Космические лучи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Дагестанский государственный университет

Физический факультет

Курсовая работа

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Алиева Джабраила Магомед-Валиевича

Научный руководитель:

д.ф.-м.н., профессор

Джамалова А.С.

Зав. кафедрой физической электроники

д.ф.-м.н., профессор

Омаров О.А.

Махачкала - 2013г.



Введение

Земля постоянно бомбардируется заряженными частицами высокой энергии, приходящими из межзвёздного пространства - Космические лучи. Иногда интенсивность Космических лучей резко возрастает за счёт потоков частиц, порождаемых вспышками на Солнце. Космические лучи напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы которого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвёздной и межпланетной сред и воздействие космических магнитных полей. В составе космических лучей преобладают протоны, имеются также электроны, ядра гелия и более тяжёлых элементов (вплоть до ядер элементов с 30). Электронов в К. л. в сотни раз меньше, чем протонов (в одном и том же диапазоне энергий). Частицы космических лучей обладают огромными кинетическими энергиями (вплоть до эВ). Хотя суммарный поток К. л. у Земли невелик [всего 1 частица/(см2с)], плотность их энергии (ок. 1 эВ/см3) сравнима (в пределах нашей Галактики) с плотностью энергии суммарного электромагнагнитные излучения звёзд, энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетической энергии его турбулентных движений, а также с плотностью энергии магнитного поля Галактики. Отсюда следует, что космические лучи должны играть большую роль в процессах, идущих в межзвёздном пространстве.

Другая важная особенность космических лучей - нетепловое происхождение их энергии. Действительно, даже при темп-ре ~ 109 К, по-видимому, близкой к максимальной для звёздных недр, средняя энергия теплового движения частиц эВ. Основное же количество частиц Космических лучей, наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 108 эВ и выше. Это означает, что Космические лучи приобретают энергию в специфических астрофизических процессах электромагнитной и плазменной природы.



Глава 1. Космические лучи

Изучение Космических лучей даёт ценные сведения об электромагнитных полях в различных областях космического пространства. Информация, "записанная" и "переносимая" частицами Космических лучей на их пути к Земле, расшифровывается при исследовании вариаций космических лучей - пространственно-временных изменений потока Космических лучей под влиянием динамических электромагнитных и плазменных процессов в межзвёздном и околоземном пространстве.

Рис. 1. Схема взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли. Первичное ядро высокой энергии р (обычно протон) разрушает ядра атмосферного азота или кислорода и порождает каскад вторичных частиц, поток которых условно разделяют на три компонента: электронно-фотонный (1), мю-мезонный (2) и нуклонный (3)

Космические лучи поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные элементарные частицы.

К. л. -- уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий, позволяющих изучать процессы превращения элементарных частиц и их структуру. Наряду с этим К. л. дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы большого масштаба, связанные с ускорением и распространением частиц космического излучения в межпланетной, межзвёздной, а возможно, и в межгалактической среде.

Большинство частиц первичного космического излучения имеет энергию больше 109 эв (1 Гэв), а энергия отдельных частиц достигает 1020--1021 эв (а может быть, и выше). До создания мощных ускорителей заряженных частиц Космических лучей были единственным источником частиц высоких энергий. В К. л. были впервые обнаружены многие неизвестные ранее элементарные частицы и получены первые данные об их распадах и взаимодействиях с атомными ядрами. Хотя современные ускорители (в особенности ускорители на встречных пучках) позволяют проводить тщательное изучение процессов взаимодействия частиц вплоть до энергий 1011--1012 эв, К. л. по-прежнему являются единственным источником сведений о взаимодействиях частиц при ещё более высоких энергиях.

Подавляющая часть первичных К. л. приходит к Земле извне Солнечной системы -- из окружающего её галактического пространства (Галактики), т. н. галактические К. л., и лишь небольшая их часть, преимущественно умеренных энергий (<1 Гэв), связана с активностью Солнца, т. н. солнечные К. л. Однако в периоды высокой солнечной активности могут происходить кратковременные сильные возрастания потоков солнечных К. л. в межпланетном пространстве. Частицы самых высоких энергий (>1017эв) имеют, возможно, внегалактическое происхождение (приходят из Метагалактики).

Общий поток энергии, приносимой К. л. на Землю (Космические лучи0,01 эрг на 1 см2 в 1 сек), чрезвычайно мал по сравнению с излучаемым на Землю потоком солнечной энергии и сравним с энергией видимого излучения звёзд. Однако не исключено, что в далёком прошлом К. л. сыграли определённую роль в ускорении эволюции жизни на Земле.

В масштабах всей Галактики средняя плотность энергии К. л. велика (Космические лучи 1 эв/см3) -- порядка плотностей всех других видов энергии: энергии тяготения (гравитации), магнитных полей, кинетической энергии движения межзвёздного газа, энергии электромагнитного излучения звёзд. Поэтому К. л. могут оказывать заметное влияние на эволюцию Галактики в целом.

В физике К. л. четко выделяются 2 основных направления исследований: ядерно-физическое (взаимодействие К. л. с веществом; генерация, свойства и взаимодействия элементарных частиц) и космо-физическое (состав и энергетический спектр первичных К. л.; генерация и распространение солнечных и галактических К. л.; изменение во времени интенсивности К. л. и взаимодействие К. л. с магнитосферой Земли), с солнечным ветром и ударными волнами в межпланетном пространстве и др.). По мере развития техники ускорителей область исследований на первом направлении постепенно сдвигается в сторону высоких энергий. Всё более глубокое изучение ближнего космоса прямыми методами с помощью спутников и космических ракет перемещает центр тяжести второго направления на более далёкие космические объекты. Поэтому научные результаты, получаемые с помощью К. л., носят, как правило, разведывательный, первооткрывательский, характер и имеют фундаментальное значение как для развития физики микромира (в области характерных размеров ?10-13 см), так и для развития физики космоса (108--1028 см).



1.1 Открытие и основные этапы исследования космических лучей

Существование Космических лучей было установлено в 1912 В. Гессом по производимой ими ионизации молекул воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение. Наблюдения следов частиц К. л. в Вильсона камере помещенной в поле лабораторного магнита (Д. В. Скобельцын, 1927), и отклонения их в магнитном поле Земли с помощью газоразрядных счётчиков, поднимаемых в стратосферу на баллонах (С. Н. Вернов и Р. Милликен, 1935--37), доказали, что первичные К. л. представляют собой поток заряженных частиц, в основном протонов (ядер атомов водорода). При этом были измерены и энергии большей части К. л. (до 15 Гэв). С помощью ядерных фотографических эмульсий , поднятых на высоту Космические лучи 30 км (Б. Питерс и др., 1948), в составе первичных К. л. были обнаружены следы ядер более тяжёлых элементов, чем водород, вплоть до ядер железа (рис. 1).

Детальное изучение зарядов и масс частиц вторичных К. л. привело к открытию многих новых элементарных частиц, в частности Позитрона, мюона, пи-мезона, К-мезона (, Л-гиперона (1932--49). В 1932 П. Блэкетт и Дж. Оккиалини впервые обнаружили в камере Вильсона группы близких по направлению генетически связанных частиц космического излучения -- т. н. ливни. В опытах 1945--49 на высокогорных станциях К. л. (В. И. Векслер, Н. А. Добротин и др.) и в стратосфере (С. Н. Вернов и др.) было установлено, что вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия первичных К. л. с ядрами атомов воздуха. Позднее Г. Т. Зацепин показал, что тот же механизм, но при более высоких энергиях (?1014 эв) объясняет развитие открытых ранее в К. л. (П. Оже, 1938) широких атмосферных ливней -- потоков из многих миллионов частиц, покрывающих на уровне моря площади порядка 1 км2 и более.

Для правильного подхода к проблеме происхождения К. л. большую роль сыграли успехи радиоастрономии. Связанное с К. л. нетепловое космическое радиоизлучение позволило обнаружить их возможные источники. В 1955 В. Л. Гинзбург и И. С. Шкловский на основе радио-астрономических наблюдений и энергетических оценок впервые количественно обосновали гипотезу о сверхновых звёздах как одном из основных галактических источников К. л.

Базой для космофизического направления исследований явилась созданная в 50--60-е гг. обширная мировая сеть станций К. л. (свыше 150), на которых проводится непрерывная регистрация космического излучения. Многие станции находятся высоко в горах, на некоторых станциях проводятся подземные наблюдения, регулярно посылаются в стратосферу баллоны с приборами автоматической регистрации К. л.

Новые возможности прямого изучения первичных К. л. в очень широком диапазоне энергий открылись в связи с подъёмом регистрирующей аппаратуры на искусственных спутниках Земли и межпланетных автоматических станциях. В частности, с помощью калориметра ионизационного на спутниках серии «Протон» был впервые непосредственно измерен энергетический спектр первичных К. л. до энергии Космические лучи1015 эв (советский физик Н. Л. Григоров и др., 1965-- 1969). Позднее с помощью искусственных спутников Луны и Марса, а также на советском «Луноходе-1» (1970--71) были проведены длительные измерения вариаций состава и интенсивности Космических лучей, за пределами магнитосферы Земли.



Рис. 1. Следы ядер первичных космических лучей в ядерной фотоэмульсии (Z -- атомный номер химического элемента)

1.2 Солнечные Космические лучи

Наиболее сильные возрастания интенсивности К. л. в виде нерегулярных кратковременных всплесков связаны с хромосферными вспышками на Солнце. При таких вспышках происходит ускорение заряженных частиц. солнечной плазмы электромагнитными полями (по-видимому, у границ солнечных пятен), т. е. генерация солнечных К. л. Предложен, в частности, весьма вероятный механизм ускорения частиц электрическими полями, индуцируемыми при быстром сближении областей солнечной плазмы с противоположно направленными магнитными полями (советский физик С. И. Сыроватский, 1965).

Потоки солнечных космических лучей во время некоторых хромосферных вспышек в сотни раз превышают потоки галактических К. л. Так, при рекордном всплеске 23 февраля 1956 наблюдалось 300-кратное возрастание потока К. л. с энергией > 3 Гэв, что могло бы представлять серьёзную угрозу безопасности космических полётов. Поэтому очень важны систематические наблюдения хромосферных вспышек, всплесков радио- и рентгеновского излучения и др. проявлений солнечной активности, позволяющие в тесной связи с измерениями интенсивности К. л. прогнозировать радиационную обстановку на трассах космических полётов.

В среднем вклад солнечных К. л. в общую интенсивность космического излучения составляет несколько процентов.

Химический состав солнечных К. л. очень близок к составу солнечной атмосферы. В отличие от галактических космических лучей., в них отсутствуют ядра Li, Be, В. Это показывает, что количество вещества, проходимое солнечными К. л., чрезвычайно мало (< 0,1 г/см2) и что их генерация не может происходить в глубине солнечной атмосферы, где плотность вещества слишком велика (вероятнее всего ускорение происходит в верхней хромосфере и нижней короне Солнца).

Частицы солнечных К. л. по сравнению с галактическими обладают более низкими энергиями (их энергетический спектр более мягкий). Энергии протонов обычно ограничиваются долями Гэв, и лишь при очень редких мощных хромосферных вспышках генерируются протоны с энергиями до 100 Гэв; нижняя граница энергии регистрируемых электронов солнечных К. л. составляет десятки кэв (т. е. близка к энергии частиц солнечного ветра). Солнечные К. л. малой энергии оказывают существенное воздействие на состояние ионосферы Земли в высоких широтах, вызывая дополнительную ионизацию её нижних слоев. Это приводит к ослаблению радиоволн, а в некоторых случаях -- к полному прекращению радиосвязи на коротких волнах. Данные о распространении солнечных К. л., их энергетическом спектре и угловой анизотропии позволяют получить информацию о структуре магнитного поля в межпланетном пространстве. Изучение пространственных и временных вариаций (изменений) потоков солнечных К. л. помогает лучше понять такие геофизические явления, как геомагнитные бури, полярные сияния и пр.

Характер возрастания потока солнечных Космических лучей на Землю показывает, что в начальный период после вспышки поток существенно анизотропен, причём его максимум направлен под углом примерно 45° к западу от направления на Солнце. Это явилось первым прямым доказательством изогнутости силовых линий межпланетного магнитного поля в виде спиралей Архимеда (см. рис. 4).

Модуляция галактических Космических лучей солнечным ветром. Среди периодических временных вариаций интенсивности галактических Космических лучей главную роль играют модуляции интенсивности, совпадающие с 11-летним циклом солнечной активности. Эти модуляции связаны с рассеянием и «выметанием» Космических лучей галактического происхождения неоднородно намагниченными регулярными потоками плазмы, выбрасываемой из Солнца со скоростями 300--500 км/сек. Такие потоки, получившие название солнечного ветра, распространяются далеко за пределы орбиты Земли [на десятки астрономических единиц (а. е.); 1 а. е. ? 150 млн. км], постепенно переходя в турбулентное движение плазмы в слое, пограничном с невозмущённым галактическим магнитным полем (рис. 4).



Рис. 4. Схема, иллюстрирующая характер солнечного ветра и структуру регулярного межпланетного магнитного поля (спираль) в области модуляции галактических космических лучей; штриховая окружность -- орбита Земли

Согласно данным о двух последних циклах (1948--59 и 1959--70), интенсивность Космических лучей. Вблизи границы земной атмосферы во время максимума солнечной активности снижается в 2--2,5 раза по сравнению с величиной, характерной для минимума. На уровне моря, куда частицы малой энергии не доходят, амплитуда 11-летних вариаций Космических лучей оказывается гораздо меньшей (рис. 5).

Существуют и другие, менее ярко выраженные типы модуляций галактических Космических лучей обусловленные различными причинами. Это, в частности, 27-суточные вариации, связанные с периодом вращения Солнца вокруг своей оси, а также солнечно-суточные вариации, связанные с вращением Земли и с анизотропией электромагнитных свойств среды, в которой распространяются Космические лучи. Совокупность сведений о модуляционных эффектах приводит большинство исследователей к выводу, что эффективные размеры области модуляции Космических лучей солнечным ветром составляют 2--5 а. е.



Глава 2. Взаимодействие Космических лучей с веществом

1. Ядерно-активная компонента Космических лучей и множественная генерация частиц. При взаимодействии протонов и др. ядер первичных К. л. высокой энергии (Космические лучи несколько Гэв и выше) с ядрами атомов земной атмосферы (главным образом азота и кислорода) происходит расщепление ядер и рождение нескольких нестабильных элементарных частиц (т. н. Множественные процессы), в основном р-мезонов (пионов) -- заряженных (р+, р-) и нейтральных (р0) с временами жизни 2,5?10-8 сек и 0,8?10-16 сек соответственно. Со значительно меньшей вероятностью (в 5--10 раз) рождаются К-мезоны и с ещё меньшей -- гипероны и практически мгновенно распадающиеся Резонансы. На рис. 6 приведена фотография множественного рождения частиц, зарегистрированного в ядерной фотоэмульсии; частицы вылетают из одной точки в виде узкого пучка. Среднее число вторичных частиц, образующихся в одном акте взаимодействия протона (или р-мезона) с лёгким ядром пли одним нуклоном такого ядра, возрастает с ростом энергии E сначала по степенному закону, близкому к E1/3 (вплоть до E ? 20 Гэв), а затем (в области энергий 2?1010--1013 эв) этот рост замедляется и лучше описывается логарифмической зависимостью. В то же время косвенные данные по широким атмосферным ливням указывают на процессы значительно более высокой множественности при энергиях ? 1014 эв.

Угловая направленность потока рожденных частиц в широком интервале энергии первичных и рожденных частиц такова, что составляющая импульса, перпендикулярная направлению первичной частицы (т. н. поперечный импульс), составляет в среднем 300--400 Мэв/с, где с -- скорость света в вакууме (при очень высоких энергиях E частицы, когда энергией покоя частицы mc2 можно пренебречь по сравнению с её кинетической энергией, импульс частицы р = E/c; поэтому в физике высоких энергий импульс обычно измеряют в единицах Мэв/с).

Первичные протоны при столкновении теряют в среднем около 50% начальной энергии (при этом они могут испытывать перезарядку, превращаясь в нейтроны).

Образующиеся при расщеплении ядер вторичные нуклоны (протоны и нейтроны) и рожденные в столкновениях заряженные пионы высокой энергии будут также (вместе с потерявшими часть энергии первичными протонами) участвовать в ядерных взаимодействиях и вызывать расщепление ядер атомов воздуха и множественное образование пионов. Средний пробег, на котором осуществляется одно ядерное взаимодействие, принято измерять удельной массой пройденного вещества он составляет для первичных протонов Космические лучи 90 г/см2 воздуха, т. е. Космические лучи9% всей толщи атмосферы. С ростом атомного веса вещества А средний пробег постепенно возрастает (примерно как А1/3), достигая Космические лучи 160 г/см2 для свинца. Рождение пионов происходит в основном на больших высотах (20--30 км), но продолжается в меньшей степени по всей толще атмосферы и даже на глубине нескольких м грунта.

Вылетающие при ядерных столкновениях нуклоны ядер и не успевшие распасться заряженные пионы высокой энергии образуют ядерно-активную компоненту вторичных К. л. Многократное повторение последовательных, каскадных взаимодействий нуклонов и заряженных пионов с ядрами атомов воздуха, сопровождающихся множественной генерацией новых частиц (пионов) в каждом акте взаимодействия, приводит к лавинообразному возрастанию числа вторичных ядерно-активных частиц и к быстрому уменьшению их средней энергии. Когда энергия отдельной частицы становится меньше 1 Гэв, рождение новых частиц практически прекращается и остаются (как правило) только процессы частичного (а иногда полного) расщепления атомного ядра с вылетом нуклонов сравнительно небольших энергий. Общий поток частиц ядерно-активной компоненты по мере дальнейшего проникновения в глубь атмосферы уменьшается (рис. 7, кривая 1), и на уровне моря (Космические лучи1000 г/см2) остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

Рис. 6. Фотография множественного рождения частиц при взаимодействии тяжёлого ядра первичного космического излучения с одним из ядер фотоэмульсии; образовано (помимо нейтральных) свыше 300 заряженных частиц, главным образом пионов

2. Электронно-фотонные ливни и мягкая компонента вторичных Космических лучей.

Образующиеся при взаимодействиях частиц ядерно-активной компоненты с атомными ядрами нейтральные пионы практически мгновенно распадаются (вследствие их очень малого времени жизни) на два фотона (г) каждый: р°>2г. Этот процесс даёт начало электронно-фотонной компоненте К. л. (она называется также мягкой, т. е. легко поглощаемой, компонентой).

В сильных электрических полях атомных ядер эти фотоны рождают электронно-позитронные пары e- e+(г>e-+e+), а электроны и позитроны, в свою очередь, путём тормозного излучения испускают новые фотоны (е±>е±+ г) и т. д. Такие процессы, носящие каскадный характер, приводят к лавинообразному нарастанию общего числа частиц -- к образованию электронно-фотонного ливня. Развитие электронно-фотонного ливня приводит к быстрому дроблению энергии р0 на всё большее число частиц, т. е. к быстрому уменьшению средней энергии каждой частицы ливня. После максимального развития мягкой компоненты, достигаемого на высоте около 15 км (Космические лучи 120 г/см2), происходит её постепенное затухания (рис. 7, кривая 2). Когда энергия каждой частицы становится меньше некоторого критического значения (для воздуха критическая энергия составляет около 100 Мэв), преобладающую роль начинают играть потери энергии на ионизацию атомов воздуха и комптоновское рассеяние увеличение числа частиц в ливне прекращается, и его отдельные частицы быстро поглощаются. Практически полное поглощение электронно-фотонной компоненты происходит на сравнительно небольших толщах вещества (особенно большой плотности); в лабораторных условиях для этого достаточно иметь свинцовый экран толщиной 10--20 см (в зависимости от энергии частиц). Электронно-фотонный ливень, зарегистрированный в камере Вильсона, приведён на рис. 8



Рис. 8. Фотография, показывающая развитие электронно-фотонного ливня в латунных пластинках, установленных в камере Вильсона

Основной характеристикой электронно-фотонного ливня является изменение числа частиц с увеличением толщины пройденного вещества -- т. н. каскадная кривая (рис. 9). В соответствии с теорией этого процесса число частиц в максимуме каскадной кривой примерно пропорционально энергии первоначальной частицы. Углы отклонения частиц от оси ливня определяются рассеянием электронов и позитронов, а средний поперечный импульс составляет около 20 Мэв/с.

Наряду с р°-мезонами в К. л. существуют и др. источники образования электронно-фотонных ливней. Это электроны и г-кванты высокой энергии (> 100 Мэв) первичных К. л., а также д-электроны, т. е. атомарные электроны, выбиваемые за счёт прямого электрического взаимодействия проходящих сквозь вещество быстрых заряженных частиц Космических лучей.

При очень высоких энергиях (? 1014 эв) электронно-фотонные ливни в земной атмосфере приобретают специфические черты широких атмосферных ливней. В таких ливнях очень большое число последовательных каскадов размножения приводит к сильному росту общего потока частиц (исчисляемого в зависимости от энергии многими миллионами и даже миллиардами) и к их широкому пространственному расхождению -- на десятки и сотни м от оси ливня. В широких атмосферных ливнях у поверхности Земли одна частица ливня приходится примерно на несколько (2--3) Гэв энергии первичной частицы, вызвавшей ливень. Это даёт возможность оценивать по полному потоку частиц в ливне энергию приходящих на границу земной атмосферы «предков» этих ливней, что невозможно сделать непосредственно из-за крайне малой вероятности их прямого попадания в точку наблюдения.

Вследствие большой плотности потока частиц в широком атмосферном ливне испускается сравнительно интенсивное направленное электромагнитное излучение как в оптической области спектра, так и в радиодиапазоне. Оптическая часть свечения определяется процессом Черенкова -- Вавилова излучения, поскольку скорости большинства частиц превышают фазовую скорость распространения света в воздухе. Механизм радиоизлучения более сложен; он связан, в частности, с тем, что магнитное поле Земли вызывает пространственное разделение потоков отрицательно и положительно заряженных частиц, что эквивалентно возникновению переменного во времени электрического Диполя.

Рис.9

3. Космические мюоны и нейтрино. Проникающая компонента вторичного излучения. Возникающие в атмосфере под действием космических лучей заряженные пионы участвуют в развитии ядерного каскада лишь при достаточно больших энергиях -- до тех пор, пока не начинает сказываться их распад на лету. В верхних слоях атмосферы процессы распада становятся существенными уже при энергиях ? 1012 эв.

Заряженный пион (с энергией ? 1011 эв) распадается на мюон м±(заряженную нестабильную частицу с массой покоя mм ?207 me, где me -- масса электрона, и средним временем жизни ф0 ? 2?10-6 сек) и нейтрино н (нейтральную частицу с нулевой массой покоя). В свою очередь, мюон распадается на позитрон (или электрон), Нейтрино и Антинейтрино. Т. к. скорости мюонов (как и всех остальных частиц К. л.) очень близки к скорости света с, то, в соответствии с теорией относительности, среднее время до их распада ф достаточно велико -- пропорционально полной энергии E, ф = Электромагнитные взаимодействия)) и теряют свою энергию в основном на ионизацию атомов (Космические лучи 2 Мэв на толщине 1 г/см2). Поэтому поток мюонов представляет собой проникающую компоненту Космических лучей . Даже при сравнительно умеренной энергии Космические лучи 10 Гэв мюон может не только пройти сквозь всю земную атмосферу (см. рис. 7, кривая 3).



Рис. 7. Поглощение космических лучей в атмосфере -- зависимость интенсивности I космических лучей (для 50° с. ш.) от толщины t пройденного слоя: 1 -- ядерно-активная компонента (протоны и б-частицы); 2 -- мягкая компонента; 3 -- проникающая компонента (мюоны); 4 -- полная интенсивность. но и проникнуть далеко в глубь Земли на расстояния порядка 20 м грунта (рис. 10)



Рис. 10. Зависимость интенсивности I вертикального потока проникающей (мюонной) компоненты космических лучей от глубины t относительно уровня моря (масштаб логарифмический)

Максимальная глубина, на которой регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, составляет около 8600 м в переводе на водный эквивалент. Благодаря своей большой проникающей способности именно мюоны образуют «скелет» широких атмосферных ливней на больших (сотни м) расстояниях от их оси.

Т. о., одновременно с развитием описанного выше ядерного каскада происходит (за счёт распада р0) его «обрастание» электронно-фотонной компонентой, а также (за счёт распадов р+ и р-) -- проникающей мюонной компонентой (рис. 11).



Рис. 11. Схема ядерно-каскадного процесса в атмосфере, с образованием трёх основных компонент вторичных космических лучей: электронно-фотонной (мягкой), ядерно-активной и мюонной (проникающей); р -- протон; n -- нейтрон; р±,р0 -- пионы; м± -- мюоны; е± -- позитрон и электрон; н -- нейтрино; г -- квант

Высокая проникающая способность в сочетании с прямо пропорциональным плотности вещества коэффициент поглощения при умеренных энергиях (десятки и сотни Гэв) делает проникающую компоненту К. л. очень удобным средством для подземной геофизической и инженерной разведки (рис. 12). Измеряя интенсивность космических лучей. телескопом счётчиков в штольнях и сравнивая полученные данные с известными кривыми поглощения К. л. в воде или грунте, можно обнаруживать или уточнять положения рудных пластов и пустот, а также измерять весовую нагрузку на грунт от стоящих на нём сооружений.

При энергиях порядка 1012 эв и выше наряду с ионизационными потерями энергии мюонов становятся всё более существенными потери энергии на образование электронно-позитронных пар и тормозное излучение, а также на прямые взаимодействия с атомными ядрами вещества. Вследствие этого на глубинах ? 8 км водного эквивалента под углами ? 50° к вертикали поток космических мюонов оказывается ничтожно малым. Эксперименты, проводившиеся с 1964 в шахтах Индии и Южной Африки с установками огромной площади, позволили обнаружить на этих глубинах под углами > 50° дополнительный поток мюонов, единственным источником которых могли быть только взаимодействия нейтрино с атомными ядрами вещества. Эти опыты представили собой уникальную возможность изучения свойств самой проникающей -- нейтринной -- компоненты К. л. Наиболее важной проблемой при этом является изучение взаимодействия нейтрино сверхвысоких энергий с веществом; в частности, для выяснения структуры элементарных частиц особый интерес представляет исследование увеличения поперечного сечения взаимодействия (уменьшения «прозрачности» вещества) с ростом энергии нейтрино. Такое возрастание сечения взаимодействия нейтрино установлено на ускорителях до энергий 1010 эв. Очень важно исследовать, будет ли продолжаться этот рост сечения вплоть до энергий 1015 эв (соответствующих характерному расстоянию слабых взаимодействий 6?10-17 см).

Измерения потоков солнечных нейтрино значительно более низких энергий (Космические лучи 1 Мэв) позволят подойти к решению и другой, космофизической, проблемы нейтринной физики. Это связано с использованием огромной проникающей способности нейтрино для косвенного измерения температуры недр Солнца, от которой зависит характер протекающих в нём ядерных реакций -- основного источника солнечной энергии



Глава 3. Методы изучения космических лучей

Вторгаясь в атмосферу Земли, первичные К. л. разрушают ядра наиболее распространённых в атмосфере элементов - азота и кислорода - и порождают каскадный процесс (рис. 1), в к-ром участвуют все известные в настоящее время элементарные частицы. 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 х (в г/см2) в пучке протонов с первоначальной интенсивностью I0 количество протонов, не испытавших столкновения, будет равно , где - ср. пробег частицы. Для протонов, которые составляют большинство первичных К. л., в воздухе равен примерно 70 г/см2; для ядер гелия 25 г/см2, для более тяжёлых ядер ещё меньше. Первое столкновение (70 г/см2) с атмосферными частицами протоны испытывают в среднем на высоте 20 км. 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, создаваемой вторичными частицами.

В начале 20 в. в опытах с электроскопами и ионизации камерами была обнаружена постоянная остаточная ионизация газов, вызываемая каким-то очень проникающим излучением. В отличие от излучения радиоактивных веществ окружающей среды, проникающее излучение не могли задержать даже толстые слои свинца. Внеземная природа обнаруженного проникающего излучения была установлена в 1912-14 гг. австр. физиком В. Гессом, нем. учёным В. Кольхёрстером и др. физиками, поднимавшимися с ионизационными камерами на воздушных шарах. Было найдено, что с увеличением расстояния от поверхности Земли ионизация, вызываемая К. л., растёт, напр. на высоте 4800 м - вчетверо, на высоте 8400 м - в 10 раз. Внеземное происхождение космических лучей окончательно доказал Р. Милликен (США), осуществивший в 1923-26 гг. серию опытов по исследованию поглощения К. л. атмосферой (именно он ввёл термин "К. л.").

Природа Космических лучей вплоть до 40-х гг. оставалась неясной. В течение этого времени интенсивно развивалось ядерное направление - изучение взаимодействия Космических лучей с веществом, образования вторичных частиц и их поглощения в атмосфере. Эти исследования, проводившиеся при помощи счётчиковых телескопов, камер Вильсона и ядерных фотоэмульсий (поднимаемых на шарах-зондах в стратосферу), привели, в частности, к открытию новых элементарных частиц - позитрона (1932 г.), мюона (1937 г.), пи-мезонов (1947 г.).

Систематические исследования влияния геомагнитного поля на интенсивность и направление прихода первичных К. л. показали, что подавляющее большинство частиц К. л. имеет положит. заряд. С этим связана восточно-западная асимметрия К. л.: из-за отклонения заряженных частиц в магнитном поле Земли с запада приходит больше частиц, чем с востока.

Применение фотоэмульсий позволило в 1948 г. установить ядерный состав первичных космических лучей.: были обнаружены следы ядер тяжёлых элементов вплоть до железа (первичные электроны в составе космических лучей были впервые зарегистрированы в стратосферных измерениях лишь в 1961 г.). С конца 40-х гг. на передний план постепенно выдвинулись проблемы происхождения и временных вариаций космических лучей (космофизических аспект).

Ядерно-физическое исследования Космических лучей осуществляются в основном при помощи счётчиковых установок большой площади, предназначенных для регистрации т.н. широких атмосферных ливней из вторичных частиц, которые образуются при вторжении одной первичной частицы с энергией эВ. Основная цель таких наблюдений - изучение характеристик элементарного акта ядерного взаимодействия при высоких энергиях. Наряду с этим они дают информацию об энергетическом спектре Космических лучей при эВ, что очень важно для поиска источников и механизмов ускорения космических лучей.

Наблюдения Космических лучей в космофизическом аспекте проводятся весьма разнообразными методами - в зависимости от энергии частиц. Вариации космических лучей с эВ изучаются по данным мировой сети нейтронных мониторов (нейтронный компонент К. л.), счётчиковых телескопов (мюонный компонент космических лучей) и др. детекторов. Однако наземные установки из-за атмосферного поглощения нечувствительны к частицам с МэВ. Поэтому приборы для регистрации таких частиц поднимают на шарах-зондах в стратосферу до высот 30-35 км.

Внеатмосферные измерения потока космических лучей 1-500 МэВ осуществляются при помощи геофизических ракет, ИСЗ и др. КА. Прямые наблюдения Космических лучей в межпланетном пространстве осуществлены пока лишь вблизи плоскости эклиптики до расстояния ~ 10 а. е. от Солнца.

Ряд ценных результатов дал метод космогенных изотопов. Они образуются при взаимодействии Космических лучей с метеоритами и космической пылью, с поверхностью Луны и др. планет, с атмосферой или веществом Земли. Космогенные изотопы несут информацию о вариациях Космических лучей. в прошлом и о солнечно-земных связях. По содержанию радиоуглерода 14С в годичных кольцах деревьев можно, напр., изучать вариации интенсивности Космических лучей на протяжении нескольких последних тысяч лет. По др. долгоживущим изотопам (10Ве, 26Al, 53Mn и др.), содержащимся в метеоритах, лунном грунте, в глубоководных морских отложениях, можно восстановить картину изменений интенсивности Космических лучей за миллионы лет.

С развитием космических техники и радио-химических методов анализа стало возможным изучение характеристик К. л. по трекам (следам), создаваемым ядрами К. л. в метеоритах, лунном веществе, в спец. образцах-мишенях, экспонируемых на ИСЗ и возвращаемых на Землю, в шлемах космонавтов, работавших в открытом космосе, 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 земную атмосферу солнечных К. л.

3.1 Космические лучи у Земли

Табл. 1. Относительное содержание ядер в космических лучах, на Солнце и звездах (в среднем)

Элемент	Солнечные К.л.	Солнце (фотосфера)	Звезды	Галактические К.л.
1H	4600*	1445	925	685
2He (-частица)	70*	91	150	48
3Li	?	<10-5	<10-5	0,3
4Be-5B	0,02	<10-5	<10-5	0,8
6C	0,54*	0,6	0,26	1,8
7N	0,20	0,1	0,20	0,8
8O**	1,0*	1,0	1,0	1,0
9F	<0,03	10-3	<10-4	0,1
10Ne	0,16*	0,054	0,36	0,30
11Na	?	0,002	0,002	0,19
12Mg	0,18*	0,05	0,040	0,32
13Al	?	0,002	0,004	0,06
14Si	0,13*	0,065	0,045	0,12
15P-21Sc	0,06	0,032	0,024	0,13
16S-20Ca	0,04*	0,028	0,02	0,11
22Ti-28Ni	0,02	0,006	0,033	0,28
26Fe	0,15*	0,05	0,06	0,14

* Данные наблюдений для интервала =1-20 МэВ/нуклон, остальные цифры в этой графе относятся в основном к >40 МэВ/нуклон. Точность большинства значений в таблице в целом - от 10 до 50%. ** Обилие ядер кислорода принято за единицу



Важнейшими характеристиками Космических лучей является их состав (распределение по массам и зарядам), энергетический спектр (распределение по энергиям) и степень анизотропии (распределение по направлениям прихода). Относительное содержание ядер в Космических лучах приведено в табл.1. Из табл. 1 видно, что в составе Космических лучей галактическое происхождения гораздо больше лёгких ядер (Z= 3-5), чем в солнечных К. л. и в среднем в звёздах Галактики. Кроме того, в них присутствует значительно больше тяжёлых яде (20) по сравнению с их естественной распространённостью. Оба эти различия очень важны для выяснения вопрос о происхождении Космических лучей.

Относительные числа частиц с различной массой в К. л. приведены в табл. 2.

Табл. 2. Состав и некоторые характеристики космических лучей с энергиями 2,5 ГэВ/нуклон

Группа	Частицы, входящие в группу	Заряд ядра	Средняя атомная масса, а.е.м.	Интенсивность, число частиц/ (мсср)	Число частиц на 10 тыс. протонов	в среднем в звездах Галактики
p	протоны	1	1	1300	10000	10000
-частица	ядра гелия	2	4	94	720	1600
L	легкие ядра	3-5	10	2,0	15	10-4
M	средние ядра	6-9	14	6,7	52	14
H	тяжелые ядра	10	31	2,0	15	6
VH	очень тяжелые ядра	20	51	0,5	4	0,06
SH	самые тяжелые ядра	> 30	100	~10-4	~10-3
e	электроны	1	1/1836	13	100	10000



Видно, что в потоке первичных К. л преобладают протоны, их более 90% от числа всех частиц. По отношению к протонам -частицы составляют 7%, электроны ~ 1% и тяжёлые ядра - менее 1%. Эти цифры относятся к частицам с энергией 2,5 ГэВ/нуклон по измерениям у Земли в минимуме солнечной активности, когда наблюдаемые энергетические спектр можно считать близким к немодулированному спектру К. л. в межзвёздном пространстве.

Интегральный энергетический спектр К. л. [частиц/(см2с)] отражает зависимость числа частиц I с энергией выше (I0 - нормировочная константа, +1 - показатель спектра, знак минус указывает на то, что спектр имеет падающий характер, т.е. с увеличением интенсивность К. л. уменьшается). Часто пользуются также дифференциальным представлением спектра [частиц/(см2с МэВ)], которое отражает зависимость от числа частиц в расчёте на единичный интервал энергии (1 МэВ).

Рис. 2. Дифференциальный спектр космических лучей в межпланетном пространстве вблизи орбиты Земли: 1 - протоны; 2 - -частицы галактических космических лучей; 3 - протоны от солнечных вспышек. Для сравнения показаны спектры протонов и -частиц солнечного ветра (кривые 4 и 5 соответственно)

Дифференциальный спектр по сравнению с интегральным позволяет выявить более тонкие детали энергетического распределения Космических лучей. Это видно из рис. 2, где показан дифференциальный спектр Космических лучей, наблюдаемый у Земли в интервале примерно от 106 до эВ. Частицы К. л. с энергиями, попадающими в этот интервал, подвержены влиянию солнечной активности, поэтому изучение энергетического спектра Космических лучей в интервале 106-1011 эВ крайне важно для понимания проникновения Космических лучей из межзвёздного в межпланетное пространство, взаимодействия Космических лучей с межпланетным магнитным полем (ММП) и солнечным ветром, для интерпретации солнечно-земных связей.

До начала внеатмосферных и вне магнитосферных наблюдений Космических лучей вопрос о форме дифференциального спектра в области эВ казался довольно ясным: спектр у Земли имеет максимум вблизи 400 МэВ/нуклон; немодулированный спектр в межзвёздном пространстве должен иметь степенную форму; в межпланетном пространстве не должно быть галактических Космических лучей малых энергий. Прямые измерения К. л. в интервале от 106 до 108 эВ показали, вопреки ожиданиям, что, начиная примерно с = 30 МэВ (и ниже), интенсивность К. л. снова растёт, т.е. был обнаружен характерный провал в спектре. Вероятно, провал - это результат усиленной модуляции К. л. в области эВ, где рассеяние частиц на неоднородностях ММП наиболее эффективно.

генерация частица нейтрино ядерный



Рис. 3. Амплитуда звёздно-суточной анизотропии Aзв космических лучей в зависимости от энергии в интервале 1011-1020 эВ. Максимальное значение Aзв= 35% наблюдалось при эВ

Установлено, что при эВ спектр К. л. уже не подвержен модуляции, а его наклон соответствует величине 2,7 вплоть до эВ. В этой точке спектр претерпевает излом (показатель увеличивается до =3,2-3,3). Имеются указания на то, что одновременно в составе К. л. увеличивается доля тяжёлых ядер. Однако данные о составе К. л. в этой области энергий пока весьма скудны. При эВ спектр должен резко обрываться из-за ухода частиц в межгалактическом пространство и взаимодействия с фотонами микроволнового фонового излучения. Поток частиц в области сверхвысоких энергий очень мал: на площадь 10 км2 за год попадает в среднем не более одной частицы с эВ.

Для К. л. с эВ характерна высокая изотропия: с точностью до 0,1% интенсивность частиц по всем направлениям одинакова. При более высоких энергиях анизотропия растёт и в интервале эВ достигает нескольких десятков % (рис. 3). Анизотропия ~ 0,1% с максимумом вблизи 19 ч звёздного времени соответствует преимущественному направлению движения К. л. вдоль силовых линий магнитного поля галактического спирального рукава, в к-ром находится Солнце. С ростом энергии частиц время максимума сдвигается к 13 ч звёздного времени, что соответствует наличию дрейфового потока К. л. с эВ из Галактики поперёк магнитных силовых линий.

3.2 Область модуляционных эффектов

Частицы самых низких энергий не могут наблюдаться непосредственно у Земли, поскольку солнечный ветер препятствует вхождению этих частиц в нашу Гелиосферу. Эта гелиосферная модуляция уменьшается с увеличением энергии и приводит к солнечному циклу вариации интенсивности КЛ при низких энергиях. В интенсивности и спектре ГКЛ, попадающих в Гелиосферу, происходят заметные изменения. Эти изменения, прежде всего, связаны с взаимодействием потока космических лучей с солнечным ветром и вмороженными в этот ветер магнитными полями. В результате энергетический спектр галактических космических лучей, измеренный у Земли, заметно отличается от спектра ГКЛ в межзвёздной среде. На Рис.9 представлены результаты измерений спектра галактических космических лучей в периоды времени, соответствующие различным фазам солнечной активности (Heber, 2001).

Рис. 9 Энергетический спектр различных элементов, измеренный вблизи Земли в год минимума солнечной активности (верхние кривые) и в год максимума (нижние)

Видно, что при энергиях более 10 ГэВ/нуклон интенсивности ГКЛ в различные фазы солнечной активности отличаются незначительно. В то же время при энергиях ~ 10 МэВ интенсивности спектров могут отличаться на порядок.

При рассмотрении различных явлений в гелиосфере на протяжении нескольких десятилетий определяющим их фактором является 11-летняя и 22-летняя цикличность солнечного процесса, характеризующегося рядом чётко установленных закономерностей, касающихся уровня активности Солнца, расположения активных областей на фотосфере, а также магнитного поля активных образований. Граница области модуляции находится на расстояниях ~100 а.е.

На Рис.10 показана модуляция интенсивности КЛ в 11-летнем солнечном цикле (Базилевская и др., 2005). Интенсивность ГКЛ меняется в противофазе с числом солнечных пятен. Однако процессы солнечной модуляции оказываются довольно сложными и не сводятся только к антикорреляции с числом солнечных пятен.

Теоретической основой транспорта ГКЛ в гелиосфере является уравнение переноса Паркера (Parker, 1965):

где - функция распределения космических лучей, R-жёсткость, r и t- соответственно расстояние от Солнца и время. V - скорость солнечного ветра. В правой части уравнения записаны члены, описывающие конвекцию частиц, продольный и поперечный дрейф, диффузию, адиабатические изменения энергии и источник частиц соответственно. Источником частиц может быть любой гелиосферный источник. K- тензор, симметричная часть которого описывает диффузию, а антисимметричная часть тензора описывает дрейф частиц в гелиосферном магнитном поле со средней скоростью VD. В последние годы особенно важным становится учёт диффузии в направлении, перпендикулярном магнитному полю.
Уравнение (1) решают, как правило, численно. Его решение, в принципе, позволяет получить значения модуляции внутри гелиосферы. Однако, многообразие природных процессов и связей, в которые вовлечены КЛ, так велико, что при решении этого уравнения возникает проблема - необходимость детального знания пространственных, временных и энергетических зависимостей основных параметров уравнения от размеров и геометрии области модуляции.

В связи со сложностью проблемы в последнее время очень активно совершенствуются модели модуляции, основанные на трёхмерном, зависящем от энергии численном моделировании. Результаты расчётов могут быть сопоставлены с экспериментальными данными, полученными на аэростатах и космических аппаратах. В работе (Bonino et al, 2001) с использованием приближённого решения транспортного уравнения представлен дифференциальный по энергии спектр протонов, зависящий от параметра солнечной модуляции М:

Здесь Т - кинетическая энергия на нуклон, а Е0 - энергия покоя нуклона. В этой же работе проанализированы экспериментальные данные наблюдений спектра галактических космических лучей на баллонах и космических аппаратах. Рассмотрено 29 различных экспериментов. Путём сопоставления результатов расчётов по формуле (2) с этими данными были определены параметры солнечной модуляции М, наилучшим образом описывающие значения экспериментальной интенсивности. (Рис.11)



Рис. 11 Дифференциальные спектры космических лучей, полученные на основе уравнения (2) для различных значений солнечной модуляции М = 390, 600, 820, 1080 МэВ (соответственно кривые 1,2,3,4) в сопоставлении с экспериментальными данными, полученными на баллонах и космических аппаратах в течение 1965, 1968, 1980 и 1989 гг. соответственно

Существует полуэмпирическая динамическая модель (Ныммик, 2005), позволяющая описывать потоки частиц ГКЛ с Z от 1 до 92 и с энергиями от 5 до 105 МэВ/нуклон. В модели учтена зависимость потоков от уровня солнечной активности, а также величина и направление магнитного поля Солнца.

3.3 Происхождение космических лучей

В настоящее время нет однозначного ответа на вопрос о происхождении космических лучей. Ясно одно, что кроме Солнца, которое является источником космических лучей относительно низкой энергии, на небе есть источники, обеспечивающие ускорение частиц до очень больших энергий. В целом проблема происхождения космических лучей включает механизм ускорения и распространения в различных условиях. На основе многолетних исследований с использованием спутниковой и баллонной техники, наземных экспериментов установлены следующие основные характеристики галактических космических лучей.

1. Плотность энергии космических лучей составляет 1 эВ в 1 см3. Эта величина сравнима с плотностью энергии света звезд, чернотельного излучения, турбулентного движения межзвездного газа, магнитного поля в Космосе. Таким образом, космические лучи являются равноправными партнерами в космическом сообществе и соответственно их вклад в динамику космических явлений является весомым.

2. Дифференциальный энергетический спектр галактических космических лучей степенной

N(E ) ~ E - g

где g = 2,7, от низких энергий до 1015 эВ. Для энергии больше 3 · 1015 эВ в спектре имеются важные особенности, которые будут рассмотрены ниже.

3. Вплоть до очень высоких энергий не обнаружена анизотропия.

4. Поток галактических космических лучей практически не меняется во времени.

5. Наиболее вероятным источником галактических космических лучей являются взрывы сверхновых звезд. Основа такого заключения - энергетические соображения. Основополагающие идеи и конкретные теоретические разработки принадлежат В.Л. Гинзбургу.

Из-за высокой изотропии космических лучей наблюдения у Земли не позволяют установить, где они образуются и как распределены во Вселенной. На эти вопросы ответила радиоастрономия в связи с открытием космического синхротронного излучения в диапазоне радиочастот Гц. Это излучение создаётся электронами очень высокой энергии при их движении в магнитном поле Галактики. Частота , на к-рой интенсивность радиоизлучения максимальна, связана с напряжённостью магнитного поля Н и энергией электрона соотношением



(Гц)

где - питч-угол электрона (угол между вектором скорости электрона и вектором Н). Магнитное поле Галактики, измеренное несколькими методами, имеет величину Э.

В среднем, при Э и =0,5, эВ, т.е. радиоизлучающие электроны должны иметь такие же энергии, как и основная масса Космических лучей., наблюдаемых у Земли. Эти электроны, являющиеся одним из компонентов К. л., занимают протяжённую область, охватывающую всю Галактику и называемую галактическое 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 К. л. вообще.

Кроме общего галактического синхротронного радиоизлучения были обнаружены дискретные его источники: оболочки сверхновых звезд, ядро Галактики, радиогалактики, квазары. Естественно ожидать, что все эти объекты-источники Космических лучей



Рис. 4. Зависимость потока гамма-лучей от галактической долготы l по данным наблюдений (вертикальные чёрточки) в сравнении с результатами расчёта (сплошная кривая) на основе гипотезы об остатках вспышек сверхновых как главном источнике космических лучей

До начала 70-х гг. 20 в. многие исследователи считали, что К. л. с эВ имеют в основном метагалактическое происхождение. При этом указывалось на отсутствие известных галактических источников частиц с вплоть до 1021 эВ и на трудности, связанные с проблемой их удержания в Галактике. В связи с открытием пульсаров (1967 г.) был рассмотрен ряд возможных механизмов ускорения до сверхвысоких энергий даже очень тяжёлых ядер. С другой стороны, полученные данные свидетельствуют о том, что наблюдаемые у Земли электроны образуются и накапливаются в Галактике. Нет никаких оснований думать, что протоны и более тяжёлые ядра ведут себя в этом отношении по-другому. Таким образом., оправдывается теория галактического происхождения Космических лучей.

Косвенное подтверждение этой теории получено из данных о распределении по небесной сфере источников космического гамма-излучения. Это излучение возникает за счёт распада -мезонов, которые образуются при столкновениях Космических лучей. с частицами межзвёздного газа, а также вследствие тормозного излучения релятивистских электронов при их столкновениях с частицами межзвездного газа. Гамма-лучи не подвержены воздействию магнитных полей, поэтому направление их прихода непосредственно указывает на источник. В отличие от наблюдаемого внутри Солнечной системы почти изотропного распределения Космических лучей, распределение гамма-излучения по небу оказалось весьма неравномерным и подобным распределению сверхновых звёзд по галактической долготе (рис. 4). Хорошее совпадение экспериментальных данных с ожидаемым распределением гамма-излучения по небесной сфере служит весомым доказательством того, что основной источник Космических лучей- сверхновые звёзды.