галактических космических лучей с кислородом и азотом атмосферы Земли. В этом случае его

стр. 7

концентрация должна испытывать временные вариации, характерные для галактических космических лучей, т.е. быть в антикорреляции с солнечной активностью.

Другие исследователи убеждены: ⁷ Be может возникать в результате ядерных взаимодействий во время вторжения в земную атмосферу энергичных частиц от солнечных вспышек. Тогда его концентрация должна, наоборот, находиться в прямой корреляции с ростом активности светила.

Словом, кажется все просто: установи временную зависимость концентрации ⁷ Be в верхней атмосфере Земли, и природа его возникновения станет ясной. Но, увы, существует определенная трудность. Дело в том, что радиоактивный бериллий появляется в атмосфере нашей планеты по вышеуказанным причинам, т.е. образуется как таковой, а затем приходит в тепловое равновесие с окружающей средой на высотах, гораздо меньших, чем высоты искусственных спутников, - порядка десятков километров. Тогда должен существовать некий механизм "заброса" его ядер, образующихся на малых высотах, на орбиты спутников. Если он будет обнаружен, это спутает все карты, поскольку данный процесс может обладать собственными временными характеристиками, отражающими либо его сложную связь с циклом солнечной активности, либо не имеющий ее вовсе.

Однако прежде чем выбрать ту или иную гипотезу, пришлось вспомнить о существовании еще двух возможных объяснений присутствия радиоактивного ⁷ Be в верхней атмосфере Земли. В СКЛ должны быть радиоактивные изотопы, генерированные в ядерных реакциях между средними и тяжелыми энергичными ядрами и водородом солнечной атмосферы. Энергия основной доли таких вторичных ядер составит единицы и десятки МэВ на нуклон. С одной стороны, ее достаточно, чтобы ядро смогло преодолеть барьер, создава-

стр. 8

Пример предвспышечного возрастания потока малоэнергичных частиц в межпланетном пространстве, зарегистрированного искусственным спутником "Прогноз" 29 октября 1972 г.

Внизу на рисунке - движение по диску Солнца активной области, связанной с предвспышечным возрастанием, где произошла вспышка.

По оси ординат: скорость счета протонов с энергией 1-5 МэВ.

Поток протонов с энергией больше 10 МэВ и больше 30 МэВ. Гелиодолготы активной области.

емый земной магнитосферой, и проникнуть вглубь атмосферы. С другой же, поскольку оно многозарядное, то быстро затормозится и вступит в тепловое равновесие с земной атмосферой на достаточно большой высоте, чтобы затем оказаться на высотах искусственных спутников. Выходит, зарегистрированный в атмосфере Земли радиоактивный бериллий - солнечного происхождения. Тогда предсказанная в 1967 г. возможность эффективного образования радиоактивных элементов в СКЛ получает экспериментальное подтверждение.

Впрочем, ⁷ Be, выявленный на высотах полета спутников в земной атмосфере, имеет и другие признаки солнечного происхождения. Как следует из расчетов, проведенных российскими и американскими специалистами независимо друг от друга, концентрация бериллия в атмосфере нашего светила, возможно, вообще определяется радиоактивным изотопом ⁷ Be. Тогда он может присутствовать в солнечном ветре, вместе с ним достигать орбиты Земли и проникать через полярные области в ее верхнюю атмосферу

Выбрать между первой и второй группой гипотез наиболее верную нелегко. Для этого необходимо обнаружить в атмосфере нашей планеты элемент, который не может возникнуть в результате ядерных реакций между галактическими или солнечными космическими лучами и элементами атмосферы Земли. На его роль вполне подходит радиоактивный кобальт ( ⁵⁶ Со), который также должен образовываться среди вторичных изотопов СКЛ.

Если же выяснится, что происхождение в земной атмосфере ⁷ Be связано с солнечным ветром, то это подтвердит развиваемые нами представления о том, что ядерные взаимодействия между СКЛ и веществом атмосферы нашего светила существенно влияют на химический и изотопный состав последней. А поскольку процесс ускорения энергичных частиц в ней можно считать квазинепрерывным, то фактически оказывается: здесь идет постоянная "переработка" первичного вещества. Того самого, из которого миллиарды лет назад возникло само Солнце и окружающие его планеты ^* .

Более того, в ходе многочисленных определений химического состава атмосферы нашего светила был обнаружен странный на первый взгляд факт. Если исходить из существующих представлений о естественной распространенности химических элементов в природе, то бериллия на Солнце должно быть меньше, чем, например, ли-

^* См.: Г.Н. Васенин. Как рождалась Солнечная система? - Наука в России, 1999, N 5 (прим. ред.).

стр. 9

Солнечная гамма-вспышка.

Спектр гамма-излучения, полученный одновременно аппаратурой с космических кораблей "Венера-13" (1) и "Венера-14" (2). Хорошо видно, что в районе энергий квантов 0,4-0,6 МэВ нарушается обычный (степенной) вид спектра гамма-излучения. Это связано с "включением" другого механизма генерации гамма-квантов.

тия. Однако дело обстоит иначе. В солнечной атмосфере бериллия не только не меньше, чем лития, но само отношение их концентраций постоянно меняется, причем в согласии с циклом активности светила: когда она высокая и количество мощных вспышек возрастает, отношение концентраций бериллия к литию явно больше единицы; в противном случае оно уменьшается. Все это можно понять, лишь учитывая возможность образования данных элементов в солнечной атмосфере.

Следует также иметь в виду, что среди изотопов бериллия есть один стабильный - ⁷ Be и два радиоактивных - ⁷ Be (период полураспада около 53 суток) и 'Ве (период полураспада свыше одного миллиона лет). Эффективнее всего в ядерных процессах образуется лишь самый легкий из них - ⁷ Be. Связано это прежде всего с тем, что при взаимодействии энергичных частиц СКЛ (основную роль здесь играют ядра водорода) с ядрами наиболее часто встречающихся средних и тяжелых элементов, составляющих атмосферу Солнца (углерод, азот, кислород, железо), вероятность образования ⁷ Be из всех изотопов бериллия самая высокая. Кроме того, очень существенно, что он может возникать при так называемых реакциях ядерного синтеза элементов, когда в результате взаимодействия (слияния) двух легких ядер образуется более тяжелое.

Среди таких элементов следует назвать прежде всего гелий. По своей концентрации он уступает лишь водороду. В природе гелий представлен двумя изотопами - ⁴ Не (самый распространенный) и ³ Hе (более редкий). При взаимодействии двух ядер первого рождаются изотопы лития и ⁷ Be.

Результат возникновения ⁷ Be при взаимодействии изотопов ⁴ Hе и ³ Hе существенен, ибо определяется так называемой экзотермической (энергетически беспороговой) реакцией. Она может протекать фактически даже при нулевой энергии взаимодействия. Иными словами, изотоп ⁷ Be непрерывно возникает в атмосфере Солнца. С другой стороны, ввиду того, что у него сравнительно небольшое время жизни, при изменении солнечной активности в процессе 11-летнего цикла его концентрация будет уменьшаться. Кроме того, следует заметить: роль радиоактивного изотопа ⁷ Be для солнечной атмосферы и межпланетной среды как возможно основного "виновника" образования изотопа ⁷ Li будет выяснена, когда его окончательно зарегистрируют в солнечном ветре. К этому надо добавить: ядерные реакции синтеза элементов при малых энергиях взаимодействия оказываются чрезвычайно важными не только для образования химических элементов в природе, в частности в атмосферах звезд и нашего светила, но и являются одним из важнейших источников его гамма-излучений.

Напомним, проблемами солнечной гамма-астрономии стали заниматься с 70-х годов прошлого столетия ученые США, России (ранее СССР), ФРГ, Японии, Китая и др. Первый успешный теоретический анализ этих проблем, получивший на редкость точное подтверждение в американском космическом эксперименте при наблюдении гамма-излучения от мощных солнечных вспышек в августе 1972 г., был выполнен в нашем институте еще в 1967 г. ^* Исследования по гамма-астрономии подтвердили относитель-

^* См.: М.И. Панасюк. Прорыв в космос. - Наука в России, 2000, N 4 (прим. ред.).

стр. 10

ность понятия "спокойное Солнце", ибо даже в этом состоянии в его атмосфере имеется достаточно возможностей для ускорения частиц ядер различных химических элементов до энергий в несколько миллионов электрон-вольт. Этого хватает для осуществления реакций синтеза. Образованные при этом ядра являются источником гамма-излучения Солнца в интервале энергий квантов от 400 кэВ до 3 МэВ.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями солнечного гамма-излучения давно и успешно занимаются сотрудники таких российских учреждений, как Институт космических исследований РАН, Московский инженерно- физический институт, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, НИИЯФ МГУ.

Было установлено: при взаимодействии СКЛ с веществом солнечной атмосферы в возбужденное состояние переходят не только ядра ее элементов, но и те, которые находятся в СКЛ, т.е. частицы, движущиеся с огромными скоростями. Такое состояние снимается гамма-излучением. Но поскольку ядра имеют также значительные скорости, то происходит "расширение" энергетического диапазона излучения. Данное явление хорошо известно в волновых процессах любой природы как эффект Доплера. На него применительно к гамма-линиям от солнечной вспышки в 1974 г. указали сотрудники отдела астрофизики Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

Как следует из экспериментальной ядерной физики, реакции синтеза элементов могут протекать при относительно малых энергиях взаимодействующих частиц. Такие возможности очень часто осуществляются в солнечной атмосфере. Исходя из результатов анализа, впервые проведенного сотрудниками нашего института, можно утверждать: синтез элементов в атмосфере Солнца фактически протекает непрерывно. При этом здесь присутствуют практически все известные в природе исходные элементы.

Синтезированное ядро, как правило, "заявляет" о себе испусканием характерного гамма-кванта. Однако при современных возможностях можно наблюдать лишь те из них, что образовались при столкновении достаточно обильных в атмосфере Солнца исходных элементов - водорода, гелия, углерода, азота, кислорода, неона, железа. В процессе самого синтеза возникает огромное количество гамма-квантов со столь малой разницей энергии, что требуется специальная и дорогостоящая аппаратура для их раздельного наблюдения. Например, при взаимодействии ядер углерода и кислорода синтезированные изотопы - кремний, алюминий, неон, магний, натрий и др. - излучают в диапазоне энергий 0,4 МэВ - 3 МэВ около 100 различных по энергии квантов. Плотность "заполнения" ими этого энергетического диапазона в данном случае столь велика, что вполне уместно говорить о генерации квазинепрерывного гамма-спектра в процессе синтеза элементов.

Среди продуктов ядерных реакций довольно часто присутствуют и нейтроны. Возникая в атмосфере Солнца во время различных активных процессов, они быстро достигают теплового равновесия с окружающей средой, после чего эффективно захватываются, в основном, водородом. В результате синтезируется дейтерий. В одной солнечной вспышке его образуется в среднем около 1 т. Образовавшееся ядро дейтерия "успокаивается", испустив гамма-квант с энергией 2,223 МэВ. Этот процесс получил название - радиационный захват нейтрона.

Особый интерес к регистрации гамма-квантов, излучаемых при радиационном захвате нейтрона ядром водорода, вызван тем, что происходит это на больших глубинах солнечной атмосферы. Выходит, гамма-кванты с энергией 2,223 МэВ содержат уникальную информацию о состоянии солнечной плазмы на этих глубинах. Кроме того, временной ход гамма- излучения от радиационного захвата нейтрона ядром водорода солнечной плазмы несет в себе информацию об энергетических спектрах как генерированных нейтронов, так и ускоренных при вспышке частиц. Найти возможность разделить эти каналы информации, значит, получить новый источник сведений об активных процессах на Солнце. Данное направление исследований сейчас активно разрабатывается в России, Китае, Японии и США.

В настоящее время гамма-излучение, генерированное при радиационном захвате нейтрона водородом, хорошо регистрирует бортовая аппаратура космических кораблей и спутников. Благодаря чему в ряде случаев удалось установить распределение плотности плазмы Солнца по глубине. Стало ясно: во время вспышки данный показатель отличается от стандартной модели. При этом в плазме образуются локальные уплотнения. Они появляются как под фотосферой, так и над ней. Конечно, радиационный захват нейтрона может происходить на ядрах не только водорода, но и более тяжелых элементов. Однако зарегистрировать характеристическое гамма-излучение пока не удалось.

Кстати сказать, нейтроны, возникающие при ядерных взаимодействиях во время различных по мощности активных процессах на Солнце, распространяются не только вглубь его атмосферы, но если энергия нейтрона к тому моменту превышает 2 кэВ, выходят в межпланетное пространство. Тогда у Солнца и возникает нейтронная корона ^* . Поскольку нейтрон - частица нестабильная (он живет около 15 мин), то наблюдать корону с орбиты Земли невозможно, надо приблизиться к Солнцу. Предполагается, что ее можно увидеть при подлете к Меркурию.

Следует иметь в виду, что лишь нейтроны с энергией более 100 МэВ способны преодолевать расстояние до Земли без особых потерь для величины их потока. Подобные частицы возникают во время мощных вспышек на Солнце и при взаимодействии высокоэнергичных галактических космических лучей с солнечной атмосферой. Регистрация этих нейтронов открывает нам уникальную возможность зондировать пространство буквально вблизи самого светила, т.е. в тех местах, куда никакой космический корабль никогда не приблизится.

Иллюстрации предоставлены автором

^* См.: Б.М. Кужевский. Гравитация небесных тел и нейтронные потоки. - Наука в России, 2001, N 5 (прим. ред.).

Permanent link to this publication: