Варіації на тему варіацій

космический луч

Ні, нічого «музичного» в цій статті не буде. І не буде фуг, кантат і симфоній. Але варіації будуть. Варіації космічних променів. Досить велика область у науці про космічні промені. І якщо моїх колег фізиків-ядерників цікавить переважно життя мікросвіту, то ми – «варіаціонщики» втручаємося разом з астрономами і космонавтами, так сказати, у великий світ – макрокосм. Частки космічних променів, вічні мандрівники, свідки та учасники титанічних процесів, приголомшливих ближні й віддалені куточки Всесвіту, могли б багато чого розповісти. Завдання в тому, щоб навчитися їх «розпитувати». Вдалося це далеко не відразу.

Варіація 1. Помилки, які опинилися корисними

Всього вісімдесят років тому було взагалі ще не ясно, чи дійсно космічні промені – космічні. Потрібно було ще довести, що вони приходять зверху, а не знизу – із земних глибин. Вчені – петербургці Мисовський і Тувим, спостерігаючи за зміною інтенсивності тоді ще таємничого потоку частинок, відкрили першу чітку і ясну варіацію: потік космічних променів зменшувався на третину відсотка всякий раз, коли підвищувався на міліметр ртутного стовпа атмосферний тиск! Тепер вже було ясно, що космічні промені проходять товщу земної атмосфери. Причому в повітрі вони затримувалися трохи слабкіше, ніж, добре вже відомі на той час гамма-промені від радіоактивних елементів. Звідси був зроблений висновок: первинні космічні промені, що не доходять до поверхні землі, складаються з квантів гамма-променів, тільки дуже енергійних. Це була помилка.

Але ця помилка виявилася якоюсь мірою корисною: з неї починається історія цілеспрямованих пошуків добових варіацій космічних променів.

Варіація 2. Каверзна статистика, або ще одна «корисна» помилка.

Ось як це сталося. Раз космічні промені – це гамма-кванти, тобто електромагнітні хвилі, – міркували вчені, – значить, вони повинні поширюватися, як світло, – з його швидкістю і по прямій. Значить, можна знайти джерело, звідки вони приходять на Землю. І почалися експерименти. Десятки, сотні…

Земля, як відомо, обертається навколо власної осі, і тому прилади, де б на планеті вони не знаходилися, роблять за добу один оборот. Якщо джерело космічних променів – Сонце, то була б варіація в одну сонячну добу, тобто в певний час у потоці радіації з неба був би помітний регулярний сплеск. Якщо джерело – зірка, то період варіації дорівнював би зоряній добі (вони трохи коротше сонячних).

І дійсно, відкриття джерел космічних променів пішли одне за іншим. Найцікавіше, що ці «відкриття» часто кричуще суперечили один одному і не підтверджувалися при перевірочних спостереженнях. Помилка була в тому, що за достовірну варіацію, як правило, приймалося випадкове відхилення числа частинок від «середнього». Тут вступають в дію закони статистики. Соціологи, інститути громадської думки знають: чим менше група опитаних, тим більше ймовірність, що результат опитування буде випадковим, на ньому не можна буде будувати ніяких висновків. Саме так і вийшло з добовими варіаціями в тридцяті роки. Площі приладів були малі, і вони могли «опитати» тільки невелике число небесних гостей…

Невдача збентежила вчених на якийсь час. Було вирішено, що сонячно-добових і зоряно-добових варіацій, можливо, не існує взагалі. Це була ще одна помилка (багато пізніше ці варіації, правда, дуже слабкі, були відкриті – я про це розповім), але і ця помилка виявилася в якомусь сенсі корисною.

А поки виходило, що потік космічних променів рівномірно, ізотропно обдуває планету з усіх боків. Це поставило під сумнів гамма-квантову теорію космічних променів.

Варіація 3. Космічний вітер із заходу тяжіє над космічним вітром зі сходу.

Справді, якщо космічні промені – це гамма-кванти, то зрозуміти їх ізотропність неможливо. Це було б все одно, як якби ми бачили не нічне небо з міріадами світлих точок – зірок, а матово сяючий небосхил.

Що ж розсіює і перемішує космічні промені в просторі? Досить скоро утвердилась точка зору, що це «щось» – магнітні поля, а самі первинні космічні промені – це заряджені частинки.

Але як це перевірити? До дна повітряного океану первинні космічні промені не доходять, а вторинні однаково вибиваються з атомів атмосфери і частинками, і гамма-квантами. До космічних ракет справа тоді ще не дійшла. На допомогу прийшла просторова варіація космічних променів, передбачена ще на початку минулого століття шведом Штермером, так званий широтний ефект.

Земля – магніт з двома полюсами. Чим ближче до екватора, тим більше заряджені частинки повинні відхилятися від своїх траєкторій. Ближче до полюсів магнітні силові лінії як би « устромляються» в Землю – і вже не заважають, а швидше допомагають зарядженим частинкам наблизитися до планети.

За теорією Штермера, в район екватора могли приходити тільки частинки з енергією більше 15 мільярдів електрон-вольт, на широті Москви ця нижня межа була не такою суворою – 2,5 мільярда електрон-вольт. А близько Мурманська навіть 0,1 – мільярдної частки цілком здатні долетіти до атмосфери і викликати в ній зливу вторинних космічних променів. На морських човнах, літаках, на десятках станцій Північної і Південної півкуль «ловили» цей ефект. І він дійсно був виявлений. Отже – частинки. Але які, якого знака?

Тут повинна була допомогти інша просторова варіація – східно-західний ефект. Космічні промені так загортаються магнітним полем, що в атмосферу позитивні частки повинні влітати в основному із заходу, а негативні – зі сходу. Значить, якщо інтенсивність вторинних космічних променів, що приходять в прилади дослідника з заходу і сходу, однакова, то позитивних і негативних частинок в космосі порівну, як у звичайній речовині.

Але виявилося, що це не так. Вітер космічних променів із заходу явно тяжіє над східним. Отже, первинні космічні промені – позитивного заряду. Це – ядра різних атомів – водню (протони), гелію, літію і т. д. Лише на один-два відсотки, як це з’ясувалося вже в еру супутників, космічні промені складені з електронів і (все-таки!) гамма-квантів.

Варіація 4. «Вітер» потилицю.

«Космік» не залишали спроби виявити добові варіації. Ще в тридцяті роки стало ясно, що якщо вони й існують, то не можуть перевищувати одного відсотка від загального фону ізотропного космічного випромінювання. Чутливість приладів повільно, але вірно наближалася до цієї величини. Здавалося, вони ось-ось зареєструють довгоочікуваний сплеск космічного випромінювання, що приходить з певного напряму. Чому ж, незважаючи на крах гамма-квантової теорії космічних променів, вчені чекали добових варіацій?

Будемо міркувати так: припустимо, Земля рухається в просторі, абсолютно ізотропно заповненому літаючими частинками космічних променів. Але навіть у цьому випадку одна варіація все ж залишалася б. Земля, як спринтер, що біжить по біговій доріжці, повинна отримувати «в обличчя» зустрічний «вітер» космічних променів. А раз Земля крутиться, то цей «вітер» повинен проявлятися в момент, коли яка-небудь точка земної поверхні виринає з ночі на лінію сходу – в 6:00 ранку за місцевим часом. Вчені чекали і шукали шестигодинну варіацію, але так і не знайшли. Навпаки, виявилося, що Земля одержує не зустрічний «вітер» космічних променів, а такий що підхльостує.

Відкрите, нарешті, джерело варіацій з періодом в сонячну добу розташоване на захід від лінії Земля-Сонце. Потік космічних променів якби підганяє Землю ззаду в її бігу навколо Сонця і дає сплеск на її «вечірній» стороні приблизно в 18 годин місцевого часу. «Вітер» частинок із заходу в навколосонячному просторі теж переважає над «вітром» зі сходу! За однією з гіпотез, механізм приблизно такий: сонячна плазма з величезною швидкістю рухається геть від Сонця уздовж силових ліній магнітного поля світила, що йдуть в простір. При цьому в міжпланетному просторі повинно виникати електричне поле, перпендикулярне магнітному полю Сонця. Позитивні частинки космічних променів, що летять із заходу, в цьому полі прискорюються, а ті, що летять зі сходу, з 6-годинного напрямку – сповільнюються.

Важливу роль може грати ще один ймовірний механізм 18-годинниої варіації. Справа в тому, що магнітні силові лінії Сонця, що заходять далеко в космос, міцно прив’язані до поверхні світила. Весь цей каркас силових ліній крутиться разом із Сонцем в ту ж сторону, що біжить по орбіті Земля, тільки з більшою кутовою швидкістю. Петлі сонячних силових ліній наздоганяють Землю ззаду, наздоганяють і обганяють її. А до силових ліній «прив’язані» заряджені частинки космічних променів…

Але це ще не все про 18-годинну варіацію. Ще один можливий її механізм пов’язаний з «великою варіацією» – 11-річним періодом сонячної активності.

Автор: Л. Дорман.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *