Тайна рождения космических лучей

Владимиров Е.А. и Владимиров А.Е.

До настоящего времени не ясно: где и каким образом происходит рождение космических лучей, хотя с момента их «открытия» прошло уже более 100 лет.

Предполагают, что космические лучи «рождаются в звёздах» или в галактических туманностях, представляющих собой оболочки сверхновых звёзд, основная их часть поступает в пространство Солнечной системы из ближайшей «Крабовидной» туманности, являющейся оболочкой звезды Телец-А, из центральной области нашей Галактики.

Считается, что ускорение ядер атомов химических элементов, из которых состоят космические лучи, происходит или систематическим образом посредством бетатронного механизма ускорения в растущем во времени магнитным полем, или статистически, при их встречах с движущимися неоднородностями магнитного поля.

Однако, бетатронный механизм ускорения малоэффективен при воздействие на ионы и ядра атомов химических элементов из-за различия величин их массы и электрического заряда, а также из-за высоких требований к точности соотношения параметров магнитного поля и параметров ускоряемых частиц.

Ещё менее эффективен механизм ускорения ядер химических элементов при их взаимодействии с большим количеством движущихся магнитных полей, имеющих переменные характеристики, поскольку в зависимости от взаимного направления движения частиц и магнитных полей ядра атомов могут и ускоряться, и тормозиться. Поскольку в этом случае достижение высоких энергий частиц было бы возможно только при взаимодействии с большим количеством магнитных полей, то разница между числом магнитных полей, движущихся в различных направлениях, будет минимальной, что не позволит достичь высоких энергий частиц.

Изложим самую «свежую» концепцию рождения космических лучей.

В поисках объяснений факта их наличия в Солнечной системе, Грегори Бенфорд из Калифорнийского университета в Ирвине (США) и Раймонд Протеро из Аделаидского университета в Австралии обратили внимание на то, что несколько процентов объёма Вселенной заполнено гигантскими намагниченными коконами плазмы, которые формируются потоками заряженных частиц, отбрасываемыми от сверхмассивных чёрных дыр в центре активных галактик.

Эти огромные намагниченные структуры продолжают существовать и после того, как галактика перестаёт быть активной, сохраняя колоссальный запас энергии. В течение миллиардов лет медленное ослабление магнитного поля внутри таких коконов индуцирует электрическое поле. Поля такого рода обладают достаточной мощностью для придания космическим лучам сверхвысоких энергий.

Космические лучи со сверхвысокой энергией на своём пути к Земле проходят через множество таких «коконов». И электрические поля могут снова и снова увеличивать их энергию, компенсируя тем самым уменьшение их энергии в результате их взаимодействия с реликтовым излучением.

Однако эта концепция мало чем отличается от предыдущей, и имеет те же самые недостатки.

Таким образом, становится совершенно очевидным, что все изложенные механизмы увеличения кинетической энергии заряженных частиц неприемлемы.

Анализ совокупности известных фактов, относящихся к рассматриваемой проблеме, позволил выявить следующее.

1. Испускаемое электромагнитное излучение предполагаемых источников космических лучей должно, но, по какой-то причине, не содержит рентгеновского и ультрафиолетового спектров.

2. Проникающая способность частиц космических лучей (протонов) не превышает общей массы 60 гр. вещества (так называемая «критическая масса») среды распространения на см² в газообразной форме, что подтверждается примером их движения в земной атмосфере. В то же время частицы преодолевают расстояние от источника, где они родились, например, от центра Галактики до Солнца, составляющее 2,3·10¹⁷ км, хотя суммарная масса межзвёздного вещества превышает величину критической масса в несколько раз, а энергия космических частиц остаётся ещё огромной 10¹⁹ эВ.

3. Обнаружено наличие потока частиц из солнечной короны (в основном протонов) в направлении удаления от Солнца, названного «солнечным ветром», причина которого до конца не ясна. Действительно, при температуре солнечной «короны» 2 млн. градусов, средняя тепловая энергия на один протон составляет 800 эВ, а гравитационная потенциальная энергия, удерживающая протон в атмосфере Солнца, в 2,5 раза больше.

Ещё непонятнее то обстоятельство, что, не смотря на это, протоны «солнечного ветра» не только преодолевают минимальный порог скорости «убегания» из Солнца в 618 км/с, но по мере удаления от него не уменьшают её (как это должно происходить из-за постоянного действия силы солнечной гравитации), а наоборот – ещё увеличивают, достигая величины у орбиты Земли 1000 км/с.

После каждой солнечной вспышки спустя 2 – 3 дня в области орбиты Земли появляется «облако» плазмы, выброшенное Солнцем в момент вспышки, а ещё ранее (через 30 – 40 минут) появляется поток частиц (протонов) с кинетической энергией от 5·10⁷ до 5·10¹¹ эВ, то есть на 8 порядков ниже энергии частиц галактических космических лучей (от 10¹⁰ до 10¹⁹ эВ).

Этот поток частиц («со стороны» Солнца), называемый «солнечной» компонентой космических лучей, каким-то образом приобретает энергию до 10¹¹ эВ, хотя температура плазмы в месте возникновения солнечной вспышки не превышает температуры 100 миллионов градусов, что соответствует кинетической энергии протонов плазмы не более 5·10⁴ эВ, то есть в 2 миллиона раз меньше, чем они имеют в области земной орбиты.

При этом в пространстве между Землёй и Солнцем отсутствуют магнитные поля с такими характеристиками, благодаря которым, как считают, возможно ускорение частиц космических лучей до энергии 10¹¹ эВ.

Нет сомнения в том, что во всех трёх процессах ускорения протонов (галактические космические лучи, «солнечные» космические лучи и солнечный ветер) «работает» какой-то один и тот же физический «механизм» ускорения.

Не может «работать» на ускорение частиц плазмы, содержащейся в очагах солнечных и звёздных вспышек, и так называемый механизм «пересоединения магнитных силовых линий», принадлежащих двум магнитным полям.

Рассматривая проблему «рождения» космических лучей, обратим внимание на возникновение потока электронов и высокоэнергетичных протонов при «солнечных» вспышках. Каким же образом неизвестный нам вид энергии ускоряет частицы до космических скоростей? Проще всего в одновременном выбросе частиц, имеющих противоположные электрические заряды, «обвинить» магнитное поле, поскольку оно в равной степени воздействует на те и другие.

Однако, во-первых: чтобы частицы имели такую огромную скорость, такую же скорость, хотя бы кратковременно, должно было бы иметь и магнитное поле. Во-вторых, почему эти частицы, составляющие плазму, не «потащили» за собой магнитное поле, как это обычно бывает, когда газовое давление плазмы, обусловленное скоростью движения «облака», превышает «давление» магнитного поля. Следовательно этот неизвестный «механизм» ускорения «солнечных» космических лучей не имеет ничего общего со специфическими магнитными полями, существующими в галактиках и на Солнце, которые, якобы, способны ускорять протоны до энергии, соответствующей энергии частиц космических лучей.

Где искать решение проблемы?

Как правило, при целенаправленном решении сложной научной проблемы первым, наиболее трудным шагом на этом пути является выбор или постановка двух – трёх локальных, но принципиальных, то есть «ключевых», вопросов, ответы на которые позволяют сделать следующий, по существу – последний шаг, ответить на основной вопрос, составляющий суть проблемы.

Применительно к проблеме «происхождения космических лучей», а в более узком аспекте – происхождения «солнечных» космических лучей, такими вопросами являются следующие:

1. Возможно ли приобретение частицей «солнечных» космических лучей соответствующей им энергии (10¹⁰ – 5·10¹¹ эВ) в результате однократного импульса воздействия на неё?

Наиболее вероятный, но не исключено даже, что единственно возможный ответ – нет, так как для этого в Природе нет физических и энергетических предпосылок.

Следовательно, на пути следования от Солнца к Земле частица получает большое число импульсов ускорения.

Поскольку источником рождения этих лучей является Солнце, зададим следующий вопрос: что может содержать значительный запас энергии, способной перейти в кинетическую энергию частицы «солнечных» космических лучей, составляющих солнечную радиацию, и в то же время иметь такую скорость распространения, чтобы успевать догонять ускоряющую своё движение частицу до скорости, близкой к скорости света?

Наиболее вероятный, но не исключено даже, что единственно возможный ответ: кванты «мягкого» и «жёсткого» рентгеновского излучения, энергия которых достигает величины до 10⁷ эВ!, а скорость распространения 300 тыс. км в секунду!

Третий вопрос: каким образом (то есть в результате какого процесса) энергия кванта рентгеновского излучения может перейти в кинетическую энергию частицы «солнечных» космических лучей?

Возможен только единственный ответ – в результате так называемого «комптоновского» рассеяния рентгеновского излучения на электронах, содержащихся в солнечной плазме, поскольку энергия этих квантов превышает так называемую «массу покоя» электрона, равную произведению его массы на квадрат скорости света и численно равный 5·10⁵ эВ. Только в этом случае происходит не «релеевское» рассеяние квантов света на электронах (не изменяющего  энергию кванта, то есть без передачи энергии электрону), а «комптоновское» рассеяние, при котором длина волны кванта увеличивается пропорционально величине переданной им электрону части своей энергии. При величине энергии кванта более 2·10⁶ эВ он передаёт электрону все 100% своей энергии, то есть уже не рассеивается на электроне, а поглощается им.

Осталось дать ответ на основной вопрос – как рождаются космические лучи, представляющие собой ядра атомов, в основном атомов водорода – протоны, то есть как электрон передаёт протону большую часть энергии, полученной им от кванта рентгеновских лучей?

Физический «механизм» ускорения протонов

Рассмотрим этот процесс на одной паре частиц – электроне и протоне, составляющих атом водорода.

Рассеяние кванта рентгеновского излучения, возникшего в очаге солнечной вспышки, на электроне передаёт ему часть своей кинетической энергии через увеличение его скорости в направлении своего распространения, то есть в сторону орбиты Земли. Смещение электрона относительно протона вызывает возникновение движения в этом же направлении и протона, благодаря свойству частиц, имеющих противоположные электрические заряды, их взаимного притяжения друг к другу.

Одновременно, обладая почти в 2000 раз большей массой по сравнению с электроном, протон тормозит движение электрона, получившего импульс ускорения. В итоге, при увеличении скорости движения в направлении орбиты Земли, протон догоняет электрон и возникает возбуждённый атом водорода – электрически нейтральная частица. Это способствует постепенному выходу протона (который станет впоследствии частицей «солнечных» космических лучей) за пределы действия «магнитной ловушки», удерживающей частицы солнечной плазмы в локальном объёме.

Последовательное рассеяние на электроне сильно возбуждённого атома водорода второго, третьего, четвёртого и т.д. квантов рентгеновских лучей каждый раз будет приводить к отрыву электрона (то есть к ионизации атома водорода), его смещению относительно протона, последующего ускорения движения протона вслед электрону, их объединению в возбуждённый атом водорода и его ускоренного движения в направлении орбиты Земли.

Таким образом, в результате последовательного «комптоновского» рассеяния на электронах большого числа квантов рентгеновских лучей, возникающих в течение всей продолжительности (10 – 20 минут) активной фазы солнечной вспышки (характеризуемой высоким уровнем мощности излучения вспышки, достигающего 10²⁸ – 10²⁹ эрг), кинетическая энергия протона постепенно увеличивается до уровня, соответствующего частицам «солнечных» космических лучей 10⁹ ÷ 5·10¹¹ эВ.

Естественно, наибольшую величину энергии будут иметь протоны, получившие воздействие в направлении орбиты Земли в самом начале «солнечной» вспышки, то есть те, которые в этот  момент находились на внешнем крае её «очага» и на них могли воздействовать кванты рентгеновского излучения из всего объёма пространства, охваченного процессом вспышки.

Это и есть тот самый физический механизм «механизм», благодаря которому и происходит ускорение протонов и ядер других химических элементов, составляющих и «солнечные», и «галактические» космические лучи и «солнечный ветер».

Таким образом, в течение всего времени, пока имеется рентгеновское излучение, происходит процесс ускорения частиц солнечной плазмы посредством воздействия на каждую из них большого числа квантов при их движении в хромосфере, и в короне Солнца в течение всего их пути движения в направлении Земли. Это аналогично тому, как происходит ускорение ионов и электронов в так называемых «каскадных линейных ускорителях», в которых суммарная кинетическая энергия соответствует произведению электрического потенциала одного каскада на их количество. Аналогичные процессы происходят и в циклических ускорителях, циклотронах и синхрофазотронах.

Этот способ ускорения частиц космических лучей галактического и солнечного происхождения действуя в течение всего времени их движения к Земле, компенсирует возможные потери их энергии на этом пути, вызываемые тормозящим воздействием среды космического пространства, что и обеспечивает достижение высокого уровня их энергии. При этом, чем длиннее этот путь, тем и выше конечная энергия, по этой причине выше энергия частиц космических лучей из других галактик.

Только этот механизм ускорения частиц плазмы (в данном случае ядер химических элементов) позволяет понять, почему по мере распространения частиц (протонов и ионов других химических элементов) «солнечного ветра» в направлении от Солнца к Земле их скорость движения не только не уменьшается при наличии постоянно действующего гравитационного притяжения, а ещё и возрастает при кажущемся отсутствии условий для этого процесса.

Вопрос же – как и почему происходит накопление энергии в локальном магнитном поле, создаваемом солнечными пятнами, завершающееся возникновением солнечной вспышки? – относится уже не к проблеме происхождения космических лучей, а к проблеме возникновения солнечных вспышек.

Отметим в заключение, что предложенная концепция согласуется с фундаментальным природным процессом – электромагнитное излучение Солнца и звёзд составляет 99,9% отдаваемой ими энергии в космос и лишь 0,1% в виде потока ионов и электронов атомов, составляющих их вещество. Этот факт никак не вяжется с тем фактом, что получаемая Землёй лучистая энергия от всех звёзд равна по величине энергии, получаемой Землёй в виде энергии частиц космических лучей; из него следует вывод: энергия частиц космических лучей – результат передачи им энергии электромагнитного, рентгеновского и гамма излучения звёзд из центра Галактики и Крабовидной туманности, являющихся источниками галактических космических лучей. «Солнечные» космические лучи и солнечный «ветер» возникают таким же способом.

Потому и не доходят до Земли излучения именно рентгеновского и гамма спектра, что кванты их «израсходованы» на ускорение частиц космических лучей, при этом сами они превращаются в кванты излучения видимого диапазона, обладающие меньшей величиной энергии.

27 января 2008.