28. Космические лучи

Первое свидетельство существования межзвездного магнитного поля дало изучение космических лучей (Э. Ферми, Италия, Э. Теллер, США). Первичные космические лучи представляют собой протоны, ядра атомов гелия и других элементов, движущиеся в межзвездном пространстве с огромными энергиями - от 10⁸ до 10¹⁸ электронвольт ¹. Попадая в атмосферу, они сталкиваются с ядрами атомов воздуха, порождая новые частицы. Интенсивность космических лучей почти не зависит от времени суток; это означает, что они подходят к Земле со всех сторон, т. е. космическое излучение изотропно. Если бы частицы двигались прямолинейно, как свет, то это означало бы, что космическое излучение изотропно во всем пространстве и всюду распределено с одинаковой плотностью - как в Галактике, так и вне ее. В противном случае пришлось бы принять, что источники космических лучей окружают солнечную систему симметрично со всех сторон, что представляется совершенно неправдоподобным, если учесть, что Галактика имеет сплюснутую форму, а Солнце расположено далеко от ее центра (суммарная интенсивность света звезд, например, сильно увеличивается к Млечному Пути и к центру Галактики).

Плотность энергии космических лучей у Земли примерно равна плотности энергии света звезд и в тысячи раз превышает плотность световой энергии в межгалактическом пространстве. Следовательно, если космические лучи действительно распределены в пространстве равномерно, то полная их энергия в тысячи раз больше, чем энергия света звезд в том же большом объеме. Поскольку и свет и космические лучи распространяются практически с одинаковой скоростью, это означало бы, что в форме космических лучей выделяется энергии в тысячи раз больше, чем в форме света. Но световая энергия образуется за счет ядерных реакций в недрах звезд. В настоящее время нельзя указать источник энергии в тысячи раз более мощный, и притом действующий в межгалактическом пространстве.

¹ (Электронвольт - единица энергии, равная средней энергии частиц при температуре 8000°)

Преодолеть эту трудность можно только отказавшись от исходного предположения о том, что космические лучи движутся прямолинейно, и приняв, что их траектории очень сложны и запутаны и не выходят за пределы Галактики. Тогда интенсивность космических лучей внутри Галактики будет почти одинакова для всех направлений. Поскольку они не смогут быстро выйти из нее, плотность космических лучей будет расти, пока приход не сравняется с убылью, обусловленной столкновениями их с ядрами межзвездных атомов и утечкой части лучей из Галактики. Убыль эта не слишком велика, среднее время жизни космического протона до столкновения с ядром - порядка миллиарда лет, поэтому плотность космических лучей довольно значительна, хотя скорость их образования может быть и небольшой.

Искривить траекторию быстрой заряженной частицы может только магнитное поле, которое действует на нее с силой, перпендикулярной к скорости. При этом частица будет двигаться по спирали, радиус которой пропорционален ее количеству движения и обратно пропорционален напряженности поля. Для того чтобы удержать самые энергичные космические лучи, напряженность поля должна быть больше, чем 10^-6 эрстед. Это совпадает с тем, что было получено выше для облаков, исходя из плотности кинетической энергии. Однако такое поле должно заполнять Галактику сплошь, оно должно быть и в облаках и между облаками, иначе космические лучи ушли бы в промежутки. Если принять, что поле, удерживающее космические лучи, образовано хаотическими движениями газа, то плотность кинетической энергии должна быть всюду достаточна для достижения указанной напряженности. Это обстоятельство позволило С. Б. Пикельнеру сделать некоторые выводы о свойствах разреженного газа вне облаков и особенно вне спиральных ветвей. Поскольку газ там разрежен в сотни раз больше, чем в облаках, а плотность кинетической энергии его должна быть почти такая же, приходится допустить, что дисперсия скоростей в разреженном газе измеряется десятками километров в секунду. Быстрые объекты слабее концентрируются к плоскости Галактики, так как толщина слоя примерно пропорциональна квадрату дисперсии скоростей. Поэтому разреженный газ должен образовывать не плоскую, как облака, а сферическую подсистему, толщиной в несколько тысяч парсеков. Свойства сферической подсистемы газа будут более подробно рассмотрены ниже. Сейчас обратимся к радиоастрономическим данным, которые тоже свидетельствуют о наличии магнитного поля Галактики.