Космічні промені – що це таке, звідки вони беруться та як впливають на Землю
- Ігор Сальниченко
- 17 трав.
- Читати 21 хв
Космічні промені – це високозаряджені субатомні частинки, що летять до нас із глибин космосу майже зі швидкістю світла[1] [2]. Попри назву, вони не є «променями» світла чи іншого електромагнітного випромінювання – насправді це елементарні частинки і ядра атомів, зокрема протони (ядра водню) та атомні ядра гелію і важчих елементів[3]. Ці частинки пронизують космічний простір і постійно бомбардують Землю з усіх напрямків. У цій статті ми доступно пояснимо, що таке космічні промені, якою була історія їх відкриття, які джерела космічних променів відомі науці, як їх класифікують за енергією та складом, завдяки яким процесам вони народжуються та прискорюються, а також якими методами їх виявляють. Окремо розглянемо найважливіші наукові проєкти й обсерваторії для їх дослідження, вплив космічних променів на людей, авіацію, космонавтику та електроніку, а також як самі космічні промені стали корисним інструментом у науці.
Визначення космічних променів та історія їх відкриття
Космічні промені – це потік заряджених частинок високих енергій, що прибувають на Землю з космосу. Близько 89% первинних космічних променів становлять протони (ядра водню), ~10% – ядра гелію (альфа-частинки), а ще ~1% припадає на ядра важчих елементів аж до урану[3]. Також у складі космічних променів трапляються електрони, позитрони та навіть мюони і нейтрино, хоча їх частка невелика[4][3]. Коли такі частинки досягають Землі, більшість з них зіштовхується з атомами у верхніх шарах атмосфери, породжуючи каскади вторинних частинок – так звані широкі атмосферні зливи. У результаті до поверхні планети долітають вже вторинні частинки (головним чином мюони, нейтрони, електрони тощо), тоді як первинна частинка витрачає свою енергію на породження цього «дощу»[3]. Таким чином, безпосередньо на рівні моря ми не спостерігаємо первинні космічні промені – натомість реєструємо їх «потомків» в атмосфері[2].
Перші підказки з’явилися ще в кінці XIX ст., коли вчені зауважили, що електроскопи (прилади для вимірювання іонізації повітря) самочинно розряджаються навіть у добре ізольованих камерах. Це наводило на думку, що існує невідоме іонізуюче випромінювання ззовні. Багато хто припускав, що джерелом є природна радіоактивність ґрунту. Для перевірки цієї гіпотези експериментатори почали вимірювати рівень іонізації на різних висотах і глибинах. Так, у 1909 році фізик Теодор Вульф підняв електрометр на вершину Ейфелевої вежі (300 м) і виявив, що на цій висоті радіація зменшується, але не настільки сильно, як очікувалося, якщо б все випромінювання йшло від Землі[5]. Ще більш показовим був експеримент італійця Доменіко Пачіні. У 1911 році він виміряв іонізацію повітря на поверхні озера та на глибині 3 метрів під водою і з’ясував, що під водою рівень іонізації приблизно на 20% нижчий[5][6]. Пачіні зробив висновок, що істотна частка цього випромінювання має походити не від радіоактивних порід земної кори, а від якогось іншого джерела, ймовірно, з атмосфери або космосу[5].
Розв’язка настала у серпні 1912 року завдяки австрійському фізику Віктору Гессу. Він сміливо піднявся на повітряній кулі на висоту понад 5 км, взявши із собою кілька чутливих електрометрів для вимірювання радіації[5]. На такій висоті Гесс зафіксував приблизно вчетверо вищий рівень іонізації, ніж на рівні моря[5]. Вчений навіть здійснив один із польотів під час сонячного затемнення, щоб перевірити, чи не є Сонце джерелом цього випромінювання[5]. Результати були однозначні: інтенсивність іонізуючого випромінювання зростає з висотою, тож воно проникає в атмосферу зверху[5]. Гесс дійшов висновку, що Землю постійно бомбардує якесь високоенергетичне випромінювання космічного походження[5]. Це відкриття фактично започаткувало нову галузь фізики. У 1936 році Віктор Гесс отримав за нього Нобелівську премію з фізики, яку розділив з американцем Карлом Андерсоном – відкривачем позитрона[6].
У наступні два десятиліття дослідження космічних променів набрали обертів. Стало зрозуміло, що «промені» Гесса насправді є потоком заряджених частинок, а не гамма-випромінюванням, як гадали спочатку. Власне термін “космічні промені” ввів у 1925 році фізик Роберт Міллікен, який припускав, що це жорстке електромагнітне випромінювання з космосу[7]. Назва закріпилася, хоча пізніше з’ясувалося, що це переважно частинки. Досліди американського фізика Артура Комптона у 1930-х показали, що інтенсивність космічних променів на широтах різниться – поблизу полюсів вона вища, ніж на екваторі, що свідчило про заряджену природу цих частинок (магнітне поле Землі сильніше відхиляє їх на екваторі). Космічні промені стали природною лабораторією для відкриття нових елементарних частинок: у 1932 році Карл Андерсон, спостерігаючи треки в камері Вільсона, відкрив позитрон – першу античастинку[3], а в 1936-му разом з Неддермеєром – важкий електрон (мюон)[3]. У 1947 році в продуктах космічних променів було виявлено піон – частинку, що передбачалася теорією ядерних сил. До появи великих прискорювачів у 1950-х роках саме космічні промені були єдиним джерелом високоенергетичних частинок для фізиків[3]. Так «дощ з космосу» допоміг розширити межі нашого знання про будову матерії.
Джерела космічних променів: сонячні, галактичні та позагалактичні
Одне з центральних питань астрофізики частинок – звідки беруться космічні промені. Сучасні дослідження дозволили встановити, що джерела цих частинок бувають різного масштабу. Найменш енергетичні космічні частинки генерує наше Сонце. Під час сонячних спалахів і корональних викидів маси зі світилом викидається рясний потік протонів, електронів та іонів – так звані сонячні космічні промені або сонячні енергетичні частинки[8]. Вони мають відносно невисокі енергії (десятки – сотні МеВ) і здебільшого поглинаються земною атмосферою, але під час сильних сонячних бур можуть впливати на космічні апарати та навіть авіацію (про це – далі).
Основний же “фон” високоенергетичних частинок становлять галактичні космічні промені (ГКП) – тобто ті, що народжуються в межах нашої галактики Чумацький Шлях[2]. Вважається, що переважна більшість космічних променів середніх і високих енергій (до ~10¹⁵–10¹⁷ еВ) походить саме з нашої Галактики. Ймовірними джерелами є катаклізми, пов’язані зі смертю зірок: наднові спалахи та їх залишки, а також пульсариі магнетари (нейтронні зірки з екстремальним магнітним полем).
Коли масивна зірка вибухає як наднова, утворюється ударна хвиля, що розширюється в навколишньому просторі. На фронті цієї ударної хвилі заряджені частинки можуть розганятися до високих енергій – цей процес відомий як прискорення Фермі 1-го роду (дифузійне прискорення на ударній хвилі). Моделі показують, що залишки наднових здатні прискорювати протони до енергій порядку 10¹⁴–10¹⁵ еВ[4]. Тисячі років після вибуху ударна хвиля наднової, обгорнута магнітним полем, слугує своєрідним прискорювальним “котлом”, в якому частинки багаторазово відбиваються від нерівностей магнітного поля і з кожним таким “відскоком” набирають все більше енергії[4]. Зрештою частина розігнаних частинок виривається з цього розширного залишку наднової і розлітається по Галактиці у вигляді космічних променів.
Втім, наднові – не єдине можливе галактичне джерело. У центрі Чумацького Шляху та деяких інших галактик існують надмасивні чорні діри, оточені активними зонами газу і плазми. Активні ядра галактик та потужні релятивістські струмені (джети), які вони випромінюють, теж можуть розганяти частинки до високих енергій[4]. У нашій Галактиці такими могли б бути прискорювачами, приміром, залишки минулих активних епох центру Галактики або потужні подвійні системи (мікроквазари). Але наразі вважається, що для енергій до ~10¹⁵–10¹⁷ еВ головними “двигунами” є все ж таки ударні хвилі наднових та пов’язані з ними явища[4].
Найдивовижніші – це позагалактичні космічні промені, тобто частинки, що прилітають з-за меж Чумацького Шляху. Вони становлять незначну частку, але їх енергії просто приголомшують: деякі з цих частинок мають енергію, у мільйон разів більшу, ніж частинки у найдужчому земному колайдері (Великому адронному колайдері)[7]! Такі ультра-високі енергії (>10¹⁸–10¹⁹ еВ) навряд чи можна отримати у звичайних галактичних рештках наднових – для цього потрібні ще потужніші “прискорювачі”. На роль батьківщини ультраенергетичних космічних променів розглядають активні галактики з надмасивними чорними дірами (квазари, радіогалактики), вибухи гамма-спалахів, злиття галактик або навіть більш екзотичні джерела на кшталт розпаду первинних космічних струн чи інших дефектів простору-часу[4]. Поки що точна природа цих джерел лишається загадкою, але статистичний аналіз показує, що найенергетичніші промені приходять до нас дещо нерівномірно – спостерігаються “гарячі точки” на небі, звідки їх прилітає більше[7]. Це натякає на можливі місця розташування потужних космічних прискорювачів за межами нашої галактики.
Загалом, прийнято вважати, що за енергією космічні промені діляться на низькоенергетичні (сонячні і галактичні фонові, з енергіями до сотень МеВ або одиниць ГеВ), високоенергетичні (до мільйонів і мільярдів ГеВ, їх джерела – наднові і інші галактичні явища) та ультра-високі (вище 10¹⁸ еВ, імовірно позагалактичного походження). Енергетичний спектр космічних променів плавно спадає за мірою зростання енергії частинок (кількість частинок різко менша при екстремальних енергіях). Цей спектр має характерні перегини, які вчені образно назвали “коліном” (біля ~3×10¹⁵ еВ) та “щиколоткою” (~5×10¹⁸ еВ): в цих точках ухил спектра змінюється. “Коліно” пов’язують з вичерпанням можливостей галактичних прискорювачів – понад цю енергію потік частинок збіднюється, бо, вірогідно, джерела наднових вже не розганяють ефективно важкі ядра. Натомість “щиколотка” може означати перехід до домінування позагалактичних джерел, які дають новий компонент ультраенергетичних частинок[4]. Ще на кілька порядків вище (близько 5×10¹⁹ еВ) має проявитися теоретичний межовий ефект – так званий межа Грейзена–Зацепіна–Кузьміна (ефект ГЗК): частинки настільки величезної енергії взаємодіють з реліктовим випромінюванням Всесвіту і втрачають енергію по дорозі. Це накладає граничне обмеження на максимальну відстань, з якої до нас можуть долетіти найенергетичніші космічні промені (порядку 100 мегапарсек). Втім, окремі рекордні частинки все ж реєструвалися: так, у 1991 році в штаті Юта (США) детектували легендарну частинку з енергією ~3×10²⁰ еВ, яку жартома охрестили “Ого!-частинкою” (англ. Oh-My-God particle)[7]. Вона летіла практично зі швидкістю світла і несла енергію, еквівалентну енергії тенісного м’яча, пущеного зі швидкістю 100 км/год – але була сконцентрована в одній субатомній частці!
Механізми утворення та прискорення космічних частинок
Як же природа розганяє частинки до настільки фантастичних швидкостей? Здебільшого, механізми прискорення космічних променів пов’язані з електромагнітними полями в астрофізичних вибухових процесах та об’єктах з екстремальними умовами. Одним із ключових процесів вважається згаданий вище механізм Фермі-1 (ударне прискорення): частинки, багаторазово відбиваючись від рухомих магнітних неоднорідностей по різні боки ударної хвилі, набирають енергію при кожному проходженні через фронт удару. Цей процес ефективно діє у залишках наднових і, ймовірно, в ударних хвилях навколо активних ядер галактик та квазарів[4]. Час розгону частинки до дуже високої енергії може складати тисячі років безперервного “пінг-понгу” в магнітних полях, поки частинка не вирветься у міжзоряний простір[4].
Іншим шляхом є прискорення в потужних обертальних магнітних полях, притаманних пульсарам (нейтронним зорям, що швидко обертаються). У магнетарах – нейтронних зорях з надсильним магнітним полем – також можуть розганятися частинки під час раптових реконфігурацій поля (магнітних зіркових спалахів). Спалахи гамма-сплесків (колосальні вибухи, пов’язані з колапсом зірок чи злиттям нейтронних зір) – ще один кандидат на джерело ультраенергетичних часток, адже за лічені секунди там виділяється гігантська енергія, частина якої може піти на розгін протонів.
У випадку Сонця, прискорення частинок відбувається під час сонячних спалахів та корональних викидів – тут діють механізми магнітного перез’єднання (перез’єднання силових ліній магнітного поля) і ударні хвилі у сонячній короні та міжпланетному просторі, які утворюються від вибухових викидів плазми. Частинки Сонця досягають енергій у сотні МеВ і іноді більше, але загалом значно поступаються енергіям галактичних променів.
Незважаючи на суттєвий прогрес, багато деталей все ще не до кінця з’ясовані. Наприклад, поки що немає єдиної думки, що саме розганяє частинки до >10²⁰ еВ – чи то особливий клас “зоряних фабрик” (галактик із бурхливим зореутворенням)[7], чи вибухи наднових у тандемі з пульсарами, чи явища біля надмасивних чорних дір, чи щось зовсім екзотичне (на кшталт розпаду частинок темної матерії або топологічних дефектів простору)[4]. Вчені продовжують шукати відповіді, одночасно спостерігаючи за розподілом напрямків приходу цих частинок та їх складом – це допомагає звужувати коло підозрюваних джерел.
Космічні промені та методи їх виявлення
Дослідження космічних променів потребує фіксації як самих цих частинок, так і каскадів вторинних частинок, які вони створюють в атмосфері. За більш ніж сторіччя практики напрацювалися різні методи детектування космічних променів. Їх можна розділити на дві великі категорії: прямі та непрямі методи[5].
Прямі методи означають реєстрацію самих первинних частинок космічних променів до того, як вони зіткнуться з атмосферою. Здійснити це можливо, піднявши детектор вище основної маси атмосфери – тобто в космос (на супутнику чи МКС) або хоча б у стратосферу на повітряній кулі[5]. Пряме детектування дає змогу вимірювати заряд, енергію та масу окремих космічних частинок. Однак є технічні обмеження: з ростом енергії потік частинок різко спадає, тож зловити достатньо подій екстремальних енергій напряму майже неможливо (приміром, частинки >10¹⁵ еВ трапляються так рідко, що жоден супутник з невеликою площею детектора їх не збере). Тому прямі вимірювання ефективні переважно для відносно невисоких і середніх енергій, де частинок більше. Основні інструменти прямого методу – це спеціалізовані супутникові та висотні аеростатні детектори. Першими такими були, звісно, повітряні кулі Гесса і його послідовників. Сьогодні в стратосферу регулярно запускають великі наукові аеростати з детекторами: приклад – серія експериментів SuperTIGER в Антарктиді, де на гігантській повітряній кулі триметровий прилад протягом ~55 діб збирав дані про ядра важких елементів у космічних променях[4].
Ще один напрям – встановлення детекторів на Міжнародній космічній станції. Там з 2011 року діє магнітний спектрометр AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) – пристрій масою 7,5 тонни, який пройшов у космосі шлях від амбітного проєкту до реального “робота” зі збору космічних частинок. AMS-02 точно вимірює спектр, склад та напрямки приходу космічних променів у діапазоні енергій від сотень МеВ до кількох ТеВ. За перші кілька років роботи він зареєстрував понад 60 мільярдів подій[11], серед яких мільйони — ідентифіковані електрони та позитрони. Ці дані дозволили відкрити несподіваний надлишок позитронів на високих енергіях, природа якого досі дискутується (можливо, це сигнал від анігіляції частинок темної матерії, а можливо – від прихованих астрофізичних джерел, як-от близьких пульсарів). Серед інших супутникових місій варто згадати орбітальний телескоп DAMPE (Китай), прилади на апаратах ACE і GOES (США) та ін. Навіть автоматичні міжпланетні станції оснащувалися детекторами: наприклад, зонди Voyager-1,2, що вийшли за межі геліосфери, вимірюють галактичні космічні промені в міжзоряному середовищі[7], а Parker Solar Probe (Сонячний зонд Parker) несе датчики для вивчення сонячних та галактичних частинок поблизу Сонця[7].
Непрямі методи – це реєстрація не самого первинного ядра, а продуктів його взаємодії в атмосфері. Коли космічна частинка врізається в молекули повітря на висотах 10–30 км, виникає лавиноподібний широкий атмосферний каскад вторинних частинок. Він може складатися з мільйонів частинок, розлітаючись конусом до земної поверхні на площі десятків квадратних кілометрів. Існує два підходи до спостереження таких явищ: або детектувати частинки цього каскаду, що долітають до землі, або фіксувати породжене ними випромінювання в атмосфері (світлові спалахи). Перший підхід реалізується за допомогою наземних установок – обширних масивів детекторів, розставлених під відкритим небом. Вони прямо “ловлять” мюони, електрони, фотони та інші частинки, які досягли грунту. Зазвичай використовують сцинтиляційні або черенковські детектори. Приклад – гігантська обсерваторія Pierre Auger в Аргентині, що розгорнута на площі ~3000 км²: там встановлено 1600 черенковських детекторів, кожен з яких являє собою поліетиленовий бак з 12 тоннами чистої води[7] (фото вище). Коли частинки каскаду пролітають крізь воду з надсвітловою в ній швидкістю, вони випускають блакитне світло (ефект Черенкова), яке фіксують чутливі фотомножники. За сигналами з сотень таких баків, що одночасно спрацювали, можна відновити енергію первинної частинки і напрямок, звідки вона прилетіла[7].
Другий підхід – оптичне спостереження каскадів. Коли швидкі електрони в каскаді зупиняються в повітрі, вони збуджують молекули азоту, які внаслідок цього світяться ультрафіолетом. У безмісячні темні ночі спеціальні телескопи можуть бачити слабкі “спалахи” цього флуоресцентного світіння на фоні неба. Технологія вперше випробувана у 1980-х (експеримент Fly’s Eye в Юті) і зараз використовується паралельно з наземними детекторами. В обсерваторії П’єра Оже працюють 24 такі великі флуоресцентні телескопи, встановлені в чотирьох станціях по периметру масиву[7]. Вони вловлюють блискавичні ультрафіолетові треки від атмосферних злив. Комбінуючи дані телескопів і наземних детекторів, вчені отримують дві незалежні оцінки параметрів космічного променя, що підвищує точність і надійність результатів[7].
Крім того, на практиці застосовуються й інші способи. Аеростатні та авіаційні платформи можуть не лише прямо ловити частинки, а й виступати у ролі проміжних детекторів каскадів, ширяючи в верхніх шарах атмосфери. А по всьому світу з 1950-х діє мережа стаціонарних нейтронних моніторів – детекторів, що реагують на потік вторинних нейтронів, породжених космічними променями в атмосфері[7]. Ця мережа дозволяє у реальному часі відстежувати зміни інтенсивності космічного випромінювання, зокрема різке зниження потоку під час приходу сильних сонячних потоків (ефект Форбуша), або навпаки, сплески під час особливо потужних сонячних подій, коли генеруються додаткові космічні промені сонячного походження. Дані з десятків нейтронних моніторів (об’єднаних у мережу NMDB) використовуються для моніторингу космічної погоди та оцінки радіаційної обстановки для авіації і космонавтики[7].
Нарешті, цікаво згадати, що космічні промені можна виявити навіть у домашніх умовах. Для цього ентузіасти будують невеличкі дифузійні хмарні камери – прозорі камери, всередині яких пересичена пара спирту конденсується на іонах, утворених пролітаючими зарядженими частинками. У такому пристрої можна побачити тонкі білесуваті треки – сліди мюонів космічних променів, що пролітають крізь вашу кімнату щосекунди! Це захопливий наочний експеримент, який демонструє всюдисущість космічного випромінювання[7].
Провідні проєкти та обсерваторії для дослідження космічних променів
За останні десятиліття в різних куточках планети (та за її межами) створено масштабні установки, спеціально призначені для вивчення космічних променів. Вони дозволяють дослідникам «ловити» найрідкісніші частинки й зазирнути у світ екстремальних енергій. Розглянемо кілька найбільш знакових проєктів.
Обсерваторія П’єра Оже (Pierre Auger Observatory) – найбільший у світі комплекс для реєстрації ультра-високоенергетичних космічних променів. Розташований на плато Пампа-Амарілья в Аргентині, він охоплює територію ~3000 квадратних кілометрів. Як вже згадувалося, до його складу входить масив із 1600 наземних водяних детекторів, розставлених зі кроком 1,5 км, а також 24 атмосферні телескопи по периметру[7]. Ця гігантська “вловлююча сітка” дозволяє реєструвати частинки з енергіями до 10^20 еВ. Обсерваторію названо на честь французького фізика П’єра Оже, який ще у 1938 р. першим виявив широкі атмосферні зливи (одночасні збіги сигналів на віддалених детекторах, спричинені однією космічною частинкою). Цікаво, що одним із ініціаторів створення проекту був відомий американський фізик Джеймс Кронін (лауреат Нобелівської премії), який прагнув розгадати природу ультраенергетичних променів[7]. З 2004 року обсерваторія веде спостереження, і за цей час досягла кількох важливих результатів. Зокрема, вона підтвердила існування межі ГЗК – різкого спаду інтенсивності космічних променів вище ~5×10¹⁹ еВ, що узгоджується з теоретичними передбаченнями про взаємодію з реліктовим випромінюванням.
Також дані Auger вказали, що надвисокоенергетичні частинки прибувають не цілком ізотропно – є слабка кореляція їх приходу з напрямками на найближчі активні галактики, що натякає на їх позагалактичне походження. Наразі обсерваторія Оже продовжує модернізуватися (програма AugerPrime) для підвищення чутливості та вивчення хімічного складу цих екстремальних частинок.
Іншим провідним центром досліджень є Проект Telescope Array (TA) в штаті Юта, США. Він аналогічний обсерваторії Оже, але дещо менший за розмірами (близько 700 км²) і розташований на Північноамериканському континенті, що доповнює охоплення неба. TA складається з ~500 сцинтиляційних детекторів на землі та трьох осередків атмосферних телескопів. Спостерігаючи північну півкулю неба, Telescope Array зафіксував натяк на існування “гарячої плями” – локалізованого напрямку, звідки приходить статистично більше космічних променів надвисоких енергій. Щоб підтвердити це, планується розширення TA (проект TA×4) для збільшення площі детекторів.
Для вивчення космічних променів дещо нижчих енергій (10¹³–10¹⁷ еВ) будуються великі висотні установки. Яскравий приклад – китайська обсерваторія LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) в Тибеті, запущена в дію у 2019 році[7]. LHAASO розташована на висоті 4410 м над рівнем моря і поєднує різні типи детекторів: 5195 сцинтиляційних частинок, 1188 детекторів черенковського випромінювання у воді (загальна площа водяних басейнів – 78 тис. м²) та 12 телескопів для Черенковського світла в атмосфері. Хоч основна мета LHAASO – пошук гамма-випромінювання надвисоких енергій, побічно вона збирає величезні масиви даних і про протонно-ядерні космічні промені в діапазоні до 1–3×10¹⁷ еВ.
Ще один цікавий проект – HAWC (High Altitude Water Cherenkov) в Мексиці на висоті 4100 м. Це масив із 300 великих водяних черенковських детекторів, призначений головно для гамма-астрономії (спостереження космічних гамма-променів 0.1–100 ТеВ)[7]. Але гамма-промені цих енергій при взаємодії в атмосфері дають каскади, дуже схожі на каскади від космічних променів, тож HAWC одночасно виконує роль обсерваторії космічних променів високих енергій.
Для повноти слід згадати і нейтринні телескопи на кшталт IceCube в Антарктиді. IceCube – кубічний кілометр льоду, нашпигований оптичними сенсорами – полює на космічні нейтрино[7]. Але цей інструмент також реєструє мільйони мюонів вторинного космічного випромінювання, які пронизують Антарктиду. Власна надземна установка IceTop (масив із 162 льодових детекторів на поверхні) слугує для калібрування та одночасного вимірювання параметрів космічних променів середньої енергії. Отже, такі нейтринні обсерваторії теж роблять свій внесок у науку про космічні промені.
На завершення варто зазначити, що навіть на рівні університетів і аматорських проектів існують численні детектори космічних променів. Наприклад, мережа detectori.org в Україні об’єднує шкільні та університетські сцинтиляційні лічильники мюонів, що дозволяє молодим науковцям власноруч спостерігати варіації космічного випромінювання. У США та Європі є схожі освітні ініціативи (WALTA, ALTA тощо). Таким чином, наука про космічні промені – дуже жива і доступна для участі широкого кола зацікавлених.
Вплив космічних променів на Землю, людей і технології
Космічні промені, досягаючи Землі, взаємодіють з атмосферою і породжують постійний фон вторинної радіації. Для людини, що живе на рівні моря, ці природні космічні радіаційні фони є частиною нормального середовища. В середньому близько 10% річної дози опромінення населення планети припадає саме на космічне випромінювання[8]. Атмосфера і магнітосфера Землі надійно захищають нас від більшої частини цього потоку[8]: тільки найпроникніші і найенергетичніші частинки долітають до тропосфери. На поверхні основний вклад від космічних променів дають мюони та нейтрони, що утворилися у верхніх шарах повітря і “дожили” до землі. Цей фон доволі стабільний і невеликий – приблизно 0,03–0,05 мікрозіверта на годину (для порівняння, годинний переліт на літаку дає більшу дозу). Проте за певних умов вплив космічних променів стає суттєвим і потребує врахування.
Авіація. З підйомом на висоту захисний шар атмосфери стрімко тоншає, тож інтенсивність космічного випромінювання зростає. Пасажири та особливо екіпажі літаків, що виконують висотні рейси, отримують підвищені дози від космічних променів. У середньому пілот чи бортпровідник, що літає на великих висотах і високих широтах, набирає додатково порядку 2–6 мілізівертів на рік до фонової дози[8]. Для порівняння: середня доза від усіх джерел на землі ~3 мЗв/рік, а гранично допустима доза для категорії радіаційно опромінюваних професіоналів – 20 мЗв/рік[8]. Тобто авіаперсонал входить до категорії людей з підвищеним радіаційним опроміненням, і багато країн вже прирівнюють цю професію до робіт з джерелами іонізуючого випромінювання. Авіакомпанії відстежують сумарні дози своїх співробітників; існують програми розрахунку доз для заданих маршрутів. Цікавий факт: під час сильних сонячних протонних подій (коли Сонце викидає потужний потік частинок, що тимчасово збільшує космічне опромінення у верхніх шарах атмосфери) деякі авіарейси перенаправляють на менш полярні траєкторії і понижені висоти, щоб зменшити дозу для пасажирів. За оцінками, якщо в майбутньому авіакомпанії літатимуть ще вище для економії пального, річні дози екіпажів можуть зрости на 30–50%[8]. Тому вплив космічних променів на висотних перельотах – важливий фактор авіаційної медицини та безпеки.
Крім того, космічні промені впливають на електроніку літаків. Високоенергетичні вторинні нейтрони і мюони можуть спричиняти збої в роботі мікропроцесорів, так звані одиночні збої (SEU). Хоча ймовірність такої події невелика, у літаків це вже фіксувалося: відомі випадки, коли через космічний збій автопілот відключався чи система видавала помилки. Тому авіаційні комп’ютери проектують з урахуванням радіаційної стійкості, особливо для полярних маршрутів (де захист магнітного поля Землі слабший).
Космонавтика. Для космонавтів та космічної техніки космічні промені становлять ще більшу проблему. За межами атмосфери людина зазнає інтенсивного опромінення як галактичними космічними променями, так і сонячними. Наприклад, астронавт на МКС протягом піврічної місії може отримати порядку 80–160 мЗв дози – це в десятки разів більше, ніж земний річний фон. Космічні агенції встановлюють для астронавтів ліміти кар’єрної дози (порядку 600–1000 мЗв), після яких людину вже не пускають у космос, щоб не підвищувати ризик раку. Політ на Марс, за нинішніми оцінками, дасть сумарно ~600 мЗв (близько половини ліміту). Тому захист від космічних променів – одне з найскладніших завдань для далекого космосу. Використовуються комбінації пасивного екранування (спеціальні матеріали, вода, поліетиленові блоки) та активних методів (магнітні екрани в перспективі).
Цікаве явище помічали ще астронавти Apollo на шляху до Місяця: вони бачили спалахи світла в темряві, із заплющеними очима. Згодом з’ясувалося, що це космічні промені “влучають” в око, викликаючи слабкий світловий ефект у сітківці або склоподібному тілі ока[12]. Це ще раз підкреслює, наскільки потужними є ці частинки, якщо здатні прямо активувати зорові рецептори! Для науки такі випадки стали підказкою про природу космічної радіації.
Космічні промені небезпечні не лише для людей, а й для космічної техніки. Високоенергетичні частки і особливо іони важких елементів можуть пошкоджувати електронні компоненти, викликати збої в пам’яті комп’ютерів, поступово деградувати сонячні батареї і матеріали. На супутниках і космічних кораблях використовується радіаційно-стійка електроніка: дублювання систем, екранування, спеціальні мікросхеми з технологіями, що запобігають збоям. Адже одиничний влучний збій може, приміром, перезавантажити бортовий комп’ютер чи збити орієнтацію апарату.
Наземні технології. Хоч на землі нас захищає атмосфера, найенергетичніші вторинні частки все ж можуть спричиняти ефекти в електроніці, особливо сучасній. Від часу впровадження мікропроцесорів з високою щільністю транзисторів почали фіксувати загадкові одиничні збої комп’ютерів, які не можна пояснити програмними помилками. Сьогодні встановлено, що частина таких “м’яких збоїв” викликана саме космічними променями[12]. Коли космічна частинка (або породжений нею в кремнії вторинний ядерний осколок) влучає у напівпровідник, вона може змінити стан окремого біта пам’яті або логічного елемента. Це не пошкоджує сам чип, але призводить до випадкової зміни даних. Більшість таких випадків залишаються непоміченими або маскуються системами корекції помилок (ECC). Але іноді наслідки курйозні.
Відомий інцидент у Бельгії 2003 року: під час виборів автоматизована система підрахунку голосів “намалювала” одному кандидату додаткових 4096 голосів. Помилку виявили при повторному перерахунку, а число 4096 (2¹²) навело експертів на думку про збої бітів. Розслідування дійшло висновку, що найімовірнішою причиною став космічний промінь, який спричинив фліп біту в пам’яті комп’ютера підрахунку[10]. Таким чином, космос інколи втручається навіть у земну цифрову інформацію. В міру того, як транзистори стають дрібнішими і менш енергоспоживаючими, стійкість до таких випадкових іонізаційних впливів зменшується[10]. Тому виробники процесорів, особливо для відповідальних застосувань (авіоніка, медицина), борються з проблемою космічних збоїв, додаючи апаратні дублювання та алгоритми перевірки.
Клімат та атмосфера. Деякі науковці висувають гіпотези про вплив космічних променів на хмароутворення і клімат. Ідея полягає в тому, що іони, які утворюються в атмосфері під дією космічного випромінювання, можуть слугувати центрами конденсації для водяної пари і сприяти утворенню хмар. Одна з теорій навіть намагається пов’язати цикли сонячної активності (що змінюють інтенсивність космічних променів у земній атмосфері) із довгостроковими кліматичними змінами. Однак прямих доказів цьому поки бракує – експерименти (наприклад, проєкт CLOUD у ЦЕРН) показали, що ефект існує, але дуже слабкий і перевантажений іншими факторами клімату. Тим не менше, дослідження тривають. Цікаво, що зовсім недавні роботи вказують на можливий зв’язок космічних променів з… електричними розрядами. В атмосфері Землі діє глобальний електричний контур (іоносфера – грози – земля). Згідно з однією з гіпотез, потік галактичних космічних променів може трохи модулювати частоту блискавок на планеті, заряджаючи атмосферу[1]. Хоч би як там було, космічні промені – постійний і неминучий фактор навколишнього середовища, що діє в масштабах від мікроелектроніки до глобальної атмосфери.
Використання космічних променів у науці
Парадоксально, але те, що колись було лише завадою в фізичних експериментах, нині слугує самим науковцям як інструмент. Космічні промені знайшли застосування в різних галузях науки і техніки.
По-перше, як згадувалося, саме завдяки космічним променям були відкриті нові елементарні частинки – позитрон, мюон, піон та інші[3]. Ці відкриття заклали фундамент сучасної фізики елементарних частинок. Протягом кількох десятиліть до ери великих прискорювачів природні космічні промені були єдиним «вікном» у світ субатомних частинок високих енергій[3]. Навіть сьогодні, коли колайдери розганяють протони до Тера-електронвольт, космічні промені перевершують їх на порядки. Тому спостереження за ними дозволяє вивчати взаємодії частинок при енергіях, недосяжних на Землі. Наприклад, аналіз розвитку атмосферних злив від космічних променів дає інформацію про ядерні взаємодії на екстремальних енергіях – це корисно для астрофізики і фізики високих енергій.
По-друге, космічні промені як зонди застосовуються в геофізиці, археології та навіть інженерії. Йдеться про метод мюонної радіографії – технології, що використовує космічні мюони для просвічування великих об’єктів. Мюони – важкі аналоги електрона – народжуються у верхній атмосфері й досягають поверхні землі у великій кількості (близько одного мюона на см² за хвилину проходить крізь кожен квадратний сантиметр). Вони досить проникні й можуть проходити сотні метрів гірської породи, послаблюючись залежно від товщини матеріалу. Встановивши чутливі детектори мюонів під об’єктом, можна за їх потоком “вималювати” тінь від щільних структур. Так, у 2016 році міжнародний проєкт ScanPyramids за допомогою мюонних детекторів відкрив приховану камеру у піраміді Хеопса в Єгипті[9]. Вона отримала назву “Великий коридор” – 9-метровий пустотний прохід, про існування якого раніше не було відомо. Мюони дозволили зазирнути всередину древньої споруди, не пошкодивши її[9]. Подібним чином мюонна томографія використовується для дослідження вулканів (виявлення магматичних кишень), перевірки стану ядерних реакторів (наприклад, після аварії на Фукусімі мюони допомагали визначити місце розплавленого ядерного палива), сканування великих інженерних конструкцій на наявність порожнин чи дефектів. Це приклад того, як природне космічне випромінювання перетворилося на інструмент ненатурного огляду, подібний до рентгенографії, але в планетарних масштабах.
По-третє, космічні промені породжують радіоактивні ізотопи в атмосфері, і цим теж користується наука. Коли високоенергетичні частки ударяють в ядра атомів азоту і кисню, виникають нові ізотопи, яких дуже мало на Землі. Знаковий приклад – ізотоп вуглецю ^14C (радіовуглець). Космічні нейтрони, що утворюються в атмосфері, бомбардують ядра ^14N (азоту) і перетворюють їх на ^14C[7]. Цей радіоактивний вуглець входить до складу CO₂, засвоюється рослинами, потрапляє в тканини живих організмів. Коли організм помирає, надходження свіжого ^14C припиняється, і наявний радіовуглець починає розпадатися з відомим періодом напіврозпаду ~5730 років. Вимірявши залишкову частку ^14C у старовинному зразку дерева чи кістки, можна визначити, скільки часу минуло від смерті організму. Цей метод – радіовуглецеве датування – справив революцію в археології та палеонтології[7]. За відкриття методики (в основі якої лежить саме утворення ^14C космічними променями) американський хімік Віллард Ліббі отримав Нобелівську премію. Таким чином, космічні промені стали своєрідним глобальним «годинником», що синтезує ізотопи для археологів. Окрім вуглецю-14, аналогічно утворюються ізотопи берилію ^10Be, хлору ^36Cl та інші – їх накопичення у льодовикових кернах, породах, дендрохронологічних зразках дає цінну інформацію про історію сонячної активності, зміни космічного фону і навіть події в Галактиці (так, у річних кільцях дерев за 774 рік н.е. виявлено аномальний сплеск ^14C, ймовірно викликаний близьким космічним спалахом).
Нарешті, космічні промені використовуються як калібрувальний та тестовий інструмент у фізиці. Великі підземні детектори (як-от нейтринні обсерваторії) нерідко спочатку настроюють саме по мюонах, які пронизують установку – це допомагає перевірити чутливість і енерговимірювання. Також пучки космічних мюонів застосовують для перевірки роботи трекових систем нових прискорювачів, калібрування детекторів частинок (наприклад, перед запуском Великого адронного колайдера інженери протестували на космічних променях багато трекових детекторів, оскільки мюони здатні імітувати слід від прискорених частинок). Космічні промені присутні завжди і всюди, тому інженери-жартівники називають їх “безкоштовним пучком” для тестування детекторів.
Висновок
Космічні промені колись були таємничим випромінюванням неземного походження, а нині – це об’єкт інтенсивного вивчення та інструмент для інших досліджень. Вони з’єднують мікросвіт елементарних частинок з масштабами галактик і Всесвіту. Вивчаючи космічні промені, ми заглядаємо в найекстремальніші куточки космосу і дізнаємося про події, які неможливо відтворити на Землі. Одночасно вони нагадують нам про тонку межу, що відділяє нашу безпечну планету від суворого космосу: варто піднятися на кілька десятків кілометрів – і ви вже серед жорсткого бомбардування частинками. На щастя, життя на Землі навчилося співіснувати з цим невидимим дощем з космосу, а людина навіть пристосувала його собі на користь – від археології до передових технологій. Космічні промені продовжують манити дослідників своїми загадками, і хто знає – можливо, наступне велике відкриття у фізиці народиться саме з їхнього глибшого розуміння.
Список використаних джерел:
Naranjo L. Cosmic Charges // NASA Earthdata, Feature Article. – 19 Apr 2021. – Режим доступу: earthdata.nasa.govearthdata.nasa.gov
Encyclopedia Britannica. Cosmic ray // Encyclopedia Britannica. – Apr 4, 2025. – Режим доступу: britannica.com
CERN. Cosmic rays: particles from outer space // CERN, Science Portal. – [Електронний ресурс]. – Режим доступу: home.cern
NASA Imagine the Universe. Cosmic Rays // HEASARC, NASA GSFC. – 2017. – Режим доступу: imagine.gsfc.nasa.gov
Wikipedia. Космічні промені // Вікіпедія. – Режим доступу: uk.wikipedia.org
De Angelis A. Domenico Pacini and the origin of cosmic rays // CERN Courier. – 18 Jul 2012. – Режим доступу: cerncourier.com/a/domenico-pacini-and-the-origin-of-cosmic-rays/ (11.05.2025). cerncourier.com
Лернер Л. Cosmic rays, explained // University of Chicago News. – 2021 (останнє оновлення: листопад 2024). – Режим доступу: news.uchicago.edu/explainer/what-are-cosmic-rays (11.05.2025). news.uchicago.edu
IAEA. Cosmic radiation exposure of aircrew and space crew // IAEA Information Sheet. – Vienna: International Atomic Energy Agency, 2020. – 3 p. [Електронний ресурс] – Режим доступу: iaea.org/sites/default/files/20/11/rasa-cosmic.pdf. iaea.orgiaea.org
Vlasov A. Muon Imaging: How Cosmic Rays Help Us See Inside Pyramids and Volcanoes // IAEA News. – 14 Apr 2023. – Режим доступу: iaea.org/newscenter/news/muon-imaging-how-cosmic-rays-help-us-see-inside-pyramids-and-volcanoes. iaea.orgiaea.org
John D. Cook. Cosmic rays flipping bits // Blog of John D. Cook. – 20 May 2019. – Режим доступу: johndcook.com/blog/2019/05/20/cosmic-rays-flipping-bits/ (11.05.2025). johndcook.com
AMS Collaboration. New Results From the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station. CERN, Geneva, Switzerland, April 15, 2015. URL: ams02.space
12. Wikipedia. Cosmic ray visual phenomena. URL: en.wikipedia.org
Comments