Ғарыш сәулелері туралы 28 қызықты мәліметтер

Ғалам энергия ағындарымен тұтас өрілген, ал олардың бар екенін адамзат небәрі бір жарым ғасыр бұрын ғана біле бастады. Атмосфера арқылы өтетін көзге көрінбейтін сәулеленулерді зерттеу XX ғасырдағы ең маңызды ғылыми зерттеулердің біріне айналып, физиктердің материя табиғаты мен Ғалам құрылысы туралы түсінігін түбегейлі өзгертті. Ғарыштық сәулеленулердің сан алуан түрлерінің ішінде ерекше орын алатыны — ғарыштық сәулелер деп аталатын құбылыс. Бұл — Ғаламның терең қойнауларынан Жерге үздіксіз жетіп тұратын зарядталған бөлшектер ағыны. Қашықтағы жұлдыздар мен галактикалардан келген бұл көрінбейтін «хабаршылар» орасан зор энергия алып келеді және физиканың бірқатар іргелі құпияларын түсіндіруге мүмкіндік береді. Бұл құбылысты зерттеу астрофизиканы, элементар бөлшектер физикасын және космологияны біріктіріп, қазіргі ғылымдағы ең қызықты бағыттардың біріне айналды.

1. Ғарыштық сәулелерді 1912 жылы австриялық физик Виктор Гесс батыл әуе шары ұшуларының сериясы кезінде ашқан. Ол әртүрлі биіктіктерде ауаның иондалу деңгейін өлшеп, сәулелену Жер бетінен алыстаған сайын әлсіремей, керісінше күшейетінін анықтады. Осы жаңалығы үшін Гесс 1936 жылы физика саласы бойынша Нобель сыйлығына ие болды.
2. Атауына қарамастан, ғарыштық сәулелер электромагниттік сәулелену емес — олар зарядталған бөлшектер ағыны. Олардың шамамен 90%-ын протондар құрайды, шамамен 9%-ы альфа-бөлшектерге, яғни гелий ядроларына тиесілі, ал қалған аз бөлігі ауыр элементтердің ядролары мен электрондардан тұрады. «Сәулелер» деген атау бұл құбылыстың табиғаты әлі анықталмаған кезде қалыптасқан және белгілі бір дәлсіздігіне қарамастан бүгінге дейін қолданылып келеді.
3. Ғарыштық сәулелер бөлшектерінің энергиясы орасан үлкен диапазонда өзгереді — миллиондаған электронвольттан бастап 10²⁰ электронвольттан да жоғары мәндерге дейін жетеді. Осындай шекті энергияға ие бөлшектің кинетикалық энергиясы шамамен сағатына 150 километр жылдамдықпен ұшып келе жатқан теннис добының энергиясымен шамалас. Бұл факт таңғаларлық: субатомдық бөлшек адамның күнделікті тәжірибесінде кездесетін энергия мөлшеріне тең соққы энергиясын алып жүре алады.
4. Тіркелген ең жоғары энергиялы бөлшек бейресми түрде «Құдай-ай!» бөлшегі — Oh-My-God particle деп аталады. Ол 1991 жылы Юта штатындағы Fly’s Eye обсерваториясының детекторлары арқылы анықталып, шамамен 3·10²⁰ электронвольт энергия алып жүргені белгілі болды. Мұндай орасан зор энергияның бір ғана субатомдық бөлшекте қалай пайда болатынын белгілі астрофизикалық механизмдердің ешқайсысы толық түсіндіре алмайды.
5. Ғаламда ұзақ қашықтықтарға таралатын бөлшектер энергиясының теориялық шегі бар — ол Грейзен–Зацепин–Кузьмин шегі немесе қысқаша ГЗК шегі деп аталады. Өте жоғары энергиялы протондар реликттік микротолқынды сәулеленумен міндетті түрде әрекеттесіп, энергиясын жоғалтады, сондықтан олар 160 миллион жарық жылынан артық қашықтыққа тарай алмайды. Егер осы шектен жоғары энергиялы бөлшектер анықталса, бұл олардың салыстырмалы түрде жақын көздерден шыққанын немесе әлі белгісіз физикалық механизмдердің бар екенін білдіруі мүмкін.
6. Жер атмосферасы бастапқы ғарыштық сәулелерді жоғарғы қабаттарда жұтып, сенімді қорғаныс қызметін атқарады. Жоғары энергиялы бөлшек азот немесе оттек атомдарының ядроларымен соқтығысқанда екінші реттік бөлшектердің — пиондардың, мюондардың, нейтрондардың және гамма-кванттардың каскады пайда болады. Бұл лавина тәрізді процесс «кең атмосфералық нөсер» деп аталады және Жер бетінде бірнеше шаршы километр аумақты қамтуы мүмкін.
7. Дәл осы атмосфералық нөсерлерден пайда болатын екінші реттік бөлшектерді зерттеу материяның бірнеше іргелі құрамдас бөліктерінің ашылуына әкелді. Электронның антибөлшегі — позитрон — 1932 жылы Карл Андерсонның камерасында дәл осындай нөсерлердің іздерін зерттеу кезінде табылды. Мюон, пион және басқа да бірқатар бөлшектер алғаш рет ғарыштық сәулелердің атмосферамен әрекеттесу өнімдерінде байқалған, ол кезде қуатты үдеткіштер әлі пайда болмаған еді.
8. Күн жүйесінде галактикалық ғарыштық сәулелерден белгілі бір қорғаныс бар — ол Күн желі түзетін гелиосфера. Күн желі төмен энергиялы зарядталған бөлшектердің бір бөлігін ауытқытып, олардың жүйенің ішкі аймақтарына енуіне кедергі жасайды. Сондықтан Күн белсенділігі жоғары кезеңдерде Жер маңындағы галактикалық ғарыштық сәулелердің қарқындылығы айтарлықтай төмендейді.
9. Жердің магнит өрісі атмосферадан кейінгі екінші қорғаныс деңгейі болып саналады. Зарядталған бөлшектер магнит өрісінің күш сызықтары бойымен ауытқып, Ван Аллен радиациялық белдеулерінде жинақталады. Бұл — планетаны айнала қоршап жатқан екі тороидальды аймақ. Полярлық шұғыла — Күн және галактикалық бөлшектердің Жер магнитосферасымен әрекеттесуінің көрнекі көріністерінің бірі.
10. Жерге жететін ғарыштық сәулелердің негізгі бөлігі галактикалық шығу текті, яғни Құс жолы галактикасының ішінде пайда болған. Галактикалық масштабтағы негізгі «үдеткіштер» — аса жаңа жұлдыздардың жарылыстары кезінде пайда болатын соққы толқындары. Олар бөлшектерді бірнеше рет шағылыстыру арқылы релятивистік жылдамдықтарға дейін үдетеді. Бұл модель «Ферми механизмі» деп аталады және ғарыштық сәулелер спектрінің негізгі бөлігін түсіндіреді.
11. Аса жаңа жұлдыздардың жарылыстары соншалықты қуатты, бір ғана жарылыс галактиканы миллиондаған жылға жететін үдетілген бөлшектермен қамтамасыз ете алады. Астрофизиктердің есептеулері бойынша Құс жолындағы ғарыштық сәулелер тығыздығын ұстап тұру үшін әрбір 30–50 жыл сайын бір аса жаңа жұлдыз жарылысы жеткілікті. Осылайша ғарыштық апаттар галактиканы шарлайтын бөлшектер ағынының негізгі қозғаушы күшіне айналады.
12. Ең жоғары энергиялы бөлшектер — ГЗК шегінен жоғары энергияға ие бөлшектер — үлкен ықтималдықпен Құс жолынан тыс аймақтардан келеді. Олардың көздері ретінде басқа галактикалар, белсенді галактикалық ядролар, квазарлар немесе гамма-жарқылдар қарастырылады. Алайда нақты бір бөлшектің қайдан шыққанын анықтау өте қиын, өйткені магнит өрістері оның траекториясын Жерге жеткенге дейін бірнеше рет бұрмалайды.
13. Кең атмосфералық нөсерлерді тіркеу үшін жүздеген, тіпті мыңдаған шаршы километр аумақты қамтитын алып жер үсті обсерваториялары салынады. Аргентинаның пампасында орналасқан Пьер Оже обсерваториясының аумағы шамамен 3000 шаршы километрді құрайды және онда 1,5 километр арақашықтықпен орналастырылған 1600-ден астам детектор бар. Мұндай ауқымды кешендер өте жоғары энергиялы оқиғалардың қаншалық сирек кездесетінін көрсетеді.
14. Атмосфералық нөсерлерде пайда болатын мюондар соншалықты өтімді бөлшектер, олар тау жыныстарының және темірбетон қабырғалардың қалың қабаттары арқылы оңай өте алады. Әр секунд сайын адамның алақаны арқылы бірнеше мюон ұшып өтеді — бұл толықтай байқалмайды және денсаулыққа зиянсыз. Ғалымдар бұл қасиетті мюондық томография технологиясында пайдаланып, жанартаулардың, пирамидалардың және ядролық реакторлардың ішкі құрылысын зерттейді.
15. Ғарыштық сәулелер тірі организмдерге белгілі бір әсер етеді, бірақ Жер бетінде атмосфералық қорғаныс салдарынан бұл әсер өте аз. Дегенмен үлкен биіктіктерде, мысалы, ұшақтардың круиздік деңгейлерінде, экипаж мүшелері теңіз деңгейінде жұмыс істейтін адамдарға қарағанда шамамен екі есе жоғары радиация дозасын алады. Сондықтан көптеген елдердің радиациялық қауіпсіздік нормалары бойынша алыс рейстердің ұшқыштары «кәсіби сәулеленуге ұшырайтын тұлғалар» санатына жатады.
16. Орбитадағы астронавтар үшін ғарыштық радиация мәселесі әлдеқайда өзекті. Халықаралық ғарыш станциясында алты ай болған астронавт шамамен 80 медициналық кеуде рентгеніне тең радиация дозасын алады. Сол себепті Марсқа бағытталған болашақ пилотталған ғарыш кемелерін жобалау кезінде радиациялық қорғаныс басты инженерлік мәселелердің бірі болып отыр.
17. Кейбір ғалымдар галактикалық ғарыштық сәулелердің қарқындылығы мен Жер климаты арасында байланыс болуы мүмкін деген гипотеза ұсынады. Даниялық физик Хенрик Свенсмарк ғарыштық бөлшектер атмосфераны иондап, бұлт түзілуіне әсер етуі мүмкін деп болжаған. Нәтижесінде бұл планетаның бұлттылығына және альбедосына ықпал етуі ықтимал. Алайда бұл идея әлі де ғылыми пікірталас тақырыбы болып табылады және тәжірибелік деректер оны толық дәлелдей қойған жоқ.
18. Ғарыштық сәулелер атмосферадағы радиокөміртектің түзілу жылдамдығына әсер етеді, бұл радиокөміртекті даталау әдісі үшін маңызды. Бөлшектер ағынының қарқындылығы өзгерген сайын атмосферадағы көміртек-14 изотопының концентрациясы да өзгереді. Осындай өзгерістерді ескеретін калибрлеу қисықтары археологиялық және геологиялық нысандардың жасын анықтаудың дәлдігін айтарлықтай арттырады.
19. «Мияке оқиғасы» деп аталатын құбылыс — ағаштардың жылдық сақиналарында көміртек-14 мөлшерінің күрт артуы — шамамен біздің заманымыздың 774–775 жылдары болған. Бұл құбылыс ғарыштық сәулелердің аса қуатты толқынымен байланысты болуы мүмкін. Мүмкін себептердің қатарында алып күн жарқылы немесе жақын орналасқан гамма-жарқыл аталады. Ұқсас оқиғалар 993 жылы және одан да ертерек кезеңдерде де байқалған.
20. Нейтрино — массасы өте аз бейтарап бөлшектер — кейде «ғарыштық хабаршылар» қатарына жатқызылады, бірақ олар классикалық ғарыштық сәулелердің құрамына кірмейді. Оңтүстік полюстегі IceCube нейтрино обсерваториясы көлемі бір текше километр антарктикалық мұздан тұратын алып детектор арқылы өте жоғары энергиялы нейтриноларды тіркеді. Бұл жаңалық Ғаламдағы ең экстремалды құбылыстарды зерттеуге жаңа мүмкіндік ашты.
21. Ғарыштық сәулелердің химиялық құрамы галактикадағы элементтердің орташа қатынасынан бірқатар ерекшеліктерімен өзгешеленеді. Литий, бериллий және бор ғарыштық сәулелерде жұлдыздардағыдан әлдеқайда жиі кездеседі. Бұл элементтер ауыр ядролардың — көміртек, азот және оттек ядроларының — жұлдызаралық кеңістіктегі соқтығысулары кезінде бөлшектенуі нәтижесінде пайда болады. Бұл процесс спалляция деп аталады.
22. Ғарыштық сәулелер спектріндегі «тізе» деп аталатын ерекшелік — бөлшектер ағыны мен энергия арасындағы графиктің 3·10¹⁵ электронвольт шамасында күрт өзгеруі — астрофизиканың шешілмеген құпияларының бірі болып саналады. Осы энергиядан жоғары бөлшектер ағыны әлдеқайда тез азаяды. Мұның ықтимал түсіндірмелері галактикалық үдеткіштердің шекті мүмкіндіктерімен немесе жұлдызаралық орта арқылы таралу кезіндегі диффузиялық әсерлермен байланысты болуы мүмкін.
23. Кейбір зерттеушілер Жердегі жаппай жойылу кезеңдерін ғарыштық сәулелер ағынының күшеюімен байланыстырады. Егер Күн жүйесі Құс жолының аса жаңа жұлдыздар көп орналасқан спиральдық иірімінен өтсе, жоғары энергиялы бөлшектер ағыны артуы мүмкін. Бұл мутациялық фонның жоғарылауына алып келуі ықтимал. Бұл гипотеза әлі нақты дәлелденбеген, бірақ биологиялық дағдарыстардың кезеңділігі мұндай галактикалық қозғалыстармен белгілі бір дәрежеде сәйкес келеді.
24. Жеке мюондар немесе нейтрондар тудыратын жартылай өткізгіш микросхемалардағы кездейсоқ ақаулар — «бірлік оқиғалы ауысулар» — электроника үшін маңызды техникалық мәселе болып саналады. Ғарыштық бөлшектер компьютер процессорындағы жад битінің күйін өзгертуі мүмкін. Мұндай жағдайлар авиацияда, медициналық жабдықтарда немесе ядролық нысандарда қауіпті салдарға әкелуі ықтимал. Сондықтан ғарыш аппараттарына арналған радиацияға төзімді электроника өте қымбат тұрады.
25. Ғарыштық сәулелерді зерттеу кейін медицинада кең қолданылған детекторлық технологиялардың дамуына ықпал етті. Позитрондық-эмиссиялық томография — ПЭТ-сканерлеу — ғарыштық нөсерлерде анықталған позитрондарды тіркеу әдістеріне тікелей байланысты. Көпіршікті камералар, ұшқын санағыштар және сцинтилляциялық детекторлар алғашында ғарыштық сәулелерді зерттеу тәжірибелерінде қолданылып, кейін медицина мен өнеркәсіпке енгізілді.
26. Ғарыштық сәулелер табиғи ресурстарды барлау және қоршаған ортаны бақылау құралы ретінде де пайдаланылуы мүмкін. Мюондық томография тау жыныстарындағы қуыстарды анықтауға, жасырын кен орындарын табуға және ядролық қоймалардың жағдайын бақылауға мүмкіндік береді. Бұл технология Мысырдағы Хеопс пирамидасын зерттеу кезінде қолданылып, оның ішінде бұрын белгісіз болған жасырын қуыстарды анықтауға көмектесті.
27. Ғарыштық сәулелер құрамындағы антиматерия өте аз мөлшерде кездеседі — антипротондар қарапайым протондар ағынының шамамен он мыңнан бір бөлігін ғана құрайды. Олардың пайда болуы жоғары энергиялы бөлшектердің жұлдызаралық газбен соқтығысуымен түсіндіріледі. Алайда кейбір ғалымдар бұл ағынға қараңғы материя бөлшектерінің аннигиляциясы да үлес қосуы мүмкін деп болжайды. Бұл гипотезаны ХҒС бортында орнатылған AMS-02 детекторы тексеріп жатыр.
28. Ғарыштық сәулелерді зерттеудің болашағы жаңа буындағы нейтринолық және гравитациялық-толқындық обсерваториялармен байланысты. Олар дәстүрлі детекторлармен бірге біртұтас «көп хабаршы» бақылау жүйесін құрайды. Бір ғана ғарыштық құбылыстан шыққан гравитациялық толқындарды, нейтриноларды және зарядталған бөлшектерді бір мезгілде тіркеу сол апаттың толық физикалық картинасын қалпына келтіруге мүмкіндік береді. Мұндай тәсіл Ғаламдағы ең қуатты процестерді түсінуде жаңа ғылыми төңкеріс жасауға уәде береді.

Ғарыштық сәулелер — жай ғана абстрактілі физикалық құбылыс емес, біздің күнделікті өміріміз бен Ғаламның тереңінде болып жатқан ұлы оқиғаларды байланыстыратын нақты көпір. Олар жұлдызаралық заттың химиялық құрамын қалыптастыруға қатысып, биосфера эволюциясына әсер етіп, ежелгі жұлдыз жарылыстарының іздерін сақтап келеді және бүгінгі күнге дейін Жердегі әрбір тіршілік иесін үнсіз түрде тесіп өтеді. Осындай аса жоғары энергиялы бөлшектер алып келетін ақпаратты толық түсіну қараңғы материяның табиғатын, жұлдыздық жарылыстар механизмдерін және физиканың белгілі заңдарының шектерін анықтауға көмектесуі мүмкін. Бұл ғылым саласы Ғалам бізбен үздіксіз «сөйлесіп» тұрғанын көрсетеді — тек оның тілін түсіне білу керек.