Новое исследование поможет раскрыть природу космических лучей

Основываясь на данных нейтринной обсерватории IceCube на Южном полюсе, ученые сообщили о некотором прогрессе в понимании старой тайны о том, как и где рождаются космические лучи. Зачем это нам нужно? Понимание вопроса поможет найти способ, как оградить астронавтов и электронику от космической радиации максимально эффективно.

Что такое космический луч?

Термин «космический луч» является неправильным. По правде говоря, это не лучи, а заряженные частицы, в основном высокоэнергетические протоны и атомные ядра, которые путешествуют сквозь межзвездное пространство с огромной скоростью.

Мы пока не знаем, как ускоряются космические лучи по мере прохождения сквозь космос, а также очень мало знаем о том, где они рождаются. Поскольку эти частицы заряжены, их траектория изменяется множество раз под воздействием межзвездных магнитных полей, которые частицы встречают на своем пути, что весьма усложняет задачу определения изначального местоположения частиц.

Космические лучи считаются самыми высокоэнергетическими частицами во Вселенной. Некоторые из них достигают энергии 300 ЭэВ, что в сорок миллионов раз выше энергии, при которой частицы сталкиваются на Большом адронном коллайдере и примерно равно кинетической энергии теннисного мяча, летящего на скорости 115 км/ч.

Зачем нам космические лучи?

Вы можете утверждать, что деньги, выделяемые на строительство сверхмощных новых телескопов, тратятся впустую, потому что знания, которые нам дает их работа, бесполезны для нас по существу, но в случае космических лучей вы бы очень ошиблись. Космические лучи — это уже забота о космической и электронной промышленности сегодняшнего дня, и этому влиянию суждено стать еще более серьезным в течение нескольких десятилетий — именно поэтому любой прогресс в этой области принимается с распростертыми объятиями.

Магнитное поле земли защищает нас от подавляющего большинства космических частиц, но за пределами нашего маленького пузыря угроза космического излучения становится очень реальной. Частицы крайне опасны, потому что их невероятно высокой энергии достаточно, чтобы разбить молекулы ДНК и испортить электронику.

Благодаря недавним экспериментам, мы знаем, что неэкранированные люди в космосе получат в 2,4 больше облучения за год, чем мы на Земле — от 400 до 900 мЗв. Радиация более 4 зивертов уже крайне опасна и потенциально летальна, а значит, если короткая поездка на каком-нибудь SpaceShipTwo будет относительно безопасна, долговременный полет на Марс вероятно погубит всю команду или потребует надежных способов экранирования.

Что касается электроники, высокоэнергетические космические лучи способны изменять биты внутри интегральных схем и вызывать кратковременные ошибки. Исследования IBM еще 90-х годов предполагают, что космические лучи вызывает одну ошибку на 256 Мб оперативной памяти в месяц и проблема будет только усугубляться, поскольку электроника становится все меньше и меньше. В 2008 году Intel запатентовала детектор космических лучей, которым могут быть оснащены процессоры следующего поколения.

Что мы узнали?

Поток космических лучей, которые достигают поверхности Земли, может быть проанализирован и классифицирован для выяснения того, как именно он ускорился, и эта информация может помочь нам строить эффективные защитные механизмы.

Когда рождаются высокоэнергетические космические лучи, это событие сопровождается рождением потока нейтрино также сверхвысоких энергий. Нейтрино не имеют заряда и практически невесомы, а также редко взаимодействуют с другим веществом. Что приводит к тому, что они движутся по прямой линии, и вполне можно отследить их источник.

«В редких случаях, когда нейтрино взаимодействуют с материей, они производят заряженные частицы», — рассказал физик Университета штата Делавэр Бахтияр Рузыбаев, автор исследования. — «И когда заряженные частицы проходят через прозрачную среду на скорости быстрее скорости света (в этой среде), они испускают свет. Большинство детекторов нейтрино построены так, чтобы уловить этот свет».

Используя нейтринные детекторы, ученые наблюдают за связью между энергией космических лучей и их потоком (то есть за тем, как часто они падают в определенной зоне). Частицы, которые рождаются в Млечном Пути, как правило, обладают меньшей энергией, но падают чаще, в то время как высокоэнергетические частицы летят издалека и зафиксировать их гораздо труднее, поскольку они ускорялись в течение более длительного времени, прежде чем достигли, наконец, Земли.

Постоянное ускорение говорило бы о простом законе мощности между потоком и энергией частицы (которая выглядела бы как одна прямая линии на графике выше); но все не так просто, и ученые обнаружили изгиб кривой, которые они называют «коленом» (knee). По левую сторону колена частицы с низкой энергией, которые по большей части возникают в нашей собственной галактике, с правой же стороны — космические лучи извне. Второй элемент, «лодыжка» (ankle), показывает на графике, где включаются высокоэнергетические частицы.

Недавние открытия, сделанные учеными Делавэрского университета показывают, что ситуация еще сложнее, чем выглядит. Энергия спектра космических лучей не соответствует простому закону мощности между коленом в 4 ПэВ (петаэлектровольт) и лодыжкой в 4 ЭэВ (эксаэлектронвольт), как предполагалось ранее, а 20 ПэВ и 130 ПэВ соответственно.

Отношение между потоком и энергией оказалось куда более сложным, чем предполагалось.

График выше иллюстрирует выводы, которые вытекают из предыдущего графика с учетом исследований. Ускорение и распространение космических лучей придерживается законов, которые были менее предсказуемы, чем считалось ранее.

«Эти измерения приводят к новым ограничениям, которым должны удовлетворять любые модели, которые пытаются объяснить ускорение и распространение космических лучей», — объяснил Рузыбаев.