Космічні промені

Космічні промені, потік часток високої енергії, переважно протонів, що приходять на Землю зі світового простору (первинне випромінювання), а також народжене ними в атмосфері Землі в результаті взаємодії з атомними ядрами вторинне випромінювання, в якому зустрічаються практично всі відомі елементарні частки.

  До. л. — унікальне природне джерело часток високих і надвисоких енергій, що дозволяють вивчати процеси перетворення елементарних часток і їх структуру. Поряд з цим До. л. дають можливість виявляти і вивчати астрофізичні процеси великого масштабу, пов'язані з прискоренням і поширенням часток космічного випромінювання в міжпланетній, міжзоряній, а можливо, і в міжгалактичному середовищі.

  Більшість часток первинного космічного випромінювання мають енергію більше 10 ⁹ ев (1 Гев ) , а енергія окремих часток досягає 10 ²⁰ —10 ²¹ ев (а може бути, і вище). До створення потужних прискорювачів заряджених часток До. л. були єдиним джерелом часток високих енергій. У ДО. л. були вперше виявлені багато невідомих раніше елементарні частки і отримані перші дані про їх розпади і взаємодії з атомними ядрами. Хоча сучасні прискорювачі (у особливості прискорювачі на зустрічних пучках) дозволяють проводити ретельне вивчення процесів взаємодії часток аж до енергій 10 ¹¹ —10 ¹² ев, До. л. як і раніше є єдиним джерелом відомостей про взаємодії часток при ще вищих енергіях.

  Переважна частина первинних До. л. приходить до Землі ззовні Сонячної системи — з того, що оточує її галактичного простору ( Галактики ), т.з. галактичні До. л., і лише невелика їх частина, переважно помірних енергій (<1 Гев ) , пов'язана з активністю Сонця, т.з. сонячні До. л. Проте в періоди високої сонячної активності можуть відбуватися короткочасні сильні зростання потоків сонячних До. л. у міжпланетному просторі. Частки найвищих енергій (>10 ¹⁷ ев ) мають, можливо позагалактичне походження (приходять з Метагалактики ) .

  Загальний потік енергії, приношуваної До. л. на Землю (~0,01 ерг на 1 см ² в 1 сік ) , надзвичайно малий в порівнянні з випромінюваним на Землю потоком сонячної енергії і порівнянний з енергією видимого випромінювання зірок. Проте не виключено, що у далекому минулому До. л. зіграли певну роль в прискоренні еволюції життя на Землі.

  В масштабах всієї Галактики середня щільність енергії До. л. велика (~ 1 ев/см ³ ) — порядку щільності всіх інших видів енергії: енергії тяжіння (гравітації), магнітних полів, кінетичної енергії руху міжзоряного газу, енергії електромагнітного випромінювання зірок. Тому До. л. можуть надавати помітний вплив на еволюцію Галактики в цілому.

  У фізиці До. л. чітко виділяються 2 основних напрями досліджень: ядерно-фізичне (взаємодія До. л. з речовиною; генерація, властивості і взаємодії елементарних часток) і космо-фізічне (склад і енергетичний спектр первинних До. л.; генерація і поширення сонячних і галактичних До. л.; зміна в часі інтенсивності До. л. і взаємодія До. л. з магнітосферою Землі, с сонячним вітром і ударними хвилями в міжпланетному просторі і ін.). У міру розвитку техніки прискорювачів область досліджень на першому напрямі поступово зрушується у бік високих енергій. Усе більш глибоке вивчення ближнього космосу прямими методами за допомогою супутників і космічних ракет переміщає центр тяжіння другого напрями на дальші космічні об'єкти. Тому наукові результати, що отримуються з допомогою До. л., носять, як правило, розвідувальний, першовідкривач, характер і мають фундаментальне значення як для розвитку фізики мікросвіту (в області характерних розмірів £10 ^-13 см ) , так і для розвитку фізики космосу (10 ⁸ —10 ²⁸ см ) .

  Відкриття і основні етапи дослідження До. л. Існування До. л. було встановлено в 1912 Ст Гессом по вироблюваній ними іонізації молекул повітря; зростання іонізації з висотою доводило їх позаземне походження. Спостереження слідів часток До. л. у Вільсона камері, поміщеною в поле лабораторного магніта (Д. Ст Ськобельцин, 1927), і відхилення їх в магнітному полі Землі за допомогою газорозрядних лічильників, що піднімаються в стратосферу на балонах (С. Н. Вернов і Р. Міллікен, 1935—37) довели, що первинні До. л. є потоком заряджених часток, в основному протонів (ядер атомів водню). При цьому були виміряні і енергії більшої частини До. л. (до 15 Гев ) . За допомогою ядерних фотографічних емульсій, піднятих на висоту ~ 30 км. (Б. Пітерс і ін., 1948), у складі первинних До. л. були виявлені сліди ядер важчих елементів, ніж водень, аж до ядер заліза ( мал. 1 ).

  Детальне вивчення зарядів і мас часток вторинних До. л. привело до відкриття багатьох нових елементарних часток, зокрема позитрона, мюона, пі-мезона, До-мезона, L- гіперона (1932—49). У 1932 П. Блекетт і Дж. Оккиаліні вперше виявили в камері Вільсона групи близьких по напряму генетично зв'язаних часток космічного випромінювання — т.з. зливи. У дослідах 1945—49 на високогірних станціях До. л. (Ст І. Векслер, Н. А. Добротін і ін.) і в стратосфері (С. Н. Вернов і ін.) було встановлено, що вторинне космічне випромінювання утворюється в результаті взаємодії первинних До. л. з ядрами атомів повітря. Пізніше за Р. Т. Зацепін показав, що той же механізм, але при вищих енергіях (³10 ¹⁴ ев ) пояснює розвиток відкритих раніше в До. л. (П. Оже 1938) широких атмосферних злив — потоків з багатьох мільйонів часток, що покривають на рівні моря площі порядка 1 км ² і більш.

  Для правильного підходу до проблеми походження До. л. велику роль зіграли успіхи радіоастрономії . Пов'язане з До. л. нетеплове космічне радіовипромінювання дозволило виявити їх можливі джерела. У 1955 Ст Л. Гинзбург і І. С. Шкловський на основі астрономічних для радіо спостережень і енергетичних оцінок вперше кількісно обгрунтували гіпотезу про найновіших зірках як одному з основних галактичних джерел До. л.

  Базою для космофізичного напрями досліджень з'явилася створена в 50—60-і рр. обширна світова мережа станцій До. л. (понад 150), на яких проводиться безперервна реєстрація космічного випромінювання. Багато станцій знаходяться високо в горах, на деяких станціях проводяться підземні спостереження, регулярно посилаються в стратосферу балони з приладами автоматичної реєстрації До. л.

  Нові можливості прямого вивчення первинних До. л. у дуже широкому діапазоні енергій відкрилися у зв'язку з підйомом реєструючої апаратури на штучних супутниках Землі і міжпланетних автоматичних станціях. Зокрема, за допомогою калориметра іонізаційного на супутниках серії «Протон» був вперше безпосередньо виміряний енергетичний спектр первинних До. л. до енергії ~10 ¹⁵ ев (радянський фізик Н. Л. Грігоров і ін., 1965— 1969). Пізніше з допомогою штучних супутників Луни і Марса, а також на радянському «Місяцеході-1» (1970—71) були проведені тривалі виміри варіацій складу і інтенсивності До. л, за межами магнітосфери Землі,

  Первинні галактичні До. л. Геомагнітні ефекти . Всі експериментальні дані узгоджуються з тим, що потік первинних До. л., що летять до Землі з Галактики, з високою мірою точності (~0,1%) ізотропний, тобто не залежить від напряму. Потрапляючи в магнітне поле Землі, заряджені частки космічного випромінювання відхиляються від первинного напряму (в результаті дії на них Лоренца сили ) . Тому інтенсивність До. л. і їх енергетичний спектр в навколоземному просторі залежать як від геомагнітних координат місця спостереження, так і від напряму приходу До. л. Дія геомагнітного поля, що відхиляє, виявляється тим сильніше, чим більше кут J між напрямом руху частки і напрямом силовій лінії поля, тобто чим менше геомагнітна широта j місця спостереження. Т. о., при одній і тій же енергії часток відхилення максимальне в екваторіальних областях і мінімально поблизу магнітних полюсів. В екватора цей «геомагнітний бар'єр» не пропускає до Землі що летять перпендикулярно її поверхні протони з енергією менші ~15 Гев і ядра з енергією ~7,5 Гев на нуклон (протон плі нейтрон). Із збільшенням геомагнітної широти порогова енергія часток швидко зменшується ( ~cos ⁴ j ) , і в полярних областях геомагнітний бар'єр практично відсутній. Поряд з регулярною широтною залежністю на інтенсивності До. л. помітно позначаються аномалії геомагнітного поля (особливо в районі Південної Атлантики). В результаті розподіл інтенсивності До. л. по земній кулі має досить складний характер ( мал. 2 ). У полярних областях (j³ 60°) інтенсивність До. л. біля кордону атмосфери складає в роки мінімуму сонячної активності близько 0,4 частки на 1 см ² в 1 сік в одиниці тілесного кута.

  Із зростанням енергії До. л. їх інтенсивність спочатку повільно, а потім усе більш різко зменшується ( мал. 3 , а). При енергіях 10 ¹⁰ —10 ¹⁵ ев потік часток з енергією вище за деяку задану енергію E (інтегральний спектр) падає згідно із законом ~ E ^-1,7 ( мал. 3 , би). В області енергій > 10 ¹⁵ ев єдиним джерелом відомостей про енергетичний спектр До. л. ( мал. 3 , е) є дані по широких атмосферних зливах (див. нижчий): цей спектр вже не можна представити єдиним статечним законом, що може пояснюватися домішкою метагалактик До. л.

  Більше 90% часток первинних До. л. всіх енергій складають протони, приблизно 7% — а -частіци і лише невелика доля (~ 1%) доводиться на ядра елементів важчих, ніж водень і гелій. Не дивлячись на це, ядра з Z > 1 несуть близько 50% всієї енергії До. л. Зменшення поширеності із зростанням атомного номера елементу в До. л. йде повільніше, ніж для речовини небесних тіл у Всесвіті взагалі. Особливо велике в До. л. вміст ядер легких елементів Li, Ве, В, природна поширеність яких надзвичайно мала (£ 10 ^-7 %). Є також надлишок важких ядер ( Z ³ 6). З цього виходить, що в джерелах До. л. переважає прискорення важких ядер, а легші ядра виникають за рахунок розщеплювання важких ядер (фрагментації) при їх взаємодії з міжзоряною речовиною. В період 1966—71 за допомогою ядерних фотоемульсій і твердотілих детекторів заряджених часток в До. л. виявлені ядра значно важче за залізо — аж до урану, а можливо і ще важчі, причому їх потоки падають із зростанням Z приблизно як Z ^-7 — Z ^-8 . В найбільш вивченої області енергій (>2,5 Гев на нуклон) ядерний склад До. л. такий: протони — близько 92%, а-частки — близько 7%, ядра з Z = 3—5 — близько 0,1—0,15%, з Z = 6—9 — близько 0,5% з Z = 10—15 — близько 0,1—0,15%, з Z = 16—25— близько 0,04%, з Z = 26 (залізо) — 0,025%, з Z > 30— ~10 ^-5 %.

  За змістом в До. л. Li, Ве, В, яких немає в джерелах (ці елементи швидко вигоряють в результаті термоядерних реакцій, що протікають в зірках) і які утворюються лише в результаті фрагментації, було оцінено середню кількість речовини, через яку проходят До. л. на дорозі від джерел до Землі; воно виявилося рівним 3—5 г/см ² . Звідси, якщо відома середня щільність речовини в Галактиці, можна оцінити дорогу, прохідну До. л. у Галактиці, і середній час життя До. л. (див. нижчий).

  До складу первинних До. л. входять також електрони і позитрони (~1%) і фотони високих енергій — g -кванти (~0,01% при енергіях > 100 Мев ) . Не дивлячись на незначну долю в До. л., g -кванти представляють особливий інтерес, оскільки, не відхиляючись магнітними полями міжзоряного простору, вони дозволяють виявляти окремі квазіточкові джерела. л. Знайдено вже близько 20 таких джерел. З них найцікавіший пульсар NP 0532 в Крабовидній туманності, що дає потік g -квантов 0,1—0,5 на 1 м ² в 1 сік і що є одночасно потужним пульсуючим джерелом рентгенівського випромінювання. Крім того, виявлений дифузний потік -l квантів з центру Галактики з інтенсивністю ~ 1 частка на 1 м ² в 1 сік з розрахунку на одиницю тілесного кута.

  Усередині магнітосфери Землі, на висотах ³ 1000 км. від земної поверхні, окрім потоку До. л., присутні набагато інтенсивніші потоки протонів і електронів, захоплені геомагнітним полем і створюючі радіаційний пояс Землі . Походження внутрішньої області радіаційного поясу пояснюється в основному зворотним потоком (альбедо) нейтронів, що вибиваються До. л. з ядер атомів, складових атмосферу Землі: нейтрони розпадаються на протони і електрони, які стримуються в природній магнітній пастці магнітосфери Землі.

  Сонячні До. л. Найбільш сильні зростання інтенсивності До. л. у вигляді нерегулярних короткочасних сплесків пов'язані з спалахами хромосфер на Сонці. При таких спалахах відбувається прискорення заряджених часток. сонячною плазми електромагнітними полями (мабуть, біля кордонів сонячних плям), тобто генерація сонячних До. л. Запропонований, зокрема, вельми вірогідний механізм прискорення часток електричними полями, що індукуються при швидкому зближенні областей сонячної плазми з протилежно направленими магнітними полями (радянський фізик С. І. Сироватський, 1965).

  Потоки сонячних До. л. під час деяких спалахів хромосфер в сотні разів перевищують потоки галактичних До. л. Так, при рекордному сплеску 23 лютого 1956 спостерігалося 300-кратне зростання потоку До. л. з енергією > 3 Гев, що могло б представляти серйозну загрозу безпеці космічних польотів. Тому дуже важливі систематичні спостереження спалахів хромосфер, сплесків радіо- і рентгенівського випромінювання і ін. проявів сонячної активності, що дозволяють в тісному зв'язку з вимірами інтенсивності До. л. прогнозувати радіаційну обстановку на трасах космічних польотів.

  В середньому вклад сонячних До. л. у загальну інтенсивність космічного випромінювання складає декілька відсотків.

  Хімічний склад сонячних До. л. дуже близький до складу сонячної атмосфери. На відміну від галактіч. До. л., у них відсутні ядра Li, Ве, В. Ето показує, що кількість речовини, прохідна сонячними До. л., надзвичайно мало (< 0,1 г/см ² ) і що їх генерація не може відбуватися в глибині сонячної атмосфери де щільність речовини дуже велика (найімовірніше прискорення відбувається у верхній хромосфері і нижній короні Сонця).

  Частки сонячних До. л. в порівнянні з галактичними володіють нижчими енергіями (їх енергетичний спектр м'якший). Енергії протонів зазвичай обмежуються долями Гев, і лише при дуже рідких потужних спалахах хромосфер генеруються протони з енергіями до 100 Гев; нижній кордон енергії реєстрованих електронів сонячних До. л. складає десятки кев (тобто близька до енергії часток сонячного вітру). Сонячні До. л. малій енергії надають істотну дію на стан іоносфера Землі у високих широтах, викликаючи додаткову іонізацію її нижніх шарів. Це приводить до ослабіння радіохвиль, а в деяких випадках — до повного припинення радіозв'язку на коротких хвилях. Дані про поширенні сонячних До. л., їх енергетичному спектрі і кутовій анізотропії дозволяють отримати інформацію про структуру магнітного поля в міжпланетному просторі. Вивчення просторових і тимчасових варіацій (змін) потоків сонячних До. л. допомагає краще зрозуміти такі геофизичні явища, як геомагнітні бурі, полярні сяяння і пр.

  Характер зростання потоку сонячних До. л. на Землю показує, що в початковий період після спалахи потік істотно анізотропен, причому його максимум направлений під кутом зразковий 45° на захід від напряму на Сонці. Це з'явилося першим прямим доказом вигнутості силових ліній міжпланетного магнітного поля у вигляді спіралей Архімеда (см. мал.(малюнок) 4 ).

  Модуляція галактичних До. л. сонячним вітром. Серед періодичних тимчасових варіацій інтенсивності галактіч. До. л. головну роль грають модуляції інтенсивності, співпадаючі з 11-річним циклом сонячної активності. Ці модуляції пов'язані з розсіянням і «виметенням» До. л. галактичного походження неоднорідний намагніченими регулярними потоками плазми, що викидається з Сонця з швидкостями 300—500 км/сек. Такі потоки, що отримали назву сонячного вітру, поширюються далеко за межі орбіти Землі [на десятки астрономічних одиниць (а. е.); 1 а. е. » 150 млн. км. ], поступово переходячи в турбулентний рух плазми в шарі, пограничному з необуреним галактичним магнітним полем ( мал. 4 ). Згідно даним про два останні цикли (1948—59 і 1959—70), інтенсивність До. л. поблизу кордону земної атмосфери під час максимуму сонячної активності знижується в 2—2,5 разу в порівнянні з величиною, характерною для мінімуму. На рівні моря, куди частки малої енергії не доходять, амплітуда 11-річних варіацій До. л. виявляється набагато меншою ( мал. 5 ).

  Існують та інші, менш яскраво виражені типи модуляцій галактіч. До. л., обумовлені різними причинами. Це, зокрема, 27-добові варіації, пов'язані з періодом обертання Сонця довкола своєї осі, а також сонячно-добові варіації, пов'язані з обертанням Землі і з анізотропією електромагнітних властивостей середовища, в якому поширюються До. л. Сукупність відомостей про модуляційні ефекти приводить більшість дослідників до виводу, що ефективні розміри області модуляції До. л. сонячним вітром складають 2—5 а. е.

  Походження і вік галактичних До. л . Основним джерелом До. л. вважаються вибухи найновіших зірок. При кожному такому вибуху відбувається розширення з величезною швидкістю оболонки зірки і виникають ударні хвилі в плазмі що приводять до прискорення заряджених часток до енергій ~ 10 ¹⁵ ев і вище. Головним експериментальним аргументом на користь гіпотези походження До. л. від вибухів найновіших з'явилося вперше пряме радіоастрономічне спостереження частково поляризованого радіовипромінювання від Крабовидної туманності (1957), що виникла в результаті вибуху в 1054 найновішу, порівняно близькою до Сонячної системи. Властивості цього випромінювання такі, що його слід приписати синхротронному випромінюванню (магнітотормозному випромінюванню) — випромінюванню швидких електронів в магнітних полях, що «вморожують» в потоки зоряної плазми, викинутої при вибуху цієї найновішої. Пізніше удалося спостерігати магнітотормозноє радіовипромінювання і від інших, дальших туманностей, народжених вибухами найновіших. Подальші спостереження показали, що спектр магнітотормозного випромінювання електронів тягнеться до оптичного, рентгенівського і навіть g-діапазонів, і це пов'язано з дуже високими енергіями електронів (до ~ 10 ¹² ев ) . Природно, що поряд з електронами в оболонках, що розширюються, найновіших відбувається інтенсивне прискорення і важких заряджених часток — протонів і ядер (проте унаслідок своєї великої маси вони не випробовують помітних втрат енергії на випромінювання в магнітних полях). При цьому чим важче ядро, тим благопріятнєє можуть бути початкові умови прискорення (т.з. інжекція): важкі ядра можуть знаходитися в неповністю іонізованном стані і тому порівняно слабо відхилятися в магнітних полях, що полегшує їх «витік» за межі щільної оболонки зірки (у якій магнітне поле велике). Якщо врахувати середню частоту вибухів найновіших в Галактиці взагалі (1 раз в 30—50 років) і повне енерговиділення в кожному вибуху (10 ⁵¹ —10 ⁵² ерг, або 10 ⁶³ —10 ⁶⁴ ев ) і передбачити, що ~ 1% цій енергії витрачається на прискорення заряджених часток, то можна пояснити як середню щільність енергії До. л. (~ 1 ев/см ³ ), так і відсутність помітних коливань потоку До. л.

  Методами радіоастрономії були зареєстровані і ще потужніші джерела До. л. (точніше, їх електронної компоненти), що знаходяться далеко за межами нашої Галактики. Такими джерелами є, зокрема, інтенсивно випромінюючі квазізоряні об'єкти малої протяжності — квазари, ядра деяких галактик, що випробовують різке розширення вибухового типа, а також радіогалактики з характерними для них потужними викидами речовини (що супроводяться радіовипромінюванням в масштабі цілих галактик).

  Прискорені в галактичних джерелах важкі заряджені частки поширюються потім по складних траєкторіях в міжзоряному просторі, де на них діють слабкі [(3—6)10 ^-6 гс ] нерегулярні і неоднорідні магнітні поля хмар міжзоряної плазми. Заряджені частки «заплутуються» в цих магнітних полях (напруженість яких значно підвищується в областях спіральних рукавів Галактики одночасно із збільшенням концентрації міжзоряної плазми). При цьому рух До. л. носить характер дифузії, при якої частки з енергіями до 10 ¹⁷ —10 ¹⁸ ев можуть стримуватися в межах нашої Галактики протягом десятків млн. років. Дифузійний рух часток До. л. обумовлює практично повну ізотропію їх потоку. Лише при вищих енергіях радіуси кривизни траєкторій часток (особливо протонів) стають порівнянними з розмірами галактик і відбувається інтенсивний «витік» До. л. у простір метагалактики. Не дивлячись на високу міру розрідженості речовини, тривалі мандри часток в Метагалактиці приводять до втрат енергії в нових процесах — фотоядерних реакціях на фоновому електромагнітному випромінюванні (воно називається реліктовим випромінюванням ) , що залишився від ранніх стадій розширення колись гарячіше Всесвіту. Наявність цього процесу сильно знижує вірогідність того, що найбільш енергійна частина спектру До. л. обумовлена метагалактикою компонентой.

  Принципово нові можливості експериментального вивчення джерел найбільш енергійної частини спектру До. л. (аж до енергій 10 ²⁰ —10 ²¹ ев ) відкрилися після виявлення унікальних астрофізичних об'єктів — пульсарів. По сучасних виставах пульсари — це невеликі (~ 10 км. в діаметрі) нейтронні зірки, що виникли в результаті швидкого гравітаційного стискування ( колапсу гравітаційного ) нестійких зірок типа найновіших. Гравітаційний колапс приводить до колосального збільшення щільності речовини зірки (до ядерної щільності і вище), магнітного поля (до 10 ¹³ гс ) і швидкості обертання (до 10 ³ зворотів в сік ) . Все це створює сприятливі умови для прискорення важких заряджених часток до виключно високих енергій ~ 10 ²¹ ев і електронів до енергій ~ 10 ¹² ев. І дійсно, спостереження показали, що поряд з радіовипромінюванням пульсари випускають (з тим же періодом) світлове, рентгенівське, а інколи і g- випромінювання, які можна пояснити лише процесом магнітотормозного випромінювання дуже швидких електронів. Т. о., синхротронне випромінювання електронів До. л., обумовлене сильними магнітними полями, локалізованими поблизу нестійких «гарячих» об'єктів — джерел До. л., дозволяє вирішувати проблему походження. л. методами наглядової астрономії (радіоастрономії, рентгенівській астрономії, гамма-астрономії ) .

  Важливу додаткову інформацію про джерела і вік До. л. дають дослідження ядерного складу До. л. З невеликого відносного вмісту в До. л. ядер Ве витікає, що радіоактивний ізотоп ¹⁰ Ве (середній час життя якого близько 2 млн. років) встигає практично повністю розпастися, звідки виходить оцінка верхньої межі віку До. л. 20—50 млн. років. Приблизно того ж порядку (10—30 млн. років) оцінки виходять з відносного вмісту групи легких ядер (Li, Ве, В) в цілому, а також по середньому часу, який потрібний електронам До. л. для дифузного поширення від внутрішньогалактичних джерел до кордонів Галактики. Аналіз складу надважкої ядерної компоненти ( Z > 70) дає середній вік До. л. не більше 10 млн. років.

  Ще один спосіб перевірки різних гіпотез походження До. л. — вимір інтенсивності До. л. у далекому минулому зокрема в періоди відомих спалахів найближчих найновіших (наприклад, спалахи в 1054). Існують два методи, за допомогою яких можна було б виявити ефекти зростання інтенсивності. л. у минулому не лише в результаті вибуху порівняно недалеких від Сонячної системи найновіших зірок, але і в результаті можливих набагато потужніших вибухових процесів в ядрі Галактики. Це радіовуглецевий метод, в якому по концентрації ізотопу ¹⁴ З в різних річних кільцях дуже старих дерев визначають темп накопичення в атмосфері ¹⁴ C, що утворюється в результаті ядерних реакцій під дією До. л., і метеоритний метод, заснований на вивченні складу стабільних і радіоактивних ізотопів метеоритної речовини, що піддавалася тривалій дії До. л Ці методи свідчать про те, що середня інтенсивність До. л. порівняно мало відрізнялася від сучасної протягом десятків тисяч і мільярда років відповідно. Постійність інтенсивності До. л. протягом мільярда років робить маловірогідною гіпотезу про походження всіх До. л. в процесі вибуху ядра нашої Галактики, який вважається відповідальним за утворення галактичного гало (поки не доведеного прямими спостереженнями).

  Взаємодія До. л. з речовиною.

1 . Ядерно-активна компонента К- л. і множинна генерація часток . При взаємодії протонів і ін. ядер первинних До. л. високій енергії (~ декілька Гев і вище) з ядрами атомів земної атмосфери (головним чином азоту і кисню) відбувається розщеплювання ядер і народження декількох нестабільних елементарних часток (т.з. множинні процеси ) , в основному p-мезонів (піонів) — заряджених (p ⁺ p ^- ) і нейтральних (p ⁰ ) з часом життя 2,5×10 ^-8 сік і 0,8×10 ^-16 сік відповідно. Із значно меншою вірогідністю (у 5—10 разів) народжуються до-мезони і з ще меншою — гіперони і що практично миттєво розпадаються резонанси . На мал. 6 приведена фотографія множинного народження часток зареєстрованого в ядерній фотоемульсії; частки вилітають з однієї крапки у вигляді вузького пучка. Середнє число вторинних часток, що утворюються в одному акті взаємодії протона (або p-мезона) з легким ядром плі одним нуклоном такого ядра, зростає із зростанням енергії E спочатку по статечному закону, близькому до E ^1/3 (аж до E » 20 Гев ) , а потім (в області енергій 2×10 ¹⁰ —10 ¹³ ев ) це зростання сповільнюється і краще описується логарифмічною залежністю. В той же час непрямі дані по широких атмосферних зливах вказують на процеси значно вищої множинності при енергіях ³ 10 ¹⁴ ев.

  Кутова спрямованість потоку народжених часток в широкому інтервалі енергії первинних і народжених часток така, що складова імпульсу, перпендикулярна напряму первинної частки (т.з. поперечний імпульс), складає в середньому 300—400 Мев/с, де з — швидкість світла у вакуумі (при дуже високих енергіях E частки, коли енергією спокою частки mc2 можна нехтувати в порівнянні з її кінетичною енергією, імпульс частки р = E/c ; тому у фізиці високих енергій імпульс зазвичай вимірюють в одиницях Мев/с ) .

  Первинні протони при зіткненні втрачають в середньому близько 50% початкової енергії (при цьому вони можуть випробовувати перезарядку, перетворюючись на нейтрони).

  що Утворюються при розщеплюванні ядер вторинні нуклони (протони і нейтрони) і народжені в зіткненнях заряджені піони високої енергії також (разом з тими, що втратили частину енергії первинними протонами) братимуть участь в ядерних взаємодіях і викликатимуть розщеплювання ядер атомів повітря і множинне утворення піонів. Середній пробіг, на якому здійснюється одна ядерна взаємодія, прийнято вимірювати питомою масою пройденного речовини він складає для первинних протонів ~ 90 г/см ² повітря, тобто ~9% всієї товщі атмосфери. Із зростанням атомної ваги речовини А середній пробіг поступово зростає (приблизно як А ^1/3 ) , досягаючи ~ 160 г/см ² для свинцю. Народження піонів відбувається в основному на великих висотах (20—30 км. ) , але продовжується у меншій мірі по всій товщі атмосфери і навіть на глибині декілька м-код грунту.

  нуклони ядер, що Вилітають при ядерних зіткненнях, і що не встигли розпастися заряджені піони високої енергії утворюють ядерно-активну компоненту вторинних До. л. Багатократне повторення послідовних, каскадних взаємодій нуклонів і заряджених піонів з ядрами атомів повітря що супроводяться множинною генерацією нових часток (піонів) в кожному акті взаємодії, приводить до лавиноподібного зростання числа вторинних ядерно-активних часток і до швидкого зменшення їх середньої енергії. Коли енергія окремої частки стає менше 1 Гев, народження нових часток практично припиняється і залишаються (як правило) лише процеси часткового (а інколи повного) розщеплювання атомного ядра з вильотом нуклонів порівняно невеликих енергій. Загальний потік часток ядерно-активної компоненти у міру подальшого проникнення в глиб атмосфери зменшується ( мал. 7 , крива 1) , і на рівні моря (~1000 г/см ² ) залишається менше 1% ядерно-активних часток.

  2. Електронно-фотонні зливи і м'яка компонента вторинних До. л. що Утворюються при взаємодіях часток ядерно-активної компоненти з атомними ядрами нейтральні піони практично миттєво розпадаються (унаслідок їх дуже малого часу життя) на два фотони ( g ) кожен: p°®2 g . Цей процес дає початок електронно-фотонній компоненте До. л. (вона називається також м'якою, тобто що легко поглинається, компонентой).

  В сильних електричних полях атомних ядер ці фотони народжують електронно-позитронні пари e ^- e ⁺ ( g ®e ^- +e ⁺ ), а електрони і позитрони, у свою чергу, дорогою гальмівного випромінювання випускають нові фотони (е ^± ®е ^± + g ) і т. д. Такі процеси, що носять каскадний характер, приводять до лавиноподібного наростання загального числа часток — до утворення електронно-фотонної зливи. Розвиток електронно-фотонної зливи приводить до швидкого дроблення енергії p ⁰ на все більше число часток, тобто до швидкого зменшення середньої енергії кожної частки зливи. Після максимального розвитку м'якої компоненти, що досягається на висоті близько 15 км. (~ 120 г/см ² ) , відбувається її поступове загасання ( мал. 7 , крива 2). Коли енергія кожної частки стає менше деякого критичного значення (для повітря критична енергія складає близько 100 Мев ) , переважаючу роль починають грати втрати енергії на іонізацію атомів повітря і комптонівське розсіяння (див. Комптона ефект ); збільшення числа часток в зливі припиняється, і його окремі частки швидко поглинаються. Практично повне поглинання електронно-фотонної компоненти відбувається на порівняно невеликих товщах речовини (особливо великий щільність); у лабораторних умовах для цього досить мати св