II - Тарау. Ғарыштық сәулелер және оларды зерттеу мәселелері

Ғарыштық сәулелер элементар бөлшектердің құрылысы мен олардың түрленуін зерттеуге мүмкіндік беретін, жоғары және аса жоғары энергиялы бөлшектердің табиғи көзі болып табылады. Ғарыштық сәулелерді зерттеу арқылы оның құрамындағы бөлшектердің үдетілу жолдары анықталып, жұлдыз аралық (бәлкім, галактика аралық) ортадағы кейбір астрофиз. процестерді түсіндіруге болады. Зарядты бөлшек үдеткіштері жасалғанға дейін ғарыштық сәулелер жоғары энергиялы бөлшектердің бірден-бір көзі болды. Бастапқы космостық сәуле негізінен, энергиясы 10⁹ эв-тан артық бөлшектерден тұрады. Тіпті кейбір жеке бөлшектің энергиясы 1020-1021 эв-қа дейін жетеді. Бұрын белгісіз болған көптеген элементар бөлшектер алғаш рет Ғарыштық сәулелердің құрамынан табылды. Олардың ыдырауы және атом ядросымен әсерлесуі жөніндегі алғашқы мағлұматтар да осы Ғарыштық сәулелерден алынды. Қазіргі үдеткіштердегі бөлшектердің энергиясы 10¹¹—10¹² эв-тан аспайтындықтан, әлі де болса аса жоғары энергиялы бөлшектердің бір-бірімен әсерлесуі жөніндегі мәліметтер тек ғарыштық сәулелер арқылы ғана алынады.

Ғарыштық сәулелер негізінен Күн жүйесінен тыс кеңістіктен келеді. Бұл сәулелерді г а л а к т и к а л ы қ Ғарыштық сәулелер деп атайды. Ал Күн активтілігіне байланысты пайда болатын энергиясы төмен сәулелер күннен
келетін ғарыштық сәулелер делінеді. Күн активтілігі жоғарылағанда ғарыштық сәулелердің бұл бөлігінің үлесі де едәуір артады. Аса жоғары энергиялы бөлшектер біздің Галактикадан тыс кеңістіктен (метагалактикадан) де келуі мүмкін. Жерге келетін ғарыштық сәулелер энергиясының шамасы Күн сәулесі энергиясының ағынынан әлдеқайда аз болады. Бүкіл Галактика масштабындағы ғарыштық сәулелер энергиясының орташа тығыздығы едәуір жоғары ( ~1 эв/см³) болады. Оның мөлшері гравитациялық энергияның, магнит өрісінің, жұлдыз аралық газ қозғалысы кинетикалық энергиясының, жұлдыздар шығаратын электромагниттік сәуле энергиясы тығыздықтарының қосындысына жуық. Сондыңтан, тұтасынан алғанда, ғарыштық сәулелер Галактика эволюциясына ықпал етуге тиіс.

Ғарыштық сәулелер физикасындағы зерттеу жұмыстары негізінен, ядролық физика (ғарыштық сәулелердің затпен әсерлесуі, пайда болуы, қасиеті және олардың элементар бөлшектермен әсерлесуі) және космостың физика (бастапқы ғарыштық сәулелердің құрамы мен бөлшектердің энергиялық спектрі, галактикалық және Күннен келетін ғарыштық сәулелердің пайда болуы мен таралуы, ғарыштық сәулелердің жер атмосферасымен, планета аралық кеңістіктегі күн желімен және соққы толқындармен әсерлесуі т.б.) деп аталатын екі бағытта жүргізіледі. Үдеткіштер техникасы өркендеген сайын бірінші бағыттағы зерттеулер жөғары энергия физикасына қарай ығысып барады. Ғарыш кеңістігінің Жерге жақын бөлігін спутниктердің және ғарыштық ракеталардың көмегімен тікелей зерттеудің нәтижесінде екінші бағыттағы зерттеулер алыстағы ғарыш объектілеріне қарай ауысуда. Ғарыштық сәулелердің көмегімен алынған мәліметтердің микродүние (өлшемі 10 -¹³ см - ден кіші) физикасы мен ғарыштық (10⁸—10²⁸ см) физиканың дамуында ерекше маңызы бар. Ғарыштық сәулелердің ауаны иондалалатынын алғаш рет (1912) неміс физигі В. Гесс байқаған. Жер бетінен алыстаған сайын ауаның иондалу дәрежесі өсетіндіктен, Гесс бұл сәулелерді ғарыштан келеді деп жорамалдаған.

Магнит өрісінде орналасқан Вильсон камерасындағы ғарыштық сәулелердің ізін зерттеудің (Д. В. Скобельцын, 1927) және стратосфераға көтерілген газ

разрядты есептеуіштер арқылы ғарыштық сәулелер бағытының ауытқуын бакылаудың (С.Н. Вернов және Р.Милликен 1935—37) нәтижесінде бастапқы ғарыштық сәулелердің зарядты бөлшектерден (көбіне протондардан) тұратындығы анықталды. Жер бетінен шамамен 30 км биіктікке көтерілген ядролық фотоэмульсияда сутектен басқа ауыр элемент ядроларының да іздері байқалды (Б. Питерс т.б., 1948). Ғарыштық сәулелерді одан әрі зерттеу кезінде (1932—49) позитрон, мюон, пи-мезон, К-мезон, Л-гиперон сияқты көптеген бөлшектер табылды. Вильсон камерасында нөсерлер деп аталатын, бір жерден

шығып бір бағытта таралатын бөлшектер тобын алғаш рет (1932) П. Блэкетт пен Дж. Оккпалини ашты. Ғарыштық сәулелердің биік таудағы станциялары (В. И. Векслер, Н. А. Добротин т. б.) мен стратосферада (С. Н. Вернов т. б.) жүргізілген зерттеулер арқылы екінші реттік ғарыштық сәулелер бастапқы сәуле құрамындағы белшектердің ауадағы атом ядроларымен әсерлесуі нәтижесінде пайда болатыны дәлелденді. [3,6,7,8]

2. 2. Галактикалық ғарыштық сәулелер.
В.Л.Гинзбург пен И.С.Шкловский ұсынған (1955) гипотеза бойынша аса жаңа жұлдыздар галактикалық ғарыштық сәулелердің көзі болып есептеледі. Жердің жасанды спутниктері мен планета аралық автомат станциалардағы

тіркеуіш аппараттардың көмегімен бастапқы ғарыштық сәулелер тікелей зерттеле бастады. «Протон» сериялы спутниктерде энергиясы ~ 10¹⁵ эв-қа дейінгі бастапқы сәуле бөлшектері тікелей анықталды. Сов. «Луноход-1» т. б. қондырғылардың көмегімен ғарыштық сәулелердің құрамы жер магнитосферасынан тыс аймақта ұзақ уақыт бойы зерттелді. Эксперименттік зерттеулердің нәтижесінде ғарыштық сәулелердің таралу бағыты жағынан изотропты болатындығы, яғни барлық бағытта бірдей таралатындығы анықталды. Жердің магнит өрісімен әсерлесуі салдарынан (Лоренц күші) зарядты бөлшектер бастапқы бағыттан ауытқиды. Сондықтан жер бетіндегі ғарыштық сәулелердің интенсивтілігі мен энергиялық спектрі, бақылау нүктесінің геомагниттік координатасы мен сәуленің түсу бағытына байланысты өзгереді. Геомагниттік өрістің әсері оның күш сызықтары мен бөлшектің қозғалу бағыты арасындағы бұрыштың шамасына пропорционал болады.

Бастапқы Ғарыштық сәулелер құрамында 90% - тей протондар, 7% - ке жуық α - бөлшектер және аз ғана мөлшерде (1%) басқа элемент ядролары бар.

Осыған қарамастан ғарыштық сәулелер энергиясының 50% - ке жуығы реттік нөмірі бірден артық (Z > 1) элемент ядролары арқылы тасымалданады. Ғарыштық сәулелер құрамында Li, Ве, В сияқты табиғатта аз таралған элементтер көбірек кездеседі, сонымен қатар ауыр ядролар (Z > 6) да болады. Ғарыштық сәулелер көзінде көбіне ауыр ядролар үдетіледі де, жеңіл ядролар олардың жұлдыз аралық заттармен әсерлесуі кезінде пайда болады.

Ғарыштық сәулелер құрамында электрондар мен позитрондар (~1%), сондай-ақ жоғары энергиялы (100 Мэв-тан жоғары) фотондар (~ 0,01 %) да бар. Үлесі аз болғанмен фотондар (γ - кванттар) ғарыштық сәулелер көздерін анықтауда елеулі роль атқарады. Өйткені фотондар магнит өрісінде езінің бағытын өзгертпейді. Жер магнитосферасындағы радиациялық белдеулердің пайда болуында ғарыштық сәулелердің шешуші маңызы бар.

Күн бетінде байқалатын хромосфералық атқылау кезінде ғарыштық сәулелердің интенсивтілігі қысқа мерзімге болса да артады. [3,6,7,8]

Кейбір хромосфералық атқы-лау кезінде ғарыштық сәулелердің Күннен келетін бөлігі галактикалық бөлігінен жүздеген есеге дейін артып кетеді (мыс, 1956 ж. 23 ақпанда байқалған атқылауда 300 есеге дейін артты). Галактикалық ғарыштық сәулелерге қарағанда Күннен келетін ғарыштық сәулелердің энергиясы аз (энергетикалық спектрі жұмсақ) болады. Ол орта есеппен алғанда жалпы интенспвтіліктің бірнеше процентін ғана құрайды. Күннен келетін ғарыштық сәулелер жоғарғы ендіктегі ионосфера қабатына елеулі әсерін тигізеді. Бұл сәулелердің энергетикалық спектрі және олардың таралуы мен бұрыштық анизотропиясы жөніндегі мәліметтер планета аралың кеңістіктегі магнит өрісінің құрылысы жөнінде нақты деректер алуға мүмкіндік береді.

Сәуле ағынының өзгерісін зерттеу геомагниттік ұйтқу, полярлық жар-қыл сияқты көптеген геофизикалық құбылыстарды түсіндіруге көмектеседі. Га-лактпкалық ғарыштық сәулелер интенспвтілігіндегі периодты өзгерістер негізінен Күн активтілігінің 11 жылдық цикліне сай келеді. Бүл модуляция

галактпкалық ғарыштық сәулелердің Күннен шығатын магниттік плазма ағынына (Күн желі) «ілесуі» және одан шашырауы салдарынан болады.

Ғарыштық сәулелердің шығу тегі жөніндегі гипотезалар бастапқы ғарыштық сәулелерді радиоастрономиялық тәсілдердің көмегімен зерттеуге байланысты шықты. Қазіргі көзқарас бойынша ғарыштық сәулелер аса жаңа жұлдыздардың қопарылысы кезінде пайда болады. Мұндай қопарылыстар кезінде плазмада пайда болған соққы толқыны зарядты бөлшектерді ~ 10¹⁵ эв-қа дейін, тіпті одан да жоғары энергияға дейін үдете алады.

Радиоастрономиялық тәсілдер арқылы ғарыштық сәулелердің (дәлірек айтқанда, оның электрондық компоненті) біздің Галактикадан тыс орналасқан көздері де (квазарлар) байқалды. Соңғы кезде анықталған астрофизикалық

объектілер — пульсарлар да ғарыштық сәулелердің жоғары энергиялы (10²⁰—10²¹ эв) бөлігінің көзі бола алады.

Әр түрлі табиғи көздерде үдетілген зарядты ауыр бөлшектер жұлдыз аралық кеңістікте күрделі траектория бойымен қозғалады. Сондықтан қозғалыс диффузиялық сипатта болады. Энергиясы 10¹⁷—10¹⁸ эв шамасындағы бөлшектер біздің Галактикада ондаған миллион жыл бойы ұсталып қалуы мүмкін. Ғарыштық сәулелер құрамындағы бөлшектердің қозғалысы диффузиялық сипатта болатындықтан ғарыштық сәулелер ағыны, іс жүзінде, толық изотропты болады. Ғарыштық сәулелер құрамындағы радиоактивті ядролардың салыстырмалы мөлшері бойынша галактикалық ғарыштық сәулелердің жасы жуықтап анықталады. Ұзақ уақыт бойы ғарыштық сәулелер әсер еткен метеориттік заттардағы тұрақты және радиоактивтік изотоптардың құрамын зерттеу арқылы және өте ескі ағаштардың әр түрлі жылдық сақинасындағы радиоактивті көміртектің мөлшерін анықтау нәтижесінде ерте замандағы ғарыштық сәулелердің интенсивтілігі жөнінде болжам жасауға болады. Мұндай зерттеулер ғарыштық сәулелердің орташа интенсивтілігі миллиондаған жылдар бойы осы күнгі мөлшерінде болғандығын көрсетеді. [15,16]