5. Откуда вы, странники Вселенной?

    Вопрос об источниках космических лучей, безусловно, волновал и первых исследователей, продолжает волновать и современных учёных. Можно сразу сказать, что сегодня стройного и исчерпывающего объяснения происхождения космических лучей нет. Исследования продолжаются…

5.1 Поиск звёзд на небе

    Подчеркнём основные вопросы, на которые следует получить ответы для выяснения природы космических лучей.

1. Какие астрофизические объекты ответственны за генерацию космических лучей; где они расположены: в нашей Галактике или за её пределами.
2. Как можно ускорить частицы до максимально наблюдаемых, т.е. до ЗэВ-ных энергий; существуют ли частицы больших энергий и каков их состав.

    Эти две группы вопросов являются, пожалуй, основополагающими для физики космических лучей.
    Идея галактического происхождения космических лучей доминировала на всём протяжении их исследований. Во главу угла здесь ставились, прежде всего, энергетические соображения. В нашей Галактике и в других галактиках сосредоточены мощнейшие астрофизические объекты, способные обеспечить необходимой энергией те частицы, которые, путешествуя в космическом пространстве, достигают Земли.
    Выше уже отмечалось, что вещество находится в Галактике в атомарном состоянии и под действием ультрафиолетового излучения звёзд оно ионизируется (это - процесс “отрыва” орбитальных электронов с оболочек нейтральных атомов при взаимодействии с другими частицами среды). Так, например, до 90% водорода составляют его ионы – протоны. Часть энергии этого ионизированного газа – плазмы – конвертируется в магнитную энергию – так возникает магнитное поле межзвёздной среды. Электрическая проводимость этой среды столь велика, что магнитное поле “следует” за потоками плазмы: физики в этом случае говорят о “вмороженности” магнитных силовых линий в межзвёздную плазму.
    Движение этих потоков плазмы с магнитным полем далеко от однородного, ламинарного – оно в большей степени хаотичное, т.е. турбулентное. Однако есть доказательства существования почти однородного крупномасштабного поля вдоль магнитного поля спиральной дуги.
    Какова средняя величина напряженности межзвёздного магнитного поля - В? Отметим, что величина В имеет принципиальное значение для проблемы генерации космических лучей: она связана с предельной энергией ускорения частиц (об этом мы поговорим в следующем разделе). В 1953 г. С. Чандрасекар и Э. Ферми оценили интенсивность магнитного поля как 6^.10^-6 Гаусс = 6 мкГс на основе исследования баланса между магнитными и гравитационными эффектами в спиральном рукаве Галактике. Согласно современным оценкам, В 3мкГс. Считается, что в гало магнитное поле значительно меньше. Однако, существуют и другие точки зрения. Так, например, утверждается, что в нашей Галактике, вблизи Солнечной системы В6-7 мкГс, а в других галактиках между 1 и 10 мкГс.
    Если космические лучи рождаются в Галактике, заполняют её и удерживаются в ней, то можно оценить соотношение плотности кинетической энергии (т.е. энергии, приходящейся на единицу объёма) самих космических лучей, магнитного поля и распределённого в Галактике вещества. Плотность энергии магнитного поля оценивается по формуле В²/8, где В – напряжённость межзвёздного магнитного поля Галактики. Оценки показывают, что они близки по величине и составляют ~1 эВ/см³ (или ~10^-12 эрг/см^-3).Отсюда следует первый вывод, что космические лучи – существенная часть материи Галактики.
    Можно оценить мощность источников, необходимую для получения такой плотности энергии космических лучей в объёме Галактики. Оказалось, что при размерах нашей Галактики с её толщиной, равной 300 пк и радиусом 15 кпк, величина мощности составляет ~10⁴¹ эрг/сек. С какими астрофизическими объектами сопоставима эта гигантская мощность энергии? Может ли Солнце производить столько энергии?
   Действительно, Солнце генерирует космические лучи во время солнечных вспышек, но предельная энергия космических лучей, ускоряемых на Солнце, - около 1 ГэВ. При этом в среднем оно испускает не более 10²⁶ таких частиц в секунду (в основном протонов). Отсюда оценка мощности Солнца не превышающая 10²³ эрг/сек. В Галактике около 10¹¹ звёзд типа Солнца, т.е. предельная мощность всего конгломерата звёзд не должна быть больше 10³⁴ эрг/сек.
    И всё же в нашей Галактике есть необходимые источники энергии, это – сверхновые звёзды.

5.2 Сверхновые старые звёзды

        Это удивительно, но задолго до выяснения состава самого космического излучения появилась идея о сверхновых, как его источниках. Уже упоминалось, что в 1934 г., в престижном научном журнале Physical Review появилась статья В. Бааде и Ф. Цвики, впервые попытавшихся дать ответ на решение проблемы источника частиц космических лучей. Так что идее о сверхновых, как о звёздах, порождающих космические лучи, уже “стукнуло” более полвека…
    Когда человек впервые увидел сверхновую?
    4 июля 1054 г. в созвездии Тельца вспыхнула звезда по своей яркости сравнимая с Венерой. Она была видна даже днём и оставалась видимой более года. Этот факт отмечен в китайских хрониках. Почти на 900 лет позднее было замечено, что Крабовидная туманность занимает на небе то же самое положение, что и появившаяся звезда в 1054 г. Это могло означать, что газовое облако, сформированное после взрыва звезды, распространяясь в радиальном направлении, с течением времени сформировало объект, который современные астрономы наблюдают как Крабовидную туманность. Современные радиоастрономические данные о дискретных сигналах из этой области подтверждают эту гипотезу: в центре туманности находится пульсар – быстровращающаяся звезда (её период вращения – всего три сотых доли секунды), электромагнитное излучение которой – от радио- до гамма-диапазона. Расстояние до Крабовидной туманности – не менее 6500 световых лет.

Рис.5.1. Историческая сверхновая, которую наблюдал датский астроном Тихо Браге (1546 – 1601 гг.) в 1572 г. Оказалось, что это сверхновая I типа.

   Внутри нашей Галактики за последние сотни лет вспыхнули, по крайней мере, ещё две другие сверхновые, это – звезда Тихо Браге в созвездии Кассиопея в 1572 г. (рис.5.1) и звезда Кеплера в 1604 г. Наиболее масштабное явление наблюдалось в 1937 г., когда в галактике 1С4182 появилась сверхновая с яркостью излучения, во много раз превышающей яркость самой галактики. Последняя вспышка сверхновой была зарегистрирована недавно: 23 февраля 1987 г. в Большом Магеллановом облаке (Сверхновая 1987А) – на расстоянии ~50000 пк (~150 000 световых лет). До настоящего времени астрономы насчитали более 900 сверхновых и практически все они наблюдались в других галактиках! Но эта цифра подвергается сомнению ввиду того, что она не отражает результаты систематического поиска. Сейчас обсерватории мира, следящие за “подозрительными” галактиками, обнаруживают в год от 20 до 60 сверхновых.
    А в нашей Галактике? Неужели было только 3 случая взрывов сверхновых? Тщательное исследование китайских астрономических записей свидетельствует о том, что до Сверхновой 1054 г. были ещё, по крайней мере, 3 взрыва сверхновых звёзд: в 185, 369 и 1006 гг. Из этого следует, что в нашей Галактике взрывы сверхновых происходят 1 раз в 3-4 столетия. Но на самом деле они происходят чаще. Возможно, некоторые взрывы сверхновых происходят в удалённых частях Галактики, оставаясь незамеченными наблюдателями с Земли.
   Всего за последние 1000 лет в нашей Галактике наблюдались 6 сверхновых. Все они приведены в таблице 5.1.
   Данные радиоастрономии свидетельствуют о существовании 46 остатков сверхновых в нашей Галактике. Полагая, что вероятность взрывов одинакова во всей Галактике, получается от 1 до 5 появлений сверхновых за столетие. Астрономы утверждают, что интересным кандидатом в сверхновые в Галактике может быть красный гигант Bete Lgeuse в созвездии Орион. Что ж, если статистика верна, осталось ждать недолго.

    Существуют 2 типа сверхновых . Сверхновые типа II вспыхивают в несколько раз чаще, чем сверхновые типа I, обладают большей яркостью и массой по сравнению со сверхновыми типа I. Скорость расширения газовой оболочки, возникающей при взрыве сверхновой типа II, достигает ~5000 км/сек, а для сверхновых I типа – 1000-2000 км/сек. Если масса сверхновых I типа близка к солнечной массе, то для сверхновых II она оценивается в 30 солнечных масс. Сверхновые I располагаются в популяциях старых звёзд, в то время как сверхновые II типа – среди молодых, в рукавах спиральных галактик.
    Полагают, что для обоих типов сверхновых энергия взрыва обеспечивается гравитационным коллапсом умирающей, старой звезды.
    Вспышка сверхновой – это гибель старой звезды в процессе её эволюции. Поэтому, по-сути, сверхновая вовсе и не звезда, а газо-пылевое облако, расширяющееся в пространстве. В главе 1 уже рассказывалось, что теория эволюции звёзд предполагает следующий сценарий: по мере выгорания водорода и других лёгких элементов в процессе термоядерной реакции внутри звезды – красного карлика – происходит синтез более тяжёлых элементов, а затем, вследствие истощения мощности термоядерных реакций, начинают преобладать гравитационные силы. Происходит коллапс звезды – её гибель (рис.1.5). Звезда сбрасывает свою оболочку из лёгких элементов, а внутренняя часть, более тяжёлая, превращается в нейтронную звезду, состоящую из нейтронов с железной внешней оболочкой.
    В результате взрыва сверхновой высвобождается ~10⁵¹ эрг в виде кинетической и электромагнитной энергии. Взрыв последней сверхновой, SN1987, оценивается в ~10⁵² эрг. Если сверхновые в Галактике взрываются один раз в 30-40 лет, то выделяемая при этом средняя мощность составляет ~10⁴² эрг/сек. Сопоставим это с полученной выше оценкой ~10⁴¹ эрг/сек мощности, необходимой для поддержания наблюдаемой плотности энергии космических лучей.

Таблица 5.1. Сверхновые в нашей Галактике за последние 1000 лет

    Оказывается, что достаточно всего 10% мощности взрыва сверхновой, чтобы космические лучи могли “существовать” в Галактике.
   Именно эти энергетические соображения являются отправной точкой при рассмотрении наиболее явных кандидатов на роль источников космических лучей во Вселенной.