КОСМИ́ЧЕСКИЕ ЛУЧИ́

КОСМИ́ЧЕСКИЕ ЛУЧИ́, по­ток за­ря­жен­ных час­тиц вы­со­кой энер­гии, ко­то­рые при­хо­дят к Зем­ле со всех на­прав­ле­ний кос­мич. про­стран­ст­ва и по­сто­ян­но бом­бар­ди­ру­ют её ат­мо­сфе­ру. В со­ста­ве К. л. пре­об­ла­да­ют про­то­ны, име­ют­ся так­же элек­тро­ны, яд­ра He и бо­лее тя­жё­лых хи­мич. эле­мен­тов (вплоть до ядер с за­ря­дом $Z≈30$; см. таблицу). Наи­бо­лее мно­го­чис­лен­ны в К. л. яд­ра H и He (ок. 85% и ок. 10% со­от­вет­ст­вен­но); до­ля др. ядер не­ве­ли­ка (не пре­вы­ша­ет 5%). Не­боль­шую часть К. л. со­став­ля­ют элек­тро­ны и по­зи­тро­ны (ме­нее 1%). Кос­мич. из­луче­ние, па­даю­щее на гра­ни­цу зем­ной ат­мо­сфе­ры, со­дер­жит все ста­биль­ные за­ря­жен­ные час­ти­цы и яд­ра с вре­ме­на­ми жиз­ни по­ряд­ка 10⁶ лет и бо­лее. По су­ще­ст­ву, ис­тин­но «пер­вич­ны­ми» К. л. мож­но на­зы­вать толь­ко час­ти­цы, ус­ко­рен­ные в да­лё­ких ас­т­ро­фи­зич. ис­точ­ни­ках, а «вто­рич­ны­ми» – час­ти­цы, об­ра­зо­вав­шие­ся в про­цес­се взаи­мо­дей­ст­вия пер­вич­ных К. л. с меж­звёзд­ным га­зом. Так, элек­тро­ны, про­то­ны и яд­ра He, C, O, Fe и др., син­те­зи­ро­ван­ные в звёз­дах, яв­ля­ют­ся пер­вич­ны­ми. На­про­тив, яд­ра Li, Be и B сле­ду­ет счи­тать вто­рич­ны­ми. Анти­про­то­ны и по­зи­тро­ны час­тич­но, ес­ли не пол­но­стью, яв­ля­ют­ся вто­рич­ны­ми.

История исследования космических лучей

В нач. 20 в. в опы­тах с элек­тро­ско­па­ми и ио­ни­за­ци­он­ны­ми ка­ме­ра­ми бы­ла об­на­ру­же­на по­сто­ян­ная ос­та­точ­ная ио­ни­за­ция га­зов, вы­зы­вае­мая ка­ким-то про­ни­каю­щим из­лу­че­ни­ем. В от­ли­чие от из­лу­че­ния ра­дио­ак­тив­ных ве­ществ ок­ру­жаю­щей сре­ды, про­ни­каю­щее из­лу­че­ние не мог­ли за­дер­жать да­же тол­стые слои свин­ца. Вне­зем­ная при­ро­да об­на­ру­жен­но­го про­ни­каю­ще­го из­лу­че­ния ус­та­нов­ле­на в 1912 (В. Гесс

, Но­бе­лев­ская пр., 1936) в экс­пе­ри­мен­тах с ио­ни­за­ци­он­ны­ми ка­ме­ра­ми на воз­душ­ных ша­рах. Бы­ло най­де­но, что с уве­ли­че­ни­ем рас­стоя­ния от по­верх­но­сти Зем­ли ио­ни­за­ция, вы­зы­вае­мая про­ни­каю­щим из­лу­че­ни­ем, рас­тёт. Его вне­зем­ное про­ис­хо­ж­де­ние окон­ча­тель­но до­ка­зал Р. Мил­ли­кен

 >>

в 1923–26 в экс­пе­ри­мен­тах по по­гло­ще­нию из­лу­че­ния ат­мо­сфе­рой (имен­но он ввёл тер­мин «К. л.»).

При­ро­да К. л. вплоть до 1940-х гг. ос­та­ва­лась не­яс­ной. В те­че­ние это­го вре­ме­ни ин­тен­сив­но раз­ви­ва­лось ядер­ное на­прав­ле­ние ис­сле­до­ва­ний К. л. (ядер­но-фи­зич. ас­пект) – изу­че­ние взаи­мо­дей­ст­вия К. л. с ве­ще­ст­вом, об­ра­зо­ва­ния вто­рич­ных час­тиц и их по­гло­ще­ния в ат­мо­сфе­ре. Эти ис­сле­до­ва­ния, про­во­ди­мые при по­мо­щи те­ле­ско­пов счёт­чи­ков, ка­мер Виль­со­на и ядер­ных фо­то­эмуль­сий (под­ни­мае­мых на ша­рах-зон­дах в стра­то­сфе­ру), при­ве­ли, в ча­ст­но­сти, к от­кры­тию но­вых эле­мен­тар­ных час­тиц – по­зи­тро­на (1932), мюо­на (1937), π-ме­зо­на (1947).

Сис­те­ма­тич. ис­сле­до­ва­ния влия­ния гео­маг­нит­но­го по­ля на ин­тен­сив­ность и на­прав­ле­ние при­хо­да пер­вич­ных К. л. по­ка­за­ли, что по­дав­ляю­щее боль­шин­ство К. л. име­ет по­ло­жи­тель­ный за­ряд. С этим свя­за­на вост.-зап. асим­мет­рия К. л.: из-за от­кло­не­ния за­ря­жен­ных час­тиц в маг­нит­ном по­ле Зем­ли с за­па­да при­хо­дит боль­ше час­тиц, чем с вос­то­ка. При­ме­не­ние фо­то­эмуль­сий по­зво­ли­ло ус­та­но­вить ядер­ный со­став пер­вич­ных К. л. (1948): бы­ли об­на­ру­же­ны сле­ды ядер тя­жё­лых эле­мен­тов, вплоть до же­ле­за. Пер­вич­ные элек­тро­ны в со­ста­ве К. л. впер­вые за­ре­ги­ст­ри­ро­ва­ны в стра­то­сфер­ных из­ме­ре­ни­ях лишь в 1961.

С кон. 1940-х гг. на пе­ред­ний план вы­дви­ну­лись про­бле­мы про­ис­хо­ж­де­ния и вре­менны́х ва­риа­ций К. л. (кос­мо­фи­зич. ас­пект).

Общая характеристика космических лучей

К. л. на­по­ми­на­ют силь­но раз­ре­жен­ный ре­ля­ти­ви­ст­ский газ, час­ти­цы ко­то­ро­го прак­ти­че­ски не взаи­мо­дей­ст­ву­ют друг с дру­гом, но ис­пы­ты­ва­ют ред­кие столк­но­ве­ния с ве­ще­ст­вом меж­звёзд­ной и меж­пла­нет­ной сред и под­вер­га­ют­ся воз­дей­ст­вию кос­мич. маг­нит­ных по­лей. Час­ти­цы К. л. об­ла­да­ют ог­ром­ной ки­не­тич. энер­ги­ей (вплоть до $E_к$ по­ряд­ка 10²¹ эВ). Вбли­зи Зем­ли по­дав­ляю­щую часть К. л. со­став­ля­ют час­ти­цы с энер­ги­ей от 10⁶ эВ до 10⁹ эВ, с даль­ней­шим рос­том энер­гии по­ток К. л. рез­ко ос­ла­бе­ва­ет. Так, при энер­гии 10¹² эВ на гра­ни­цу ат­мо­сфе­ры па­да­ет не бо­лее 1 час­ти­ца/(м²·с), а при $E_к$=10¹⁵ эВ – все­го 1 час­ти­ца/(м²·год). Этим обу­слов­ле­ны оп­ре­де­лён­ные труд­но­сти в изу­че­нии К. л. вы­со­ких и сверх­вы­со­ких энер­гий. Хо­тя сум­мар­ный по­ток К. л. у Зем­ли не­ве­лик [все­го ок. 1 час­ти­ца/(см²·с)], плот­ность их энер­гии (ок. 1 эВ/см³) в пре­де­лах на­шей Га­лак­ти­ки срав­ни­ма с плот­но­стью энер­гии сум­мар­но­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния звёзд, энер­гии те­п­ло­во­го дви­же­ния меж­звёзд­но­го га­за и ки­не­тич. энер­гии его тур­бу­лент­ных дви­же­ний, а так­же с плот­но­стью энер­гии маг­нит­но­го по­ля Га­лак­ти­ки. От­сю­да сле­ду­ет, что К. л. долж­ны иг­рать боль­шую роль во мно­гих ас­т­ро­фи­зич. про­цес­сах.

Др. важ­ная осо­бен­ность К. л. – не­те­п­ло­вое про­ис­хо­ж­де­ние их энер­гии. Дей­ст­ви­тель­но, да­же при темп-ре 10⁹ К, по-ви­ди­мо­му близ­кой к мак­си­маль­ной для звёзд­ных недр, ср. энер­гия те­п­ло­во­го дви­же­ния час­тиц ≈3·10⁵ эВ. Осн. ко­ли­че­ст­во час­тиц К. л., на­блю­дае­мых у Зем­ли, име­ет энер­гии св. 10⁶ эВ. Это оз­нача­ет, что К. л. при­об­ре­та­ют энер­гию пу­тём ус­ко­ре­ния в спе­ци­фич. ас­т­ро­фи­зич. про­цес­сах плаз­мен­ной и элек­тро­маг­нит­ной при­ро­ды.

По сво­ему про­ис­хо­ж­де­нию К. л. мож­но раз­де­лить на неск. групп: 1) К. л. галак­тич. про­ис­хо­ж­де­ния (га­лак­тич. кос­мич. лу­чи, ГКЛ); их ис­точ­ни­ком яв­ля­ет­ся на­ша Га­лак­ти­ка, в ко­то­рой про­ис­хо­дит ус­ко­ре­ние час­тиц до энер­гий ок. 10¹⁸ эВ; 2) К. л. ме­та­га­лак­тич. про­ис­хо­ж­де­ния; они об­ра­зу­ют­ся в др. га­лак­тиках и име­ют са­мые боль­шие, ульт­ра­ре­ля­ти­ви­ст­ские энер­гии – св. 10¹⁸ эВ; 3) сол­неч­ные кос­ми­ч. лу­чи (СКЛ), ге­не­ри­руе­мые на Солн­це или вбли­зи не­го во вре­мя сол­неч­ных вспы­шек

и ко­ро­наль­ных вы­бро­сов мас­сы; их энер­гия со­став­ля­ет от 10⁶ до бо­лее 10¹⁰ эВ; 4) ано­маль­ные кос­мич. лу­чи (АКЛ), об­ра­зую­щиеся в Сол­неч­ной сис­те­ме на пе­ри­фе­рии ге­лио­сфе­ры; энер­гии час­тиц АКЛ на­хо­дят­ся в пре­де­лах 1–100 МэВ/ну­клон.

По со­дер­жа­нию ядер Li, Be и B, ко­торые об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те взаи­мо­дей­ст­вий ГКЛ с ато­ма­ми меж­звёзд­ной сре­ды, мож­но оп­ре­де­лить ко­ли­че­ст­во ве­ще­ст­ва $X$, че­рез ко­то­рое про­шли К. л., блу­ж­дая в меж­звёзд­ной сре­де. Ве­ли­чи­на $X$ при­мер­но рав­на 5–10 г/см². Вре­мя блу­ж­да­ния К. л. в меж­звёзд­ной сре­де (или вре­мя их жиз­ни) и ве­ли­чи­на $X$ свя­за­ны со­от­но­ше­ни­ем $X≈ρvt$, где $ρ$ – ср. плот­ность меж­звёзд­ной сре­ды (по­ряд­ка 10^–24 г/см³), $t$ – вре­мя блу­ж­да­ния К. л. в этой сре­де, $v$ – ско­рость час­тиц. Ве­ли­чи­на $v$ для ульт­ра­ре­ля­ти­ви­ст­ских К. л. прак­ти­че­ски рав­на ско­ро­сти све­та, и вре­мя их жиз­ни со­став­ля­ет ок. 3·10⁸ лет. (Вре­мя жиз­ни ГКЛ оп­ре­де­ля­ет­ся их вы­хо­дом из Га­лак­ти­ки ли­бо по­гло­ще­ни­ем за счёт не­уп­ру­гих взаи­мо­дей­ст­вий с ве­ще­ст­вом меж­звёзд­ной сре­ды.)

По­па­дая в ат­мо­сфе­ру Зем­ли, пер­вич­ные К. л. раз­ру­ша­ют яд­ра наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ных в ат­мо­сфе­ре хи­мич. эле­мен­тов – N и O – и по­ро­ж­да­ют кас­кад­ный про­цесс, в ко­то­ром уча­ст­ву­ют все из­вест­ные эле­мен­тар­ные час­ти­цы, в ча­ст­но­сти та­кие вто­рич­ные час­ти­цы, как про­то­ны (p), ней­тро­ны (n), ме­зо­ны (μ ), элек­тро­ны (e), а так­же γ-кван­ты и ней­т­ри­но (ν ). При­ня­то ха­рак­те­ри­зо­вать путь, прой­ден­ный час­ти­цей К. л. в ат­мо­сфе­ре до столк­но­ве­ния, ко­ли­че­ст­вом ве­ще­ст­ва в грам­мах, за­клю­чён­но­го в стол­бе се­че­ни­ем 1 см², т. е. вы­ра­жать про­бег час­тиц в г/см² ве­ще­ст­ва ат­мо­сфе­ры. Это зна­чит, что по­сле про­хо­ж­де­ния тол­щи ат­мо­сфе­ры $x$ (г/см²) пуч­ком про­то­нов с пер­во­на­чаль­ной ин­тен­сив­но­стью $I_0$ ко­ли­че­ст­во про­то­нов, не ис­пы­тав­ших столк­но­ве­ния, бу­дет рав­но $I=I_0 \exp(–x/λ)$, где $λ$ – ср. про­бег час­ти­цы. Для про­то­нов, со­став­ляю­щих осн. часть пер­вич­ных К. л., про­бег λ в воз­ду­хе ра­вен при­мер­но 70 г/см²; для ядер He $λ$≈25 г/см², для бо­лее тя­жё­лых ядер – ещё мень­ше. Пер­вое столк­но­ве­ние с час­ти­ца­ми ат­мо­сфе­ры про­тоны ис­пы­ты­ва­ют в ср. на выс. 20 км ($x$≈70 г/см²). Тол­щи­на ат­мо­сфе­ры на уров­не мо­ря эк­ви­ва­лент­на 1030 г/см², т. е. со­от­вет­ст­ву­ет при­мер­но 15 ядер­ным про­бе­гам для про­то­нов. От­сю­да сле­ду­ет, что ве­ро­ят­ность дос­тичь по­верх­но­сти Зем­ли, не ис­пы­тав столк­но­ве­ний, для пер­вич­ной час­ти­цы ни­чтож­но ма­ла. По­это­му на по­верх­но­сти Зем­ли К. л. об­на­ру­жи­ва­ют­ся лишь по сла­бым эф­фек­там ио­ни­за­ции, соз­да­вае­мым вто­рич­ны­ми час­ти­ца­ми.

Методы изучения космических лучей

По­сколь­ку по сво­им энер­ги­ям час­ти­цы К. л. раз­ли­ча­ют­ся в 10¹⁵ раз, то для их изу­че­ния при­хо­дит­ся при­ме­нять весь­ма раз­но­об­раз­ные ме­то­ды и при­бо­ры. При этом ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся, напр., ап­пара­ту­ра, ус­та­нов­лен­ная на спут­ни­ках и кос­мич. ра­ке­тах. В ат­мо­сфе­ре Зем­ли из­ме­ре­ния про­во­дят­ся с по­мо­щью ма­лых ша­ров-зон­дов и боль­ших вы­сот­ных аэ­ро­ста­тов, на её по­верх­но­сти – с по­мощью на­зем­ных ус­та­но­вок. Не­ко­то­рые из них дос­ти­га­ют раз­ме­ров в сот­ни квад­рат­ных ки­ло­мет­ров и рас­по­ло­же­ны ли­бо вы­со­ко в го­рах, ли­бо глу­бо­ко под зем­лёй, ли­бо на боль­ших глу­би­нах в океа­не, ку­да про­ни­ка­ют вто­рич­ные мюо­ны вы­со­ких энер­гий. Не­пре­рыв­ную ре­ги­ст­ра­цию К. л. на по­верх­но­сти Зем­ли в те­чение бо­лее 50 лет осу­ще­ст­в­ля­ет ми­ро­вая сеть стан­ций для изу­че­ния ва­риа­ций К. л. – стан­дарт­ные ней­трон­ные мо­ни­то­ры и мю­он­ные те­ле­ско­пы. Цен­ную ин­фор­ма­цию о ГКЛ и СКЛ да­ют на­блю­де­ния на спец. ус­та­нов­ках ти­па Бак­сан­ско­го ком­плек­са для изу­че­ния ши­ро­ких ат­мо­сфер­ных лив­ней

(ШАЛ).

Осн. ти­пы де­тек­то­ров, ко­то­рые ис­поль­зу­ют­ся при изу­че­нии К. л., – фо­то­эмуль­сии и рент­ге­нов­ские плён­ки, ио­ни­за­ци­он­ные ка­ме­ры, га­зо­раз­ряд­ные счёт­чи­ки, счёт­чи­ки ней­тро­нов, че­рен­ков­ские и сцин­тил­ля­ци­он­ные счёт­чи­ки, твер­до­тель­ные по­лу­про­вод­ни­ко­вые де­тек­то­ры, ис­кро­вые и дрей­фо­вые ка­ме­ры.

Ядер­но-фи­зич. ис­сле­до­ва­ния К. л. про­во­дят­ся в осн. при по­мо­щи счёт­чи­ко­вых ус­та­но­вок боль­шой пло­ща­ди для ре­ги­ст­ра­ции ШАЛ. Лив­ни со­дер­жат ог­ром­ное ко­ли­че­ст­во вто­рич­ных час­тиц, ко­то­рые об­ра­зу­ют­ся при втор­же­нии од­ной пер­вич­ной час­ти­цы с энер­ги­ей св. 10¹⁵ эВ. Осн. цель та­ких на­блю­де­ний – изу­че­ние ха­рак­те­ри­стик эле­мен­тар­но­го ак­та ядер­но­го взаи­мо­дей­ст­вия при вы­со­ких энер­ги­ях. На­ря­ду с этим, они да­ют ин­фор­ма­цию об энер­ге­тич. спек­тре К. л. при энер­ги­ях 10¹⁵–10²⁰ эВ, что очень важ­но для по­ис­ка ис­точ­ни­ков и ме­ха­низ­мов ус­ко­ре­ния кос­мич. лу­чей.

По­ток час­тиц с энер­ги­ей ок. 10²⁰ эВ, изу­чае­мый ме­то­да­ми ШАЛ, очень мал. Напр., на 1 м² на гра­ни­це ат­мо­сфе­ры за 1 млн. лет па­да­ет лишь од­на час­ти­ца с E≈ 10¹⁹ эВ. Для ре­ги­ст­ра­ции столь ма­лых по­то­ков не­об­хо­ди­мо иметь боль­шие пло­ща­ди, по­кры­тые де­тек­то­ра­ми. На ги­гант­ских ус­та­нов­ках по ре­ги­ст­ра­ции ШАЛ бы­ло за­ре­ги­ст­ри­ро­ва­но, по раз­ным оцен­кам, от 10 до 20 со­бы­тий, по­ро­ж­дён­ных час­ти­ца­ми с макс. энер­гия­ми до 3·10²⁰ эВ.

Ва­риа­ции К. л. с энер­гия­ми по­ряд­ка 10⁹–10¹² эВ изу­ча­ют­ся по дан­ным ми­ро­вой се­ти ней­трон­ных мо­ни­то­ров, мю­онных те­ле­ско­пов и др. де­тек­то­ров. Од­нако на­зем­ные ус­та­нов­ки из-за ат­мо­сфер­но­го по­гло­ще­ния не­чув­ст­ви­тель­ны к час­ти­цам с энер­ги­ей ме­нее 500 МэВ. По­это­му при­бо­ры для ре­ги­ст­ра­ции та­ких час­тиц под­ни­ма­ют на ша­рах-зон­дах в стра­то­сфе­ру до вы­сот 30–35 км.

Вне­ат­мо­сфер­ные из­ме­ре­ния по­то­ка К. л. с энер­ги­ей 1–500 МэВ осу­ще­ст­в­ляют при по­мо­щи гео­фи­зич. ра­кет, ИСЗ и кос­мич. зон­дов. Пря­мые на­блю­де­ния К. л. в меж­пла­нет­ном про­стран­ст­ве, на­ча­тые в 1960-х гг. на ор­би­те Зем­ли (вбли­зи плос­ко­сти эк­лип­ти­ки), с 1994 про­во­дят­ся над по­лю­са­ми Солн­ца (КА «Улисс»). Кос­мич. зон­ды «Во­яд­жер-1» и «Во­яд­жер-2», за­пу­щен­ные в 1977, уже дос­тиг­ли пре­де­лов Сол­неч­ной сис­те­мы. Так, пер­вый из этих КА пе­ре­сёк гра­ни­цу ге­лио­сфе­ры в 2004, вто­рой – в 2007. С 2008 оба КА, по-ви­ди­мо­му, дви­жут­ся в об­ла­ке меж­звёзд­ной пы­ли, в ко­то­рое по­гру­же­на Сол­неч­ная сис­те­ма.

Ряд цен­ных ре­зуль­та­тов дал ме­тод кос­мо­ген­ных изо­то­пов, об­ра­зую­щих­ся при взаи­мо­дей­ст­вии К. л. с ме­тео­ри­та­ми и кос­мич. пы­лью, с по­верх­но­стью Лу­ны, пла­нет, с ат­мо­сфе­рой или ве­щест­вом Зем­ли. Кос­мо­ген­ные изо­то­пы не­сут ин­фор­ма­цию о ва­риа­ци­ях К. л. в про­шлом и о сол­неч­но-зем­ных свя­зях. Напр., по со­дер­жа­нию ра­дио­нук­ли­да ¹⁴С в го­дич­ных коль­цах де­ревь­ев мож­но изу­чать ва­риа­ции ин­тен­сив­но­сти К. л. на про­тя­же­нии по­след­них не­сколь­ких ты­сяч лет. По др. дол­го­жи­ву­щим нук­ли­дам (¹⁰Be, ²⁶Al, ⁵³Mn и др.), со­дер­жа­щим­ся в ме­тео­ри­тах, лун­ном грун­те, в глу­бо­ко­вод­ных мор. от­ло­же­ни­ях, мож­но вос­ста­но­вить кар­ти­ну из­ме­не­ний ин­тен­сив­но­сти К. л. за мил­лио­ны лет.

С раз­ви­ти­ем кос­мич. тех­ни­ки и ра­дио­хи­мич. ме­то­дов ана­ли­за ста­ло воз­мож­ным изу­че­ние ха­рак­те­ри­стик К. л. по их тре­кам (сле­дам) в ве­ще­ст­ве. Тре­ки об­ра­зу­ют­ся яд­ра­ми К. л. в ме­тео­ри­тах, лун­ном ве­ще­ст­ве, в спец. об­раз­цах-ми­ше­нях, экс­по­ни­руе­мых на ИСЗ и воз­вра­щае­мых на Зем­лю, и т. п. Ис­поль­зу­ет­ся так­же кос­вен­ный ме­тод изу­че­ния К. л. по эф­фек­там ио­ни­за­ции, вы­зы­вае­мым ими в ниж­ней час­ти ио­но­сфе­ры, осо­бен­но в по­ляр­ных ши­ро­тах. Эти эф­фек­ты су­ще­ст­вен­ны гл. обр. при втор­же­нии в ат­мо­сфе­ру СКЛ.

Происхождение космических лучей

Из-за вы­со­кой изо­тро­пии К. л. на­блю­де­ния у Зем­ли не по­зво­ля­ют ус­та­но­вить, где они об­ра­зу­ют­ся и как рас­пре­де­ле­ны во Все­лен­ной. На эти во­про­сы впер­вые от­ве­ти­ла ра­дио­ас­тро­но­мия в свя­зи с от­кры­ти­ем кос­мич. син­хро­трон­но­го из­лу­че­ния в диа­па­зо­не час­тот 10⁷–10⁹ Гц. Это из­лу­че­ние соз­да­ёт­ся элек­тро­на­ми очень вы­со­кой энер­гии (по­ряд­ка 10⁹–10¹⁰ эВ) при их дви­же­нии в маг­нит­ных по­лях Га­лак­ти­ки. Та­кие элек­тро­ны, яв­ляю­щие­ся од­ним из ком­по­нен­тов К. л., за­ни­ма­ют про­тя­жён­ную об­ласть, ох­ва­ты­ваю­щую всю Га­лак­ти­ку и на­зы­вае­мую га­лак­тич. га­ло. В меж­звёзд­ных маг­нит­ных по­лях элек­тро­ны дви­жут­ся по­доб­но др. за­ря­жен­ным час­ти­цам вы­со­кой энер­гии – про­то­нам и бо­лее тя­жё­лым яд­рам. Раз­ни­ца со­сто­ит лишь в том, что бла­го­да­ря ма­лой мас­се элек­тро­ны, в от­ли­чие от бо­лее тя­жё­лых час­тиц, ин­тен­сив­но из­лу­ча­ют ра­дио­вол­ны и тем са­мым об­на­ру­жи­ва­ют се­бя в уда­лён­ных час­тях Га­лак­ти­ки, яв­ля­ясь ин­ди­ка­то­ром кос­мич. лу­чей.

Кро­ме об­ще­го га­лак­тич. син­хро­трон­но­го ра­дио­из­лу­че­ния, бы­ли об­на­ру­же­ны его дис­крет­ные ис­точ­ни­ки: обо­лоч­ки сверх­но­вых звёзд, яд­ро Га­лак­ти­ки, ра­дио­га­лак­ти­ки, ква­за­ры, ак­тив­ные яд­ра га­лак­тик и т. д. Ес­те­ст­вен­но счи­тать, что все эти объ­ек­ты мо­гут быть ис­точ­ни­ка­ми К. л. Осн. ис­точ­ни­ком К. л. внут­ри Га­лак­ти­ки счи­та­ют­ся взры­вы сверх­но­вых звёзд. К. л. ус­ко­ря­ют­ся удар­ны­ми вол­на­ми, об­ра­зую­щи­ми­ся при этих взры­вах. Макс. энер­гия, ко­то­рую мо­гут при­об­ре­сти час­ти­цы в та­ких про­цес­сах, со­став­ля­ет по­ряд­ка 10¹⁶ эВ. Кро­ме то­го, часть К.л. мо­жет ус­ко­рить­ся до та­ких же энер­гий удар­ны­ми вол­на­ми, рас­про­стра­няю­щи­ми­ся в меж­звёзд­ной сре­де Га­лак­ти­ки. К. л. ещё бóльших энер­гий об­ра­зу­ют­ся в Ме­та­га­лак­ти­ке; од­ним из их ис­точ­ни­ков мо­гут быть яд­ра ак­тив­ных га­лак­тик.

В 1966 К. Грей­зен (США), а так­же Г. Т. За­це­пин

и В. А. Кузь­мин (СССР) вы­ска­за­ли пред­по­ло­же­ние, что спектр К. л. при энер­ги­ях св. 3·10¹⁹ эВ дол­жен «об­ре­зать­ся» (рез­ко за­ги­бать­ся вниз) из-за взаи­мо­дей­ст­вия вы­со­ко­энер­ге­тич­ных час­тиц с ре­лик­то­вым из­лу­че­ни­ем (т. н. GZK-эф­фект). Ре­ги­ст­ра­ция не­сколь­ких час­тиц с энер­ги­ей по­ряд­ка 10²⁰ эВ мо­жет быть объ­яс­не­на, ес­ли пред­по­ло­жить, что ис­точ­ни­ки этих час­тиц уда­ле­ны от нас на рас­стоя­ния не бо­лее 50 Мпк. В этом слу­чае взаи­мо­дей­ст­вие К. л. с фо­то­на­ми ре­лик­то­во­го из­лу­че­ния прак­ти­че­ски не про­ис­хо­дит из-за ма­ло­го ко­личе­ст­ва фо­то­нов на пу­ти час­ти­цы от ис­точ­ни­ка к на­блю­да­те­лю. Дан­ные, по­лу­чен­ные в 2007 в рам­ках ме­ж­ду­нар. про­ек­та «Оже», по-ви­ди­мо­му, впер­вые ука­зы­ва­ют на су­ще­ст­во­ва­ние GZK-эф­фек­та при энер­ги­ях св. 3·10¹⁹ эВ.

В нач. 1970-х гг. изу­че­ние ГКЛ ма­лых энер­гий, про­во­ди­мое с по­мо­щью КА, при­ве­ло к от­кры­тию ано­маль­ной ком­по­нен­ты К. л. Её со­став­ля­ют не пол­но­стью ио­ни­зо­ван­ные ато­мы He, C, N, O, Ne и Ar. В об­лас­ти энер­гий от не­сколь­ких еди­ниц до не­сколь­ких де­сят­ков МэВ/нук­лон спектр час­тиц АКЛ су­ще­ст­вен­но от­ли­ча­ет­ся от спек­тра ГКЛ: на­блю­да­ет­ся воз­рас­та­ние по­то­ка час­тиц, свя­зан­ное, как по­ла­га­ют, с ус­ко­ре­ни­ем ио­нов в удар­ной вол­не на гра­ни­це ге­лио­маг­ни­то­сфе­ры и по­сле­дую­щей диф­фу­зи­ей этих час­тиц во внутр. рай­оны ге­лио­сфе­ры. Кро­ме это­го, рас­про­стра­нён­ность эле­мен­тов АКЛ зна­чи­тель­но от­ли­ча­ет­ся от со­от­вет­ст­вую­щих ве­ли­чин для ГКЛ.

По дан­ным на июнь 2008, по­лу­чен­ным с бор­та КА «Во­яд­жер-1», по­ток К. л. по ме­ре уда­ле­ния от Сол­неч­ной си­сте­мы по­сто­ян­но рас­тёт. Эти пер­вые све­де­ния о К. л. не­по­сред­ст­вен­но из меж­звёзд­ной сре­ды под­ни­ма­ют но­вые во­про­сы об ис­точ­ни­ках и при­ро­де (ме­ха­низ­мах ге­не­ра­ции) ано­маль­ной ком­по­нен­ты кос­мич. лу­чей.

Механизмы ускорения космических лучей

Осн. ис­точ­ни­ком ГКЛ счи­та­ют­ся взры­вы сверх­но­вых звёзд. Тре­бо­ва­ния к энер­ге­тич. мощ­но­сти ис­точ­ни­ков, ге­не­ри­рую­щих К. л., весь­ма вы­со­ки (мощ­ность ге­не­ра­ции К. л. долж­на быть по­ряд­ка 3·10³³ Вт), так что обыч­ные звёз­ды Га­лак­ти­ки не мо­гут им удов­ле­тво­рять. Од­на­ко та­кая мощ­ность мо­жет быть по­лу­че­на от взры­вов сверх­но­вых звёзд (В. Л. Гинз­бург и С. И. Сы­ро­ват­ский, 1963). Ес­ли во вре­мя взры­ва вы­де­ля­ет­ся энер­гия по­ряд­ка 10⁴⁴ Дж, а взры­вы про­ис­хо­дят с час­то­той 1 раз в 30–100 лет, то их сум­мар­ная мощ­ность со­став­ля­ет по­ряд­ка 10³⁵ Вт, и для обес­пе­че­ния не­об­хо­ди­мой мощ­но­сти К. л. дос­та­точ­но лишь не­сколь­ких про­цен­тов энер­гии вспыш­ки сверх­но­вой.

Наи­бо­лее ве­ро­ят­ный ме­ха­низм ус­ко­ре­ния ГКЛ до энер­гий по­ряд­ка 10¹⁵ эВ (а воз­мож­но, и вы­ше) – дви­же­ние обо­лоч­ки, сбро­шен­ной при взры­ве сверх­но­вой звез­ды, ко­то­рое по­ро­ж­да­ет в ок­ружаю­щей меж­звёзд­ной сре­де удар­ную вол­ну. Диф­фу­зи­он­ное рас­про­стра­не­ние за­ря­жен­ных час­тиц, за­хва­чен­ных в про­цесс ус­ко­ре­ния, по­зво­ля­ет им мно­го­крат­но пе­ре­се­кать фронт удар­ной вол­ны (Г. Ф. Крым­ский

, 1977). Ка­ж­дая па­ра по­сле­до­ва­тель­ных пе­ре­се­че­ний уве­ли­чи­ва­ет энер­гию час­ти­цы про­пор­цио­наль­но уже дос­тиг­ну­той энер­гии, что и при­во­дит к ус­ко­ре­нию час­тиц. С уве­ли­че­ни­ем чис­ла пе­ре­се­че­ний фрон­та удар­ной вол­ны рас­тёт и ве­ро­ят­ность по­ки­нуть об­ласть ус­ко­ре­ния, так что по ме­ре рос­та энер­гии ко­ли­че­ст­во час­тиц па­да­ет при­мер­но по сте­пен­но­му за­ко­ну, при­чём ус­ко­ре­ние ока­зы­ва­ет­ся весь­ма эф­фек­тив­ным, а спектр ус­ко­рен­ных час­тиц – весь­ма жё­ст­ким $(∼E^{–2})$. При не­ко­то­рых мо­дель­ных до­пу­ще­ни­ях пред­ло­жен­ная схе­ма да­ёт ве­ли­чи­ну макс. энер­гии по­ряд­ка 10¹⁷$Z$ эВ, где $Z$ – за­ряд ус­ко­рен­но­го яд­ра.

Сре­ди др. ме­ха­низ­мов ус­ко­ре­ния об­суж­да­ет­ся, в ча­ст­но­сти, ус­ко­ре­ние стоя­чей удар­ной вол­ной при вра­ще­нии ней­трон­ной звез­ды с мощ­ным маг­нит­ным по­лем (по­ряд­ка 10¹² Гс); макс. энер­гия час­тиц при этом мо­жет дос­ти­гать (10¹⁷– 10¹⁸)$Z$ эВ, а вре­мя эф­фек­тив­но­го ус­ко­ре­ния – 10 лет. Ус­ко­ре­ние час­тиц воз­мож­но так­же в удар­ных вол­нах при столк­но­ве­нии га­лак­тик. Та­кое со­бы­тие мо­жет осу­щест­в­лять­ся с час­то­той при­мер­но 1 раз в 5·10⁸ лет; мак­си­маль­но дос­ти­жи­мая энер­гия оце­ни­ва­ет­ся как 3·10¹⁹$Z$ эВ. К ана­ло­гич­ной оцен­ке при­во­дит и про­цесс ус­ко­ре­ния удар­ны­ми вол­на­ми в стру­ях, ге­не­ри­руе­мых ак­тив­ны­ми яд­ра­ми га­лак­тик. Наи­боль­шие оцен­ки (до энер­гий по­ряд­ка 10²¹ эВ) мож­но по­лу­чить в рам­ках мо­де­ли кос­мо­ло­гич. про­ис­хо­ж­де­ния гам­ма-вспле­сков. Об­су­ж­да­ют­ся так­же сце­на­рии, в ко­то­рых К. л. об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те рас­па­дов или ан­ни­ги­ля­ции т. н. то­по­ло­гич. де­фек­тов (кос­мич. стру­ны, мо­но­по­ли и т. д.), воз­ник­ших в пер­вые мгно­ве­ния рас­ши­ре­ния Все­лен­ной.

Проблемы и перспективы

Изу­че­ние К. л. да­ёт цен­ные све­де­ния об элек­тро­маг­нит­ных по­лях в разл. об­лас­тях кос­мич. про­стран­ст­ва. Ин­фор­ма­ция, «за­пи­сан­ная» и «пе­ре­но­си­мая» час­ти­ца­ми К. л. на их пу­ти к Зем­ле, рас­шиф­ро­вы­ва­ет­ся при ис­сле­до­ва­нии ва­риа­ций К. л. – про­стран­ст­вен­но-вре­мен­ны́х из­ме­не­ний по­то­ка К. л. под влия­ни­ем ди­на­ми­че­ских, элек­тро­маг­нит­ных и плаз­мен­ных про­цес­сов в меж­звёзд­ном про­стран­ст­ве, внут­ри ге­лио­сфе­ры (в по­то­ке сол­неч­но­го вет­ра) и в ок­ре­ст­но­сти Зем­ли (в зем­ной маг­ни­то­сфе­ре и ат­мо­сфе­ре).

С др. сто­ро­ны, в ка­че­ст­ве ес­теств. ис­точ­ни­ка час­тиц вы­со­кой энер­гии К. л. иг­ра­ют не­за­ме­ни­мую роль при изу­че­нии строе­ния ве­ще­ст­ва и взаи­мо­дей­ст­вий ме­ж­ду эле­мен­тар­ны­ми час­ти­ца­ми. Энер­гии отд. час­тиц К. л. столь ве­ли­ки, что они ещё дол­го бу­дут ос­та­вать­ся вне кон­ку­рен­ции по срав­не­нию с час­ти­ца­ми, ус­ко­рен­ны­ми са­мы­ми мощ­ны­ми ла­бо­ра­тор­ны­ми ус­ко­ри­те­ля­ми.

К. л. име­ют важ­ное зна­че­ние для изу­че­ния да­лё­ко­го про­шло­го Зем­ли (из­мене­ний кли­ма­та, эво­лю­ции био­сфе­ры и т. д.), а так­же для ре­ше­ния не­ко­то­рых прак­тич. за­дач (напр., мо­ни­то­ринг и про­гноз кос­мич. по­го­ды и обес­пе­че­ние ра­ди­ац. безо­пас­но­сти кос­мо­нав­тов).

В кон. 20 – нач. 21 вв. всё боль­шее вни­ма­ние при­вле­ка­ет воз­мож­ная роль К. л. в ат­мо­сфер­ных и кли­ма­тич. про­цес­сах. Хо­тя плот­ность энер­гии К. л. ма­ла по срав­не­нию с энер­ги­ей разл. ат­мо­сфер­ных про­цес­сов, в не­ко­то­рых из них К. л., по-ви­ди­мо­му, иг­ра­ют ре­шаю­щую роль. В зем­ной ат­мо­сфе­ре на вы­со­тах ме­нее 30 км К. л. яв­ля­ют­ся гл. ис­точ­ни­ком об­ра­зо­ва­ния ио­нов. От плот­но­сти ио­нов во мно­гом за­ви­сят про­цес­сы кон­ден­са­ции и об­ра­зо­ва­ния во­дя­ных ка­пель. Так, во вре­мя по­ни­же­ний ин­тен­сив­но­сти ГКЛ в об­лас­ти воз­му­ще­ний сол­неч­но­го вет­ра в меж­пла­нет­ном про­стран­ст­ве, вы­зван­ных вспыш­ка­ми (т. н. эф­фект Фор­бу­ша), умень­ша­ют­ся об­лач­ность и уро­вень вы­па­де­ния осад­ков. По­сле вспы­шек на Солн­це и при­хо­да СКЛ на Зем­лю ве­ли­чи­на об­лач­но­сти и уро­вень осад­ков уве­ли­чи­ва­ют­ся. Эти из­ме­не­ния как в пер­вом, так и во вто­ром слу­чае со­став­ля­ют не ме­нее 10%. По­сле втор­же­ния в по­ляр­ные об­лас­ти Зем­ли боль­ших по­то­ков ус­ко­рен­ных час­тиц от Солн­ца на­блю­да­ет­ся из­ме­не­ние темп-ры верх­них сло­ёв ат­мо­сфе­ры. К. л. ак­тив­но уча­ст­ву­ют так­же в об­ра­зо­ва­нии гро­зо­во­го элек­три­че­ст­ва. В на­стоя­щее вре­мя уси­лен­но изу­ча­ет­ся влия­ние К. л. на кон­цен­тра­цию озо­на и на др. про­цес­сы в ат­мо­сфе­ре.

Все пе­ре­чис­лен­ные эф­фек­ты де­таль­но ис­сле­ду­ют­ся в рам­ках бо­лее об­щей про­бле­мы сол­неч­но-зем­ных свя­зей. Осо­бый ин­те­рес пред­став­ля­ет изу­че­ние ме­ха­низ­мов этих свя­зей, в ча­ст­но­сти триг­гер­но­го ме­ха­низ­ма, при ко­то­ром энер­гети­че­ски сла­бое пер­вич­ное воз­дей­ствие на не­ус­той­чи­вую сис­те­му при­во­дит к мно­го­крат­но­му уси­ле­нию вто­рич­ных эф­фек­тов (напр., к раз­ви­тию мощ­но­го ци­кло­на).