Libmonster ID: UA-1553

 Доктор физико-математических наук Б. А. ХРЕНОВ, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института ядерной физики (НИИЯФ) МГУ им. М. В. Ломоносова

стр. 12


Наблюдение небесных явлений, духовное общение с космосом издревле стало частью культуры народов. Среди таких объектов "падающие звезды" (метеоры) - одни из самых популярных благодаря тому, что они видны невооруженным глазом. Их светящиеся следы в ночном небе остаются и сегодня важным объектом исследований.

Оказывается, "падающие звезды" отличаются друг от друга происхождением. Одни из них возникают при попадании в атмосферу частичек космической материи той или иной величины (метеоры), летящих со скоростью в десятки километров в секунду В результате столкновения с молекулами воздуха они, удерживаемые вместе химическими силами, разваливаются с выделением тепла и света. Совсем другую природу имеет свечение, вызываемое элементарными частицами, "прибывшими" из далекого космоса и ускоренными до очень высоких энергий (их принято называть космическими лучами). Здесь уже о прямом горении речь не идет, так как силы, "скрепляющие" их вещество, несравненно сильнее химических. Что же происходит на самом деле?

Посланцы космоса, взаимодействуя с ядрами атомов атмосферы (в основном азота или кислорода), производят новые (вторичные) частицы. В свою очередь последние тоже сталкиваются с ядрами атомов атмосферы и появляется еще одно их поколение. В конечном счете возникает так называемый "ядерный каскад". Важнейшую роль в его развитии играют вторичные и К-мезоны, быстро распадающиеся на фотоны высокой энергии (гамма- кванты) * . При взаимодействии с составляющими атмосферы они рождают пару электрон-позитрон. А те при столкновениях воссоздают своих "родителей". В итоге в атмосфере Земли образуется каскад из электронов, позитронов и гамма-квантов. В целом этот интенсивный поток частиц, летящих со скоростью света, сосредоточен в условно ограниченном пространстве, имеющем форму диска, толщина и ширина которого определяются рассеянием частиц в атмосфере, и изменяются в зависимости от ее плотности. Скажем, на уровне моря и в горах толщина диска составляет всего несколько метров, а радиус - около ста. Но данные параметры не означают, что все частицы сосредоточены только в этом пространстве. Некоторые из них улетают и за несколько километров. Значительная ширина возни-


* См.: Л. Н. Смирнова. Симметрии и их нарушения в микромире. - Наука в России, 1997, N 6 (прим. ред.).

стр. 13


кающего образования дала название и всему каскаду - широкий атмосферный ливень (ШАЛ). Априори отметим: именно большая площадь диска позволила зарегистрировать первичные космические лучи огромной энергии - свыше 1 Дж.

В 1934 г. российский ученый П. А. Черенков (впоследствии академик) обнаружил, что заряженные частицы, летящие не в вакууме, а в веществе со скоростью, превышающей фазовую скорость света, испускают видимое излучение, направленное по их движению. Этому эффекту подчиняются электроны и позитроны каскада. Изучая испускаемый ими черенковский свет с помощью специальных приборов - детекторов, расположенных на большой площади, - можно количественно определить энергию первичных космических лучей и направление их прихода.

Черенковское излучение - не единственный источник света от диска ШАЛ. Его заряженные частицы при встрече с атмосферой "возбуждают" атомы и молекулы (т.е. электроны переходят на более высокие энергетические уровни) или даже ионизируют их (получается свободный электрон и положительный ион). Перечисленные процессы весьма близки к горению и, значит, можно сказать, что каскад частиц ШАЛ в конечном счете "сгорает" в атмосфере. Возбужденные атомы или молекулы воздуха довольно быстро (время их жизни в таком состоянии всего несколько тысячных микросекунд) и изотропно излучают свет (флуоресценция атмосферы). В результате диск частиц ШАЛ начинает светиться как метеор с той разницей, что скорость его перемещения равна скорости света ("релятивистский метеор"). Однако визуальному восприятию он не поддается. Для регистрации подобного явления необходимо использовать специальную камеру с зеркалом- концентратором сигнала площадью не менее 1 м 2 . Одним из первых в 1962 г. на возможность регистрации света флуоресценции от ШАЛ ультравы-

стр. 14


соких энергий обратил внимание академик А. Е. Чудаков.

Следует подчеркнуть: соответствующие наблюдения не являются самоцелью. Измеряя направление движения диска ШАЛ и яркость его флуоресцентного свечения, можно определить главные параметры первичной космической частицы: ее энергию и направление прилета.

Развитие современных технологий - детектирование слабых потоков света (использование фотоумножителей с усилением сигнала в миллионы раз), регистрация быстрых процессов (получение изображения с частотой развертки в десятки миллионов кадров в секунду) и применение зеркал-концентраторов большой площади позволили создать специальные оптические устройства - камеры для наблюдения "релятивистских метеоров".

Светящийся в атмосфере след космической частицы высокой энергии - весьма своеобразный объект наблюдения, практически единственный в своем роде. Его не только нельзя ни с чем спутать, но и имитировать - даже движение лидера искрового разряда молнии происходит со скоростью в сотни раз меньшей * . Эта особенность позволяет выделить сравнительно слабое свечение диска ШАЛ на фоне других явлений ночного неба.

Первые необходимые измерения были проведены с помощью специальных флуоресцентных детекторов, состоящих из отдельных узконаправленных элементов, расположенных так, что все сооружение напоминает глаз мухи. Не случайно такая установка в Университете штата Юта (США) так и была названа - "Глаз мухи" (Fly's Eye). По сравнению с другими детекторами ШАЛ она позволяет наблюдать значительно большую площадь. Именно это свойство, а также удачное местоположение (пустынная местность с хорошей прозрачностью атмосферы, свободная от световых помех) и привели к регистрации элементарной частицы с энергией 30 Дж - самой энергичной из известных до сих пор.

Несмотря на большие успехи, достигнутые в изучении ШАЛ с помощью подобных установок, их возможности оказались ограничены. Преградой стало то, что прозрачность атмосферы в горизонтальном направлении на поверхности Земли (а именно там приборы и размещены) низка. Выходит, для слежения за большими площадями столь дорогостоящие детекторы необходимо помещать через каждые 30 км. Но ведь наша планета состоит не из одних пустынь, поэтому такой путь не реален.

Однако в этом плане неоценимый подарок ученым преподнесло освоение космоса. Оказывается, если детектор флуоресценции атмосферы поместить на спутнике Земли и наблюдать "релятивистские метеоры" оттуда, то для исследований открываются практически неограниченные перспективы. Дело в том, что атмосфера нашей планеты при наблюдении из космоса очень прозрачна (особенно удобен для наблюдения верхний ее слой, выше облаков, где ШАЛ выделяет большую часть своей энергии) и обозреваемая площадь зависит только от высоты орбиты спутника и угла обзора детектора. Скажем, прибор с углом обзора 120, установленный на Международной космической станции (высота орбиты в среднем 400 км), "видит" площадь около 1 млн. км 2 .

Сегодня в ряде стран уже разрабатывают конструкции орбитальных детекторов. Занимается этой работой и наш институт. Мы подготовили проекты двух экспериментов: один под условным названием "Трековая установка" (ТУС), другой - "Космические лучи предельно высоких энергий" (КЛПВЭ). Цель их - исследование космических лучей ультравысоких энергий, т.е. выше 1 Дж.

Основными элементами задуманного прибора служат сегментированное зеркало-концентратор и фотоприемник в его фокусе. Причем у этого зеркала есть одна особенность - на Земле оно компактно упаковано, а после доставки на орбиту разворачивается до больших площадей (ТУС - 1,5; КЛПВЭ - до 10 м 2 ). Как работает такой детектор? Свет, "схваченный" зеркалом, собирается в его фокусе, где расположен фотоприемник, состоящий из быстрых фотоэлектронных умножителей - приборов, в каждом из которых световые лучи превращаются в электрический сигнал. Его амплитуда и время преобразуются в цифровой код, поступающий в компьютер. Последний анализирует всю информацию и реконструирует картинку движения диска частиц ШАЛ в поле зрения детектора.

С помощью этого орбитального "глаза" можно будет наблюдать "релятивистские метеоры" на площади в десятки тысяч квадратных километров, но на ночной стороне Земли. Кстати, такие установки способны регистрировать не только след флуоресцирующего диска ШАЛ, но и отраженный от облаков (или поверхности Земли) че-

Схема зеркала:

1- зеркальные сегменты;

2 - лучи света.


* См.: А. А. Перунов и др. Теперь молнии не страшны. - Наука в России, 2000, N 2 (прим. ред.).

стр. 15


ренковский свет ШАЛ. Полученные данные дополнят информацию о первичной частице и позволят определить положение трека "релятивистского метеора" относительно поверхности Земли.

Вообще такое явление, как "релятивистский метеор", представляет исключительный интерес для понимания фундаментальных основ строения микро- и макромира. Космические частицы, наблюдаемые как "метеоры", обладают энергией (или в "релятивистском" понимании - массой) в миллионы раз большей, чем можно получить на самых современных ускорителях. Мы пока не знаем, как работает их "космический собрат". Ведь только исключительно редкие далекие объекты с известными размерами и силой магнитных полей способны удержать в области ускорения частицы с энергией более нескольких джоулей. Как сделать то же самое в земных условиях - тайна за семью печатями.

Помимо всего прочего, существование космических частиц с энергией выше 8 Дж (сегодня их зарегистрировано более десятка) противоречит равномерному распределению их источников по Вселенной. В 1966 г. было экспериментально доказано существование электромагнитного излучения, оставшегося после Большого взрыва (реликтовое излучение) и равномерно в основном ее заполняющего. Тогда же российские ученые Г. Т. Зацеп ин (впоследствии академик) и В. А. Кузьмин и независимо от них К. Грейзен (США) показали, что протоны с энергией выше 8 Дж взаимодействуют с реликтовыми фотонами и быстро поглощаются. Расстояния, на которых это не происходит, в масштабах Вселенной невелики - всего 50 мегапарсек * . Размеры изученной части мироздания на сегодняшний день составляют 1000 мегапарсек, значит, более отдаленные источники частиц не наблюдаются.

Однако в этой истории есть две загадки. Во-первых, на указанных расстояниях трудно найти космический объект, способный ускорить частицы до таких энергий. Во-вторых, направление прилета зарегистрированных протонов не совпадает ни с одним из объектов, хотя бы отдаленно приближающимся по своим данным к кандидату на такой ускоритель.

Не так давно отечественные и зарубежные ученые пришли к неожиданному выводу: зарегистрированные частицы вообще никогда не были ускорены. Они - результат распада так называемых пра-частиц с огромной массой около 10 эВ (для сравнения скажем: самые тяжелые из сейчас известных - бозоны - имеют массу 10" эВ), давно предсказанных в теории единого происхождения всех известных в природе взаимодействий (так называемых частиц "великого объединения"). И теоретики считают: хотя после Большого взрыва основная масса вещества перешла в состояние, которое наблюдается в настоящее время, на отдаленных участках Вселенной материя сохранилась в исходном положении, т.е. состоит из пра-частиц.

Собранная на сегодняшний день информация о "релятивистских метеорах" склоняет ученых именно к этой версии. Появившаяся возможность наблюдать их из космоса позволяет поставить совсем фантастическую задачу - экспериментально исследовать состояние вещества на стадии первых мгновений его существования.

В заключение отметим: эксперименты "Трековая установка" и "Космические лучи предельно высоких энергий" наш институт выполняет совместно с физиками Объединенного института ядерных исследований (Дубна) и ряда университетов Мексики.

Схема детектора ТУС:

1, 2 - фотоэлектронные умножители;

3 - ряды фотоэлектронных умножителей;

4 - фотоприемник в фокусе зеркала.


* Мегапарсек - единица измерения космических расстояний, равная миллиону парсек; один парсек равен 3,26 световых лет или 3,086 х 10 13 км (прим. ред.).


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/-РЕЛЯТИВИСТСКИЕ-МЕТЕОРЫ

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Бельбек ТахумовContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/Scientist

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

"РЕЛЯТИВИСТСКИЕ МЕТЕОРЫ" // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 17.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/-РЕЛЯТИВИСТСКИЕ-МЕТЕОРЫ (date of access: 01.12.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
Rating
0 votes
Related Articles
А вообще весь этот кейс с комиками во власти заставил понять, что киношный сценарий разительно отличается от реальной большой политики, где побеждает трезвый, незамутненный запрещенными веществами ум, холодный расчет и опыт – как обязательные составляющие личности, дерзающей определять путь миллионов человек.
Catalog: Разное 
18 hours ago · From Naina Kravetz
Когда менять резину на зимнюю в 2021 году?
Yesterday · From Україна Онлайн
Запрещает ли PayPal азартные игры?
Catalog: Экономика 
2 days ago · From Україна Онлайн
IN THE INTERESTS OF ENERGY STABILITY
7 days ago · From Україна Онлайн
Аварии на топливе Westinghouse случались и ранее, начиная с 1979 года, когда произошла крупнейшая в истории США авария на АЭС Три-Майл-Айленд, в результате которой зафиксировано расплавление 50% активной зоны реактора. Далее Westinghouse делала попытки торговать с Чехией, однако опасные эксперименты по замене оригинального топлива окончились досрочной его выгрузкой из 1-го энергоблока АЭС Темелин в январе 2007 года, по причине его сильной деформации. Вышедшие из строя вэстингхаусовские тепловыводящие сборки на 3-м энергоблоке Южно-Украинской АЭС были в экстренном порядке заменены на стандартные ТВЭЛовские.
Catalog: Экология 
8 days ago · From Naina Kravetz
HISTORY OF ROADS AND GROUND TRANSPORT ACCORDING TO ARCHEOLOGICAL DATA
Catalog: История 
10 days ago · From Україна Онлайн
BASIC UNIT FOR THE AMERICAN ACCELERATOR
10 days ago · From Україна Онлайн
TRANSITION TO CONTROLLED EVOLUTION OF THE BIOSPHERE
Catalog: Биология 
10 days ago · From Україна Онлайн
DEVONIAN PALEOSOILS OF THE ANDOMA MOUNTAIN
10 days ago · From Україна Онлайн
Безопасно ли брать кредит в Интернете?
Catalog: Экономика 
11 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
"РЕЛЯТИВИСТСКИЕ МЕТЕОРЫ"
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones