Астрономия космических лучей
Астрономия космических лучей — это раздел наблюдательной астрономии , в котором ученые пытаются идентифицировать и изучать потенциальные источники заряженных частиц чрезвычайно высокой энергии (от 1 МэВ до более 1 ЭэВ ), называемых космическими лучами, приходящим из космического пространства . [1] [2] Эти частицы, в состав которых входят протоны ( ядро водорода . ), электроны , позитроны и атомные ядра (в основном гелия , но потенциально и всех химических элементов ), путешествуют в пространстве почти со скоростью света (например, частицы сверхвысоких энергий ) Частица «О-Мой-Боже » [3] ) и дают ценную информацию о самых энергетических процессах во Вселенной. В отличие от других разделов наблюдательной астрономии, она однозначно полагается на заряженные частицы как носители информации. [1]
Методы обнаружения
[ редактировать ]
Астрономы используют наземные детекторы , высотные исследовательские шары , искусственные спутники и другие методы для обнаружения космических лучей. Наземные детекторы, часто расположенные на больших площадях (например, обсерватория Пьера Оже, представляет собой массив детекторов, раскинувшихся на площади более 3000 квадратных километров), идентифицируют и анализируют вторичные частицы (электроны, позитроны, фотоны, мюоны и т. д.), образующиеся в цепная реакция взаимодействия частиц, вызванная столкновением космических лучей с атмосферой Земли . [1] Свойства исходной частицы космических лучей, такие как направление прибытия и энергия, выводятся из измеренных свойств обширного воздушного ливня , который представляет собой каскад вторичных частиц, коллективно падающих через атмосферу. Существует два типа наземных детекторов: массивы наземных детекторов анализируют воздушный ливень на определенной высоте, тогда как детекторы флуоресценции воздуха регистрируют развитие ливня в атмосфере на основе взаимодействия частиц воздушного ливня с молекулами азота в атмосфере. [4] Современные «гибридные» детекторы, такие как обсерватория Пьера Оже в Аргентине и Большая высотная обсерватория воздушных потоков в Сычуани , Китай , используют преимущества их взаимодополняемости. Кроме того, научные воздушные шары (например, тот, который используется в «Энергетике космических лучей» и «Массовом эксперименте») [5] ) и спутники (такие как китайский исследователь частиц темной материи или телескоп DAMPE) также могут использоваться для наблюдения чистых космических лучей на очень больших высотах и в космическом пространстве.
Преимущества
[ редактировать ]Изучая энергию, направление и состав космических лучей, ученые могут раскрыть источники и механизмы ускорения этих частиц, которые раскрывают астрофизические процессы, такие как взрывы сверхновых, аккреция черных дыр и галактические магнитные поля. Наблюдения космических лучей привели к открытию субатомных частиц помимо протона, нейтрона и электрона, включая позитрон и мюон, заложив основу современной физики элементарных частиц . Он раскрывает нуклеосинтетические процессы, ведущие к возникновению элементов. [2] Измеряя космические лучи, ученые обнаружили наличие магнитных полей и радиации в Солнечной системе . Некоторые космические лучи исходят из-за пределов Солнечной системы или галактики , что позволяет ученым оценить количество и состав материи во Вселенной , предоставляя важную информацию о ее составе. Космические лучи генерируются в экстремальных астрофизических средах, таких как взрывающиеся звезды , черные дыры и галактические столкновения , и предоставляют редкую возможность наблюдать за этими процессами. Энергичные космические лучи могут взаимодействовать с объектами, путешествующими в космосе, изменяя их изотопный состав. Изучая эти изотопы в метеоритах , ученые смогут определить, когда они образовались и упали на Землю, что позволит лучше понять историю Солнечной системы . Космические лучи имеют практическое применение, в том числе мониторинг влажности почвы для нужд сельского хозяйства и ирригации , а также датирование по углероду-14 , которое помогает определять возраст археологических артефактов и геологических образований . [6]
История
[ редактировать ]
Исторические вехи в астрономии космических лучей включают открытие Виктором Гессом космических лучей во время полетов на воздушном шаре в 1912 году; [6] идентификация новых субатомных частиц, таких как позитрон и мюон , в 1930-х годах, расширившая наше понимание физики элементарных частиц; [7] Открытие Пьером Виктором Оже обширных потоков частиц в результате столкновений космических лучей высоко в атмосфере; [8] наземные детекторы, измеряющие поток космических лучей и энергетический спектр в 1940-1950-е годы; [9] создание в 1960-х годах обсерватории космических лучей Volcano Ranch , положившей начало крупномасштабным экспериментам; [10] открытие анизотропии космических лучей (того факта, что космические лучи не прибывают равномерно из каждой области неба) в 1960-х годах, обнажив изменения в потоке и направлении; высокоэнергетических гамма-телескопов появление в 1980-1990-х годах , позволяющих наблюдать гамма-лучи, образующиеся в результате взаимодействия космических лучей; появление космических детекторов, таких как AMS-02, на Международной космической станции в 2000-х годах, позволяющих получать информацию из космоса; [11] и недавний прогресс в мультимессенджерной астрономии в 2010-х годах, объединяющий наблюдения космических лучей с другими астрофизическими сигналами для более полного представления о космических явлениях. [12]
Будущее
[ редактировать ]Благодаря развитию технологий и разработке более чувствительных систем обнаружения астрономы ожидают новых открытий об источниках, механизмах ускорения и распространении космических лучей. Эти открытия будут способствовать более глубокому пониманию основ физики, управляющей космосом. Будущие обсерватории космических лучей, такие как Черенковская телескопическая решетка , будут использовать передовые методы для обнаружения гамма-лучей, образующихся в результате взаимодействия космических лучей в атмосфере Земли. Поскольку эти гамма-лучи станут наиболее чувствительным средством изучения космических лучей вблизи их источника, эти обсерватории позволят астрономам изучать космические лучи с беспрецедентной точностью. [13] Астрономия космических лучей сталкивается с трудностями в определении точных источников космических лучей, поскольку заряженные частицы отклоняются магнитными полями в космосе, и в результате отслеживание путей космических лучей обратно к их источникам требует сложных методов моделирования и наблюдений с использованием нескольких сообщений, чтобы сделать вывод об их источниках. исходные местоположения. Более того, из-за высокоэнергетической природы этих лучей необходимость облучения всего неба, [14] минимизация отклонения магнитными полями и устранение фона от удаленных источников представляют собой технические проблемы.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с П. Соммерс; С. Вестерхофф (9 февраля 2008 г.), «Астрономия космических лучей», New Journal of Physics , 11 (5), arXiv : 0802.1267 , doi : 10.1088/1367-2630/11/5/055004
- ^ Jump up to: а б Джозеф А. Анджело (2014), Энциклопедия космоса и астрономии , Infobase Publishing, стр. 64
- ^ Волчовер, Натали (14 мая 2015 г.). «Частица, преодолевшая космический предел скорости» . Журнал Кванта . ISSN 2640-2661 . Архивировано из оригинала 8 июля 2023 года . Проверено 29 апреля 2024 г.
- ^ Петр Нечесал за сотрудничество Пьера Оже (2011), «Детектор флуоресценции обсерватории Пьера Оже», Журнал физики: серия конференций , 293, XIV Международная конференция по калориметрии в физике высоких энергий (CALOR 2010) (1): 12– 36, arXiv : 1011.6523 , Bibcode : 2011JPhCS.293a2036N , doi : 10.1088/1742-6596/293/1/012036
- ^ «Запуск научного воздушного шара NSF/NASA из Антарктиды» . Национальный научный фонд США . 21 декабря 2010 года . Проверено 29 апреля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б Луиза Лернер (5 декабря 2023 г.). «Космические лучи, объяснение» . Новости Чикаго . Проверено 29 апреля 2024 г.
- ^ «Космические лучи: частицы из космоса» . ЦЕРН . 10 апреля 2024 г. Проверено 29 апреля 2024 г.
- ^ Дэвид Дж. Эйхер (1 июля 2019 г.). «Откуда берутся космические лучи?» . Астрономия . Проверено 29 апреля 2024 г.
- ^ Ю.И. Стожков; Н. С. Свиржевский; Г.А. Базилевская; А.Н. Квашнин; В.С. Махмутов; А.К. Свиржевская (16 ноября 2009 г.), "Длительные (50 лет) измерения потоков космических лучей в атмосфере", Успехи космических исследований , 44 (10): 1124–1137, Бибкод : 2009AdSpR..44.1124S , doi : 10.1016/j.asr.2008.10.038
- ^ Мэтт Майгатт (3 декабря 1995 г.). «Несуществующая площадка НМ участвовала в исследованиях космических лучей с 58 по 72 год: Физика: Ученые надеются возродить архитектуру вулканического ранчо и добавить новейшие технологии для двух новых объектов в поисках понимания Вселенной» . Лос-Анджелес Таймс . Проверено 29 апреля 2024 г.
- ^ Ана Лопес (19 мая 2021 г.). «АМС, десятилетие космических открытий» . ЦЕРН . Проверено 29 апреля 2024 г.
- ^ Халзен Фрэнсис; Хейрандиш Али (2019), «Мультимессенджерный поиск источников космических лучей с использованием космических нейтрино», Frontiers in Astronomy and Space Sciences , 6:32 , Bibcode : 2019FrASS...6...32H , doi : 10.3389/fspas.2019.00032
- ^ «Путь за пределы высоких энергий» . Черенковская телескопическая обсерватория (ЧТАО) . Проверено 29 апреля 2024 г.
- ^ П. Соммерс (2001), «Анализ анизотропии космических лучей с помощью обсерватории всего неба», Astroarticle Physics , 14 (4): 271–286, arXiv : astro-ph/0004016 , Bibcode : 2001APh....14.. 271С , doi : 10.1016/S0927-6505(00)00130-4
| Астрономия |
| ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Оптический телескопы | |||||||||||
| Связанный | |||||||||||
