Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Специальные разделы >> Астрофизика | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение

Экспериментальная палеоастрофизика: достижения и перспективы

Г.Е. Кочаров (Санкт-Петербургский государственный технический университет)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 11, 1996 г.
Содержание

Принцип работы природных детекторов космического излучения

На рис. 1 показан принцип работы природных детекторов космического излучения. На примере галактических космических лучей рассмотрим основные особенности естественных детекторов. При вхождении в Солнечную систему космические лучи должны преодолеть барьер магнитного поля Солнца. Чем больше энергия частиц и чем меньше солнечная активность, тем легче частицам проникнуть в Солнечную систему. Таким образом, частицы, проникшие в Солнечную систему, несут информацию как об источнике, где они родились, так и о состоянии солнечной активности. Похожее явление наблюдается и при проникновении через магнитный экран Земли. В ядерных реакциях в атмосфере Земли генерируются разные изотопы, и среди них 10Ве и 14С - главные объекты нашего рассмотрения. Как уже указывалось, в атомных столкновениях в атмосфере генерируются электроны, которые в конечном итоге увеличивают концентрацию нитратов. Другими словами, говоря языком ядерной физики, атмосфера Земли является детектором космических лучей. Кольца деревьев, кораллы, сталагмиты, полярный лед, донные отложения являются погодичными хранителями информации о ядерных реакциях.
Принцип работы естественных детекторов космических лучей
Рис.1. Принцип работы естественных детекторов космических лучей.
Методы датировки меняются в зависимости от типа хранителя информации и интервала времени, прошедшего с момента "запоминания". Кольца деревьев представляются наиболее наглядными с точки зрения датировки. Есть живые деревья, возраст которых несколько тысяч лет, например секвойя в США, арча туркестанская. Для того чтобы измерить содержание радиоуглерода в кольце дерева с точностью 0,3%, требуется примерно 50 г с каждого кольца древесины. Концентрация 14С мала и составляет примерно 10-12 от концентрации основного изотопа 12С. Поэтому задача эта нелегкая, но она уже решена. В мире есть несколько лабораторий, в которых проводятся высокоточные погодичные измерения концентрации радиоуглерода.
Как уже отмечалось, изотоп 10Be тоже радиоактивный. Однако измерить количество атомов по радиоактивности не удается из-за низкого ее уровня. Кроме того, из-за большого периода полураспада и малой концентрации 10Ве во льду (всего 10 млн атомов на 1 кг льда) невозможно набрать статистически надежный результат. Концентрация этого изотопа измеряется новым методом, рожденным в начале 80-х годов. Сочетанием принципов масс-спектрометрии и ускорителя частиц (ускорительная масс-спектрометрия) удается осуществить счет атомов 10Ве, 36Сl, 14С и др. Итог такой: десятков граммов древесных колец и нескольких килограммов льда достаточно для измерения количества указанных космогенных изотопов, то есть для решения астрофизических задач. Концентрация нитратов во льду измеряется по методу ультрафиолетовой спектрометрии. Экспериментально охвачены следующие интервалы времени: по 10Ве - последние 200 тыс. лет (этот интервал соответствует глубине 2 км льда); по 14С - последние 50 тыс. лет (кольца деревьев, сталактиты, кораллы). Интервал времени по нитратам 30 тыс. лет, из которых последние 415 лет погодично.
Естественные детекторы космического излучения позволяют решить следующие проблемы.
  • Экспериментальная проверка фундаментальной идеи о генерации галактических космических лучей при взрыве сверхновых звезд.
  • Определение частоты вспышек сверхновых в нашей Галактике.
  • По временному профилю генерации космогенных изотопов в результате взрыва сверхновых определение механизма ускорения частиц в естественном ускорителе частиц.
  • Природа длительных и глубоких минимумов солнечной активности.
  • Модуляция галактических космических лучей на большой шкале времени (в десятки и сотни раз большей, чем шкала прямых измерений).
  • Получение ответа на принципиально важный вопрос, какая может быть максимально возможная энергия солнечной вспышки.
  • Даты и масштабы катастрофических событий в прошлом.
  • Полученные за последние 30 лет результаты будут рассмотрены ниже. Автор был научным руководителем общесоюзной проблемы "Астрофизические явления и радиоуглерод" в течение трех десятков лет, участником и свидетелем развития новой области науки "экспериментальная палеоастрофизика".

    Проблема модуляции галактических космических лучей солнечной активностью за последние 400 лет

    Согласно историческим данным, в прошлом в истории Солнца существовали такие длительные промежутки времени, когда на поверхности Солнца не отмечалось ни одного пятна. Ближайший к нам по времени глубокий и длительный минимум Солнца был с 1645 по 1715 год. Этот минимум носит имя Е. Маундера, английского ученого, опубликовавшего в 1921 году статью о существовании указанного минимума.
    Метод космогенных изотопов позволяет получить количественные данные о модуляции космических лучей в прошлом. Поэтому высокоточные погодичные измерения содержания радиоуглерода в годичных кольцах деревьев за последние 400 лет, включающих периоды до маундеровского минимума, во время и после минимума, были центральной задачей общесоюзной программы "Астрофизические явления и радиоуглерод" [Константинов Б.П., Кочаров Г.Е., 1965].
    Первая серия измерений была выполнена в 70-е годы [Васильев В.А., Кочаров Г.Е., 1983] в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе АН СССР. Второй цикл измерений был выполнен в Тбилисском государственном университете [Кочаров Г.Е. и др., 1990] в первой половине 80-х годов. Третья серия измерений осуществлена в США в конце 80-х годов в лаборатории крупного специалиста по радиоуглеродным исследованиям М. Стуйвера [Stuiver M., Braziunas T.F., 1993].
    Во всех трех сериях измерений имеется согласие по ключевым результатам исследований: 11-летняя цикличность до маундеровского минимума и после него; повышение общего уровня содержания радиоуглерода в атмосфере Земли во время глубокого минимума солнечной активности; наличие временных вариаций во время минимума. Последнее является наиболее ярким результатом, так как теория не предсказывала модуляцию галактических космических лучей во время практически полного отсутствия пятен на Солнце.
    Анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы.
  • Переходы Солнца из нормального состояния в глубокий минимум активности и после минимума в обычное состояние осуществляются относительно быстро ($\sim$1 год).
  • Характер 11-летних вариаций до маундеровского минимума и после него такой же, как и за последние 50 лет.
  • На рис. 2 приведены первые детальные данные по содержанию радиоуглерода в эпоху маундеровского минимума [Васильев В.А., Кочаров Г.Е., 1983]. Наглядно видны наличие 11-летних вариаций до минимума, повышение среднего уровня и наличие вариации во время маундеровского минимума. Важно также подчеркнуть, что в эпоху маундеровского минимума (малый ледниковый период) прирост древесных колец был подавлен [Шиятов С.Г., 1975], как, впрочем, и во время глубоких минимумов Вольфа и Шперера.
    Временной ход концентрации радиоуглерода в атмосфере Земли в эпоху маундеровского минимума
    Рис.2. Временной ход концентрации радиоуглерода в атмосфере Земли в эпоху маундеровского минимума.
    На основе имеющихся экспериментальных данных нами впервые получен погодичный временной ход интенсивности галактических космических лучей за последние 400 лет. Особый интерес представляют зависимости интенсивности Ip галактических космических лучей и чисел Вольфа W до периода глубокого минимума и после него (рис. 3). Видно, что во время маундеровского минимума пятен на Солнце было мало. В то же время наблюдалась вариация интенсивности галактических космических лучей, причем амплитуда была больше, чем за пределами маундеровского минимума, и характерный период вариации не 11 лет, а близок к 22 годам.
    Временной ход чисел Вольфа W и интенсивности галактических космических лучей Ip> в эпоху маундеровского минимума солнечной активности
    Рис.3. Временной ход чисел Вольфа W и интенсивности галактических космических лучей Ip в эпоху маундеровского минимума солнечной активности.
    Нами проведен детальный анализ полученных экспериментальных данных. Установлено, что наиболее сильно выражен в эпоху маундеровского минимума период 22 года, что соответствует периоду переполюсовки общего магнитного поля Солнца.
    Сформулируем основные свойства маундеровского минимума:
  • практически полное отсутствие магнитной активности в течение 70 лет,
  • достаточно быстрый переход в состояние глубокого минимума и быстрое восстановление солнечной активности в конце минимума,
  • непредсказанное теорией наличие модуляции интенсивности галактических космических лучей во время глубокого минимума.
  • Представляется, что последняя особенность исключительно важна; она подтверждена в экспериментах других авторов по вариации содержания 14С в кольцах деревьев, изотопа 10Ве в полярном льду и диаметра Солнца во время маундеровского минимума. Чрезвычайно важно теперь измерить содержание космогенных изотопов 14С и 10Ве в датированных кольцах деревьев и полярном льду соответственно для более древнего минимума солнечной активности: минимум Шперера, длительность которого больше маундеровского (1450-1550 годы). Он соответствует пяти периодам 22-летнего цикла, и более надежно будут определены характеристики вариаций.
    За время, прошедшее после обнаружения нами эффекта модуляции интенсивности галактических космических лучей при практическом отсутствии солнечных пятен, достигнут значительный успех в теории солнечной модуляции интенсивности галактических космических лучей. Уже предложены конкретные физические процессы, ответственные за 11- и 22-летние циклы.

    Нитраты в полярном льду - новое окно в исследованиях астрофизических явлений в реальном масштабе времени и далеком прошлом

    На основе многолетних систематических измерений концентрации нитратов в снегах Антарктиды, выполненных Г. Дрешхофф и Э. Целлером, разработана уникальная методика исследования астрофизических и земных явлений. Она основана на том, что снег содержит химическую запись процессов ионизации в полярной атмосфере заряженными частицами, рентгеновскими и гамма-лучами. Антарктида действует как холодная ловушка, способная заморозить астрофизические сигналы и сохранить их в течение длительного времени.
    Общепринято, что солнечное магнитное поле является единственным источником энергии солнечных космических лучей. Это обусловлено прежде всего тем, что измеренные в экспериментах величина напряженности магнитного поля Солнца и геометрический размер области способны обеспечить вспышечную энергию. В то же время у нас нет выбора: мы не знаем другого источника энергии. По мере расширения экспериментальных возможностей удается более точно и полно определять основные характеристики ускоренных во вспышках протонов и электронов (полная энергия всех частиц, их полное число, мощность генерации частиц и т.д.). При этом все труднее становится интерпретация полученных данных в рамках гипотезы о магнитной природе источника энергии. Поскольку напряженность магнитного поля конечна, должен быть верхний предел полной энергии Emax, переданной частицам. Поэтому очень важно на опыте установить это значение Emax. Задача очень сложная, поскольку чем больше полная энергия ускоренных частиц, тем меньше вероятность такого события. Ясно, что нужен длинный ряд исследований.
    Нитратным методом надежно зарегистрированы солнечно-вспышечные протоны от вспышек 1859, 1946, 1972 годов и др. Это делает вполне реальной задачу обнаружения самой крупной вспышки на основе изучения содержания нитратов в полярных льдах.
    В настоящее время активно обсуждается проблема возможных земных проявлений космологических гамма-всплесков. В частности, отмечается, что гамма-всплески могут оставить след в земной атмосфере в виде нитратов и космогенных изотопов. Если предположить, что полная энергия гамма-всплеска составляет 1052 эрг и расстояние от Земли до источника 1 кпк, то общий поток энергии от такого источника у Земли будет 2,7 эрг/см2*с. При этом скорость генерации радиоуглерода будет 34 атома/см2с, что в 16 раз меньше скорости генерации радиоуглерода галактическими космическими лучами. Скорость генерации другого важного космогенного изотопа - 10Ве будет пренебрежимо мала, так как основной диапазон энергии гамма-квантов во всплесках составляет 30 кэВ-2 МэВ, что меньше, чем порог генерации 10Ве на ядре азота. Таким образом, принципиально возможной является регистрация всплеска по радиоуглероду. Однако время жизни радиоуглерода относительно мало (5740 лет) и с помощью радиоуглерода можно охватить интервал времени в несколько десятков тысяч лет. За такой интервал времени вероятность события с близким гамма-всплеском очень мала. С точки зрения вероятности "регистрации" хорошим космогенным изотопом является 10Ве (шкала времени - сотни тысяч лет). Однако из-за высокого порога генерации изотопа (40-50 МэВ) эффект от гамма-всплеска пренебрежимо мал. Нитратный метод наиболее перспективен для регистрации гамма-всплесков. Оценки показывают, что при полной энергии 1052 эрг и расстоянии 10 кпк полное число нитратных молекул будет 1034 и вполне реальна регистрация гамма-всплеска.

    Назад | Вперед


    Написать комментарий
     Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования