Вариации на тему вариаций

космический луч

Нет, ничего «музыкального» в этой статье не будет. Не будет фуг, кантат и симфоний. Но вариации будут. Вариации космических лучей. Довольно обширная область в науке о космических лучах. И если моих коллег физиков-ядерщиков интересует в основном жизнь микромира, то мы — «вариационщики» вторгаемся вместе с астрономами и космонавтами, так сказать, в большой мир — макрокосм. Частицы космических лучей, вечные странники, свидетели и участники титанических процессов, потрясающих ближние и отдаленные уголки Вселенной, могли бы многое порассказать. Задача в том, чтобы научиться их «расспрашивать». Удалось это далеко не сразу.

Вариация 1. Ошибки, оказавшиеся полезными

Всего восемьдесят лет назад было вообще еще не ясно, действительно ли космические лучи — космические. Нужно было еще доказать, что они приходят сверху, а не снизу — из земных глубин. Ученые — петербургцы Мысовский и Тувим, наблюдая за изменением интенсивности тогда еще таинственного потока частиц, открыли первую четкую и ясную вариацию: поток космических лучей уменьшался на треть процента всякий раз, когда повышалось на миллиметр ртутного столба атмосферное давление! Теперь уже было ясно, что космические лучи проходят толщу земной атмосферы. Причем в воздухе они задерживались чуть-чуть слабее, чем, хорошо уже известные в то время гамма-лучи от радиоактивных элементов. Отсюда был сделан вывод: первичные космические лучи, не доходящие до поверхности земли, состоят из квантов гамма-лучей, только очень энергичных. Это была ошибка.

Но эта ошибка оказалась в какой-то степени полезной: с нее начинается история целеустремленных поисков суточных вариаций космических лучей.

Вариация 2. Каверзная статистика, или еще одна «полезная» ошибка

Вот как это произошло. Раз космические лучи — это гамма-кванты, то есть электромагнитные волны, — рассуждали ученые, — значит, они должны распространяться, как свет, — с его скоростью и по прямой. Значит, можно найти источник, откуда они приходят на Землю. И начались эксперименты. Десятки, сотни…

Земля, как известно, вращается вокруг собственной оси, и потому приборы, где бы на планете они ни находились, делают за сутки один оборот. Если источник космических лучей — Солнце, то была бы вариация в одни солнечные сутки, то есть в определенное время в потоке радиации с неба был бы заметен регулярный всплеск. Если источник — звезда, то период вариации был бы равен звездным суткам (они чуть короче солнечных).

И действительно, открытия источников космических лучей последовали одно за другим. Самое интересное, что эти «открытия» часто вопиюще противоречили друг другу и не подтверждались при проверочных наблюдениях. Ошибка была в том, что за достоверную вариацию, как правило, принималось случайное отклонение числа частиц от «среднего». Тут вступают в действие законы статистики. Социологи, институты общественного мнения знают: чем меньше группа опрошенных, тем больше вероятность, что результат опроса будет случайным, на нем нельзя будет строить никаких выводов. Именно так и получилось с суточными вариациями в тридцатые годы. Площади приборов были малы, и они могли «опросить» только небольшое число небесных гостей…

Неудача обескуражила ученых на какое-то время. Было решено, что солнечно-суточных и звездно-суточных вариаций, возможно, не существует вообще. Это была еще одна ошибка (много позднее эти вариации, правда, очень слабые, были открыты — я об этом расскажу), но и эта ошибка оказалась в каком-то смысле полезной.

А пока получалось, что поток космических лучей равномерно, изотропно обдувает планету со всех сторон. Это поставило под сомнение гамма-квантовую теорию космических лучей.

Вариация 3. Космический ветер с запада довлеет над космическим ветром с востока.

В самом деле, если космические лучи — это гамма-кванты, то понять их изотропность невозможно. Это было бы все равно, как если бы мы видели не ночное небо с мириадами светлых точек — звезд, а матово сияющий небосвод.

Что же рассеивает и перемешивает космические лучи в пространстве? Довольно скоро утвердилась точка зрения, что это «что-то» — магнитные поля, а сами первичные космические лучи — это заряженные частицы.

Но как это проверить? До дна воздушного океана первичные космические лучи не доходят, а вторичные одинаково выбиваются из атомов атмосферы и частицами, и гамма- квантами. До космических ракет дело тогда еще не дошло. На помощь пришла пространственная вариация космических лучей, предсказанная еще в начале прошлого столетия шведом Штермером, так называемый широтный эффект.

Земля — магнит с двумя полюсами. Чем ближе к экватору, тем больше заряженные частицы должны отклоняться от своих траекторий. Ближе к полюсам магнитные силовые линии как бы «втыкаются» в Землю — и уже не мешают, а скорее помогают заряженным частицам приблизиться к планете.

По теории Штермера, в район экватора могли приходить только частицы с энергией больше 15 миллиардов электрон-вольт, на широте Москвы этот нижний предел был не таким строгим — 2,5 миллиарда электрон- вольт. А около Мурманска даже 0,1- миллиардные частицы вполне способны долететь до атмосферы и вызвать в ней ливень вторичных космических лучей. На морских судах, самолетах, на десятках станций Северного и Южного полушарий «ловили» этот эффект. И он действительно был обнаружен. Итак — частицы. Но какие, какого знака?

Тут должна была помочь другая пространственная вариация — восточно-западный эффект. Космические лучи так заворачиваются магнитным полем, что в атмосферу положительные частицы должны влетать в основном с запада, а отрицательные — с востока. Значит, если интенсивность вторичных космических лучей, приходящих в приборы исследователя с запада и востока, одинакова, то положительных и отрицательных частиц в космосе поровну, как в обычном веществе.

Но оказалось, что это не так. Ветер космических лучей с запада явно довлеет над восточным. Итак, первичные космические лучи — положительного заряда. Это — ядра различных атомов — водорода (протоны), гелия, лития и т. д. Лишь на один-два процента, как это выяснилось уже в эру спутников, космические лучи составлены из электронов и (все-таки!) гамма-квантов.

Вариация 4. «Ветер» затылок.

«Космики» не оставляли попытки обнаружить суточные вариации. Еще в тридцатые годы стало ясно, что если они и существуют, то не могут превышать одного процента от общего фона изотропного космического излучения. Чувствительность приборов медленно, но верно приближалась к этой величине. Казалось, они вот-вот зарегистрируют долгожданный всплеск космического излучения, приходящий с определенного направления. Почему же, несмотря на крах гамма-квантовой теории космических лучей, ученые ждали суточных вариаций?

Будем рассуждать так: допустим, Земля движется в пространстве, абсолютно изотропно заполненном летящими частицами космических лучей. Но даже в этом случае одна вариация все же оставалась бы. Земля, как спринтер, бегущий по гаревой дорожке, должна получать «в лицо» встречный «ветер» космических лучей. А раз Земля вертится, то этот «ветер» должен проявляться в момент, когда какая-нибудь точка земной поверхности выныривает из ночи на линию восхода — в 6 часов утра по местному времени. Ученые ждали и искали шестичасовую вариацию, но так и не нашли. Наоборот, оказалось, что Земля получает не встречный «ветер» космических лучей, а подхлестывающий.

Открытый, наконец, источник вариаций с периодом в солнечные сутки расположен к западу от линии Земля — Солнце. Поток космических лучей как бы подгоняет Землю сзади в ее беге вокруг Солнца и дает всплеск на ее «вечерней» стороне примерно в 18 часов местного времени. «Ветер» частиц с запада в околосолнечном пространстве тоже преобладает над «ветром» с востока! По одной из гипотез, механизм примерно таков: солнечная плазма с огромной скоростью движется прочь от Солнца вдоль силовых линий магнитного поля светила, уходящих в пространство. При этом в межпланетном пространстве должно возникать электрическое поле, перпендикулярное магнитному полю Солнца. Положительные частицы космических лучей, летящие с запада, в этом поле ускоряются, а летящие с востока, с 6-часового направления — замедляются.

Важную роль может играть еще один вероятный механизм 18-часовой вариации. Дело в том, что магнитные силовые линии Солнца, заходящие далеко в космос, крепко привязаны к поверхности светила. Весь этот каркас силовых линий вертится вместе с Солнцем в ту же сторону, что бежит по орбите Земля, только с большей угловой скоростью. Петли солнечных силовых линий настигают Землю сзади, догоняют и обгоняют ее. А к силовым линиям «привязаны» заряженные частицы космических лучей…

Но это еще не все о 18-часовой вариации. Еще один возможный ее механизм связан с «большой вариацией» — 11-летним периодом солнечной активности.

Продолжение следует.

Автор: Л. Дорман.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *