Релятивистские метеоры

Релятивистские метеоры читать статью

Каждому приходилось наблюдать явление «падающей звезды» - полет метеора в атмосфере. Этот светящийся след оставляет метеорное тело, движущееся со скоростью в десятки километров в секунду, характерной для тел, находящихся на орбитах вокруг Солнца. Свет появляется в процессе его сгорания в атмосфере. Метеорное тело, состоящее из атомов (или молекул), удерживаемых вместе химическими силами, разваливается при столкновениях с молекулами воздуха с выделением тепла и света.

Физики, изучающие элементарные частицы, ускоренные в космическом пространстве до очень высоких энергий (принято называть их космическими лучами), наблюдают явление похожее на метеоры. Силы, которые скрепляют вещество этих частиц несравненно сильнее химических сил. Но и у них есть «слабое» место: элементарные частицы взаимодействуют с ядрами атомов воздуха (в основном, с ядрами азота и кислорода) за счет тех же сил, которые их скрепляют. Для такого взаимодействия необходимо, чтобы частица «коснулась» ядра атома, которое в тысячи раз меньше размера атома. Так как атомов воздуха много, то такие столкновения возможны. Проходя через атмосферу, частица имеет возможность десятки раз «коснутся» ядра азота или кислорода. Даже одного «касания» достаточно, чтобы первичная частица совершенно изменилась: более половины ее энергии уходит на освобождение (рождение) частиц, виртуально присутствующих в ней. Возникшие частицы (вторичные по отношению к космической частице) способны к взаимодействию с ядрами атомов воздуха и при каждом касании ядра рождают новые поколения частиц. Возникает так называемый «ядерный каскад» частиц со значительно меньшими энергиями, чем имела первичная частица.

Среди вторичных частиц можно найти все частицы, которые «составляют» космическую частицу, но для развития каскада частиц в атмосфере важнейшую роль играют нейтральные пионы и каоны, которые быстро распадаются на фотоны высокой энергии (гамма- кванты). Гамма- кванты создают пару электрон-позитрон. Электроны и позитроны в столкновениях с ядрами излучают гамма- кванты и в атмосфере развивается каскад из электронов, позитронов и гамма- квантов.

Таким образом, первичная частица после нескольких столкновений с ядрами атомов воздуха порождает интенсивный поток частиц, летящих с релятивисткой скоростью. Эти частицы сосредоточены в пространстве, близком по форме к диску, толщина и ширина которого определяется рассеянием частиц в атмосфере. В глубине атмосферы толщина диска составляет несколько метров, а распределение частиц по расстоянию от центра диска неравномерно: половина частиц находится во внутренней части диска с радиусом около ста метров, но встречаются частицы и на расстояниях в несколько километров от центра диска.

Большая ширина диска частиц каскада дала название всему каскаду - широкий атмосферный ливень (ШАЛ). Только благодаря большим диаметрам дисков вторичных частиц удается регистрировать порождающие их и весьма редко встречающиеся первичные космические частицы огромной энергии. Например, такие частицы с энергией более 10 джоулей «выпадают» на площади 100 квадратных километров 1 раз в год. Детекторы частиц ШАЛ размещаются на поверхности земли в виде сетки с шагом в сотни метров и позволяют создать установки с рабочей площадью в сотни квадратных километров.

Заряженные частицы каскада (это, в основном, электроны и позитроны), обладая скоростью, превышающей скорость света в атмосфере, в соответствии с эффектом, открытым П.А. Черенковым и С.И. Вавиловым излучают свет. Этот свет (принято называть его черенковским) направлен вперед по движению первичной частицы и его поток пропорционален энергии первичной частицы. В связи с этим, с помощью наземных детекторов черенковского света, направленных в небо, наряду с детекторами частиц ШАЛ можно регистрировать первичные космические частицы и определять их энергию и направление. Однако, ни детекторы частиц, ни детекторы черенковского света не позволяют регистрировать диск ШАЛ со стороны и с больших расстояний. Такую возможность предоставляет еще одно излучение, связанное с прохождением диска частиц через атмосферу - ионизационное излучение.

Заряженные частицы ШАЛ, встречаясь с атомами и молекулами воздуха, «возбуждают» их (переводят электроны атома или молекулы на более высокие энергетические уровни) или даже «ионизуют» их (электрон атома освобождается и возникают положительный ион и электрон). Возбужденные атомы и молекулы воздуха довольно быстро (время жизни возбужденных состояний всего лишь десятки наносекунд) переходят в основное состояние и изотропно излучают свет (возникает ионизационное излучение или флуоресценция атмосферы). Процесс возбуждения и ионизации атомов атмосферы весьма близок к процессу горения, и можно сказать, что каскад частиц ШАЛ «сгорает» в атмосфере. Диск частиц ШАЛ оказывается светящимся, как метеор, объектом, отличающимся от него тем, что скорость диска «релятивистская» (практически равна скорости света), то есть в десятки тысяч раз быстрее скорости метеора.

Яркость релятивистского метеора несравненно меньше яркости обычных метеоров. Увидеть невооруженным глазом его невозможно. Для того, чтобы регистрировать движение релятивистского метеора, нужно использовать специальную «камеру» с зеркалом - концентратором сигнала площадью не менее одного квадратного метра. Одним из первых на возможность наблюдения ШАЛ во флуоресцентном свете обратил внимание А.Е. Чудаков в 1962 г.

В процессе ионизации и возбуждения атомов (молекул) воздуха происходит безвозвратная для каскада частиц потеря энергии, что в конечном счете приводит к затуханию (сгоранию) ШАЛ. Энергию первичной частицы, потерянную в атмосфере, можно измерить, измеряя яркость флуоресцентного свечения. Измеряя направление движения диска ШАЛ можно измерить направление прихода первичной космической частицы. Наблюдение «релятивистских метеоров» оказывается эффективным способом изучения космических частиц ультра высокой энергии (более 1 джоуля на частицу). Чуть позже мы обсудим, чем интересны космические частицы ультра высокой энергии, а пока рассмотрим то, как устроены детекторы космических метеоров.

Развитие современной технологии детектирования слабых потоков света (использование фотоумножителей с усилением сигнала в миллионы раз), технологии регистрации быстрых процессов (получение изображения с частотой кадровой развертки в десятки миллионов кадров в секунду) и применение зеркал - концентраторов большой площади позволило создать специальные оптические «камеры» для наблюдения слабосветящихся «релятивистских метеоров».

Светящийся в атмосфере след космической частицы высокой энергии является весьма своеобразным объектом наблюдения – практически единственным в своем роде. Движение диска частиц ШАЛ с релятивисткой скоростью имитировать нельзя. Даже движение лидера искрового разряда происходит со скоростью в сотни раз меньше скорости света. Это своеобразие позволяет выделить сравнительно слабое свечение диска частиц ШАЛ на фоне шумов ночного неба.

Первые измерения «релятивистских метеоров» были проведены с помощью флуоресцентного детектора, расположенного на поверхности Земли и направленного к горизонту. Чтобы иметь возможность наблюдать весь горизонт, детектор пришлось сконструировать из большого числа элементов и поэтому, он напоминал глаз мухи. Детектор университета штата Юта (США) так и был назван: «Глаз мухи» (Fly’s Eye). Детекторы такого типа располагают в пустынной местности с хорошей прозрачностью атмосферы, свободной от световых помех, создаваемой деятельностью человека. Преимуществом детектора «Глаз мухи» по сравнению с другими детекторами ШАЛ является большая площадь атмосферы, которая наблюдается таким детектором в горизонтальном направлении. Это свойство детектора привело к тому, что именно с его помощью впервые была зарегистрирована самая энергичная элементарная частица, известная человеку - ее энергия 50 джоулей.

Вместе с тем, развитие подобных установок на поверхности земли ограничено тем, что прозрачность атмосферы при наблюдении в горизонтальном направлении низка и для расширения площади обозреваемой атмосферы надо размещать дорогостоящие детекторы через каждые 30 километров.

Практически неограниченные возможности (ограничение определяется размерами Земли) открываются, если детектор флуоресценции атмосферы установить на спутнике Земли и наблюдать «релятивистские метеоры» сверху. Атмосфера при наблюдении сверху вниз сравнительно прозрачна (особенно удобен для наблюдения верхний слой атмосферы, выше облаков, где ШАЛ с зенитными углами более 60 градусов выделяют большую часть своей энергии). Обозреваемая площадь атмосферы зависит от высоты орбиты спутника и от угла обзора детектора. Например, с высоты орбиты международной космической станции (в среднем, 400 км) детектор с углом обзора 60 градусов «увидит» площадь около ста тысяч квадратных километров. Сегодня в ряде стран готовятся проекты орбитальных детекторов для наблюдения флуоресценции атмосферы, вызываемой космическими частицами. В России в нашем институте (НИИЯФ МГУ) подготовлены проекты космических экспериментов ТУС (трековая установка) и КЛПВЭ (космические лучи предельно высоких энергий) для исследования космических лучей ультравысокой энергии с помощью орбитальных детекторов.

Для этих детекторов разрабатывается сегментированное зеркало- концентратор света, которое компактно упаковывается в транспортном положении (при доставке на орбиту) и разворачивается до больших площадей (в проекте ТУС до 1,5 кв. м и в проекте КЛ ПВЭ - до 10 кв. м). В фокусе зеркала размещается фотоприемник. Это сетка высокочувствительных и малоинерционных приемников света - фотоэлектронных умножителей. В каждой ячейке приемника свет превращается в электрический сигнал. Амплитуда и время появления сигнала преобразуется в цифровой код, поступающий в компьютер.

Компьютер анализирует поступающие данные и реконструирует картину движения диска частиц ШАЛ в поле зрения детектора. На рисунке изображен детектор ТУС, наблюдающий «релятивистский метеор» в атмосфере. С помощью такого орбитального детектора могут наблюдаться «релятивистские метеоры» на площади атмосферы в десятки тысяч км (на ночной стороне Земли). Отметим, что с помощью орбитального детектора будет регистрироваться не только след флуоресцирующего диска ШАЛ, но и отраженный от облаков (или от поверхности Земли) черенковский свет ШАЛ. Черенковский сигнал дополняет информацию о первичной частице и позволяет определить положение трека «релятивистского метеора» относительно поверхности Земли.

Изучение частиц космических лучей ультра высокой энергии путем наблюдения «релятивистских метеоров» представляет исключительный интерес для понимания фундаментальных основ строения микро и макро мира. Космические частицы, наблюдаемые как «метеоры», имеют энергию в миллионы раз большую, чем частицы, изучаемые на современных лабораторных ускорителях. Мы не знаем, как работает «космический» ускоритель таких частиц. Только исключительно редкие космические объекты с известными размерами и силой магнитных полей способны разогнать частицы до энергий со значениями более нескольких джоулей.

Существование космических частиц с энергией более 10 джоулей (сегодня зарегистрировано с помощью наземных установок около десяти таких частиц) противоречит равномерному по Вселенной распределению их источников. Дело в том, что в 1966 году было экспериментально открыто электромагнитное излучение, оставшееся после взрыва Вселенной (реликтовое излучение), и равномерно ее заполняющее (в грубой общей картине Вселенной). В том же году Г.Т. Зацепин и В.А. Кузьмин (СССР) и, независимо, К. Грейзен (США) показали, что протоны с энергией выше 10 джоулей взаимодействуют с реликтовыми фотонами и быстро теряют энергию. Расстояния, на которых такие протоны не поглощаются, в масштабах Вселенной невелики - около 50 мегапарсек (размеры изученной части Вселенной порядка 1000 мегапарсек). Поэтому протоны, ускоренные в объектах, удаленных от земного наблюдателя на расстояния более 50 мегапарсек, не должны наблюдаться.

Вопрос о происхождении уже зарегистрированных частиц вызвал поток теоретических статей. Оказывается, что на расстояниях менее 50 мегапарсек трудно найти космический объект, способный ускорять частицы до таких энергий. Загадкой является и то, что точки на небе из которых пришли зарегистрированные частицы не совпадают ни с одним из объектов, хотя бы приближающихся по своим данным к кандидату на такой ускоритель. Возникла неожиданная альтернативная гипотеза: зарегистрированные частицы не были ускорены - это результат распада пра-частиц с огромной массой, давно предсказанных в теории единого происхождения всех известных в природе взаимодействий - частиц «великого объединения».

Существует и теория для описания источника таких частиц: это «топологические дефекты» во время перехода состояния вещества Вселенной от момента, когда все вещество состояло из пра-частиц (речь идет о первых мгновениях «большого взрыва» Вселенной) к фазе разделения элементарных частиц по различным типам взаимодействия и, в частности, появлению силы тяжести. Теоретики считают вполне возможным существование «капель» или «трещин» предыдущей фазы состояния вещества в общей массе вещества в новой фазе. В этом альтернативном варианте происхождения «релятивистских метеоров» их направление указывает на место расположения «топологического дефекта» и их наблюдение позволяет поставить фантастическую задачу - экспериментально исследовать состояние вещества на стадии самых первых мгновений его существования.

Работы по выполнению космических экспериментов ТУС и КЛПВЭ проводятся совместно с учеными других институтов и стран: вместе с НИИЯФ МГУ работают ученые международного «Объединенного института ядерных исследований» (Дубна), а также ученые ряда университетов Мексики и Кореи.

Б.А. Хренов

Б.А. Хренов
Доктор физ.- мат. наук, ведущий научный сотрудник,
научный руководитель проекта ТУС
Научно-исследовательский институт ядерной физики 
имени Д.В. Скобельцына 
московского государственного университета 
имени М.В. Ломоносова

]]>http://www.federalspace.ru/183/]]>