Kosminiai spinduliai

1. Kosminiai spinduliai Kosminiai spinduliai - tai beveik šviesos greičiu judančių protonų, atomų branduolių, elektronų ir kitokių elektringųjų daleliųlabai mažo tankio dujos, užpildančios galaktikų tūrius. Kosminių spindulių koncentracija – 1 dalelė 104 m3 kosminės erdvės. Kosminių spindulių vienos dalelės vidutinė energija apie 3 GeV. Tai reliatyvistinės dalelės.

2. Kaip atsiranda kosminiai spinduliai? • Kosminiai spinduliai gimsta galaktikose. • Dalis kosminių spindulių iš galaktikų ištrūksta į tarpgalaktinę erdvę. • Kiekvienoje stacionarioje galaktikoje kosminių spindulių energijos tankis turi būti lygus galaktikos magnetinio lauko energijos tankiui. • Visų vienu metu mūsų Galaktikoje esančių kosminių spindulių energijos tankis 1049 J. • Kas 1 s Galaktika netenka ir pagamina tik 5•1033J energijos kosminių spindulių. • Visos paprastos žvaigždės pagamina tik 10-4 kosminių spindulių energijos. • Daugiausia kosminių spindulių gimsta supernovų sprogimų metu. • Kosminius spindulius skleidžia: • neutroninės žvaigždės • akreciniai diskai apie juodasias skyles • galaktikos centro aplinka (ypač galaktikų su aktyviais branduoliais), • novos • dvinarės žvaigždės.

3. Kosminių spindulių savybės Reliatyvistinėje dalėje laiko tėkmė sulėtėja. Kol nejudanti dalelė pergyvenalaiko intervaląto, greičiu v judanti dalelė pergyvena trumpesnį laiko intervaląt: Judančios dalelės masėm pasidaro didesnė už jos rimties masęmo: Reliatyvistinės dalelės pilnoji energija:

4. Kosminių spindulių intensyvumas I - tai skaičius tokių reliatyvistinių dalelių, kurių judėjimo kryptys išsitenka vienetiniu erdviniu kampu prasiskleidžiančiame kūgyje ir kurios per vienetinį laiką kerta vienetinio ploto paviršių, statmeną judėjimo krypčių vidurkiui. w <V> Intesyvumo energinis tankis I(Ek)– dalelių skaičius, kurių kinetinės energijosnuoEkikiEk+1 GeV (1 eV=1,602010­19J). Integralinis intensyvumasI(>Ek) – dalelių, kurių energija didesnė už Ek, skaičius.

5. Jei vienetinis erdvinis kampas yra 1 steradiano didumo ir kosminių spindulių dalelės juda izotropiškai, kosminių spindulių koncentracija (vienetiniame tūryjevisomis kryptimis lekiančiųirkiekvienu momentu užklumpamų dalelių skaičius) bus: kur v ≈c - dalelés greitis. Kosminiai spinduliai – Ek>10 GeV Minkštieji kosminiai spindulai – Ek<10 GeV. Saulės sistemą pasiekia ne visos. Subkosminiai spinduliai - Ek<100 MeV. Kosminių spindulių energijos spektro dėsnis: Kuo energija didesnė, tuo dalelių mažiau

6. Iš tarpžvaigždinės erdvės į Saulės sistemąįlekiančių kosminių spindulių dalelių apytiksliai 91% sudaro protonai, 7% - α dalelės (helio branduoliai), 1% - elektronai, truputį mažiau nei 1% - už helį sunkesni branduoliai, 0,1% - pozitronai, 0,02%-0,05% - antiprotonai. Saulės kosminių spindulių cheminė sudėtis yra tokia pati kaip ir pačios Saulės. Judėdamos magnetiniame lauke dalelės sukuria Lorenco jėgą, kuri priverčia dalelę judėti spirale aplink magnetinio lauko liniją. Elektringosios dalelės kelias magnetiniame lauke. Spiralės spindulys tuo didesnis, kuo didesnė dalelės energija ir kuo silpnesnis laukas. Spiralés viduje magnetinis srautas išlieka pastovus.Didelių energijų dalelių Larmoro spinduliai didesni už Žemės spindulį.

7. Kosminiai spinduliai Žemės atmosferoje reliatyvistinis protonas pionas skyla pionas skyla Antrinių kosminių spindulių maksimumas pasiekiamas 20 km aukštyje pionas susiduria su atomu γ stabdomasis spinduliavimas antrinis neutronas Miuonai turi suskilti, bet dėl reliatyvistinių efektų kai kurie jų prasiskverbia į 1 km gylį. Miuonai sudaro Žemės paviršių pasiekiančių antrinių kosminių spindulių daugumą.

8. Tarasonis, Fizika 12 kl

9. Kosminiai spinduliai Žemės atmosferoje

10. Kosminiai spinduliai galaktikų erdvėse • Kosminių spindulių pasiskirstymą ir judėjimą tarpžvaigždinėje erdvėje valdo magnetinia laukai. • Taisyklingas magnetinis laukas: • Magnetinio lauko stipris H Galaktikos diske (1-2)·10-4 A/m (1-3 mikroerstedai) • Magnetinio lauko vijos lygiagrečios Galaktikos plokštumai, tankesnės spiralinėse vijose. • Silpnesnis magnetinis laukas užpildo visą galaktikos sferoidą. • Netaisyklingas magnetinis laukas: • Susijęs su su tarpžvaigždinės medžiagos debesimis ir jų grupėmis • Magnetinio lauko netaisyklingumai priverčia kosminius spindulius blaškytis visomis kryptimis. • Magnetinės linijos yra uždaros ir neleidžia kosminiams spinduliams ištrūkti iš Galaktikos tūrio.

11. Kosminiai spinduliai galaktikų erdvėse • Tarpžvaigždinė medžiagažymiai retesnė negu Žemės atmosfera todėl Galaktikos erdvėse nesusidaro tokios galingos antrinių kosminių spindulių liūtys, o pirminiai kosminiai spinduliai mažai tenukenčia. • Kosminiams spinduliams susiduriant su tarpžvaigždine medžiaga, dalis sunkiųjų ir vidutinių atomų branduolių suskyla į lengvesnius. Susidaro Li, Be, B branduoliai, 2D, 3He. • Kokio storio diską turi perkirsti kosminiai spinduliai, kad susidarytų stebimas Li, Be, B branduolių skaičius? • Tai aukštis stulpelio, kurio pagrindas 1cm2 ir kuriame telpa 5 g tarpžvaigždinės medžiagos. Tarpžvaigždinė medžiaga tiek reta, kad , kad skersai visą galaktikos diską būtų tik 0.001 g medžiagos. Vadinasi, kosminai spinduliai Galaktikos diską yra perkirtę 5000 kartų! Tam reikėjo sugaišti 3·106 metų.

12. Sinchrotroninis spinduliavimas Elektringa dalelė skrieja magnetiniame lauke, kuris ją stabdo Išorinis magnetinis laukas Elektringos dalelės trajektorija Dalelės pagreičio vektorius Dalelės momentinio greičio vektorius Sinchrotroninės kilmės elektromagnetinės bangos HS – elektromagnetinių bangų magnetinio lauko vektorius ES – elektromagnetinių bangų elektrinio lauko vektorius

13. Sinchrotroninis spinduliavimas • Magnetinio lauko stabdoma reliatyvistinė elektringa dalelė skleidžia elktromagnetines bangas. • Stabdomas elektronas siauru kūgiu savo momentinio greičio V kryptimi skleidžia fotonus, kurių virpesių dažniai Dn ~ E2. • Reliatyvistinis protonas tame pačiame lauke spinduliuoja(mp / me)4 ≈1013kartų silpniau negu tos pačios energijos reliatyvistinis elektronas. Todėl protonų sinchrotroninis spinduliavimas yra žymiai silpnesnis negu elektronų. Į pozitronų sinchrotroninį spinduliavimą atsižvalgiama tik labai stiprių magnetinių laukų atveju, pvz. netroninių žvaigždžių aplinkose. • Sinchrotroninės prigimties spinduliuotės energijos pasiskirstymo pagal bangų ilgius pobūdį nulemia elektronų skaičiaus pasiskirstymo pagal energiją pobūdis. • Reliatyvistinėms dalelėms negalioja Maksvelo pasiskirstymo dėsnis, todėl sinchrotroninis spinduliavimas nėra šiluminės kilmės.

14. Sinchrotroninis spinduliavimas Krabo ūko sinchrotroninės kilmės ištisinio spektro energijos kreivė. Abcisių ašyje - elektromagnetinių virpesių dažnio logaritmas, ordinačių - spindesio spektrinio tankio J logaritmas. Sinchrotroninio spinduliavimo galia ir diapazono ilgis priklauso ne tik reliatyvistinių elektronų skaičiaus, bet ir nuo magnetinio lauko stiprio H.

15. Sinchrotroninis spinduliavimas • Sinchrotroninio spinduliavimo šaltinis yra visas mūsų Galaktikos tūris, kuris skleidžia 30m - 30μm sinchrotroninės kilmės radijo bangas ir IR spindulius. Stipriausiai spinduliuoja galaktikos centras. • 10-1000 kartų stipresnis magnetinis laukas yra supernovų liekanose. Todėl jų jų sinchrotroninės kilmės spinduliavimas žymiai didesnio skaisčio. • Magnetiniai laukai labai stiprūs aplink baltasias nykštukes, neutronines žvaigždes, akrecinuose diskuose aplink juodasias skyles – 1010-1016 A/m. Į tokius laukus patekę reliatyvistiniai elektronai skrieja jau išilgai išlektų magnetinio lauko linijų ir spinduliuoja gama sinchrotroninius fotonus 9kreivinis arba magnetodreifinis spinduliavimas). • Galaktikų su aktyviais branduoliais sinchrotroninis spinduliavimas žymiai galingesnis.

16. Sinchrotroninis spinduliavimas • Sinchrotroninės kilmės fotonai ne tik spinduliuojami, bet ir absorbuojami –savoji absorbcija. Ji tuo stipresnė, kuo stipresnis magnetinis laukas. Įvairių šaltinių energijos kreivės radijo diapazone Šiluminės kilmės radijo bangų šaltiniai. Visi kiti - sinchrotroninės kilmės spinduliavimo šaltiniai Spinduliavimą susilpnina didelio tankio nereliatyvistinių jonizuotų dujų debesys

17. Sinchrotroninis spinduliavimas Sinchrtroniniai spinduliai daugiausia sklinda statmenai magnetinio lauko ir nesklinda išilgai magnetinio lauko. Sinchrotrononės kilmės elektromagnetinės bangos yra tiesiai poliarizuotos. Jų elektrinis vektorius yra elektrono orbitos plokštumoje. Kuo tvarkingesnis magnetinis laukas tuo didesnė sinchrotroninio spinduliavimo poliarizacija.

18. Atvirkštinis Komptono reiškinys Tai fotonų sklaida, kurią sukelia didelės energijos elektronai, kai dalis elektronų energijos perduodama mažesnės energijos fotonams. Pvz., reliatyvistiniai maždaug 1 GeV energijos elektronai keleto metrų ir centimetrų ilgio radijo bangų fotonus paverčia optiniais fotonais, kelių mm ir milimetro dalių ilgio radijo bangų fotonus - Rentgeno fotonais, o IR fotonus - gama fotonais.

19. Reliatyvistinių elektronų stabdomasis spinduliavimas • Sukuria reliatyvistiniai elektronai, atsitrenkdami į nerliatyvistinius atomų branduolius • Pasireiškia karštuose žvaigždžių vainikuose, tarpžvaigždinės medžiagos vainikinėse dujose, supernovų likučiuose. • Reliatyvistiniai elektronai praranda dalį savo kinetinės energijos, Ta energija virsta naujai gimusių, daugiausia Rentgeno, fotonų energija. • Toks spinduliavimas vadinamas stabdomuoju spinduliavimu. • Reliatyvistinių protonų sukurtas stabdomasis spinduliavimas 106 kartų silpnesnis negu reliatyvistinių elektronų sukurtas spinduliavimas.

20. Gama fotonai Radio λ>1mm IR 1mm >λ>760nm Regimosiosšviesos spinduliai 760nm >λ>390nm Rentgeno spinduliai 10nm >λ>0.01 nm Gama spinduliai λ <0.01nm

21. Gama fotonai • Energingi gama fotonai susidaro skylant pionams (ištisinis spektras). • Mažesnių energijų fotonai susidaro anihiliuojant e- ir e+. • Dar mažesnių energijų fotonus (minkštieji gama spinduliai) spinduliuoja branduolinių reakcijų metu sužadinti branduoliai. • delta elektronai –iki reliatyvistinių greičių pagreitinti elektronai atomose- spinduliuoja minkštuosius kosminius spindulius. • Gama spindulių šaltiniai: • - Galaktikos tarpžvaigždinė medžiaga • - Galaktikų centrų aplinkos • - žvaigždžių išoriniai sluoksniai žybsnių metu • - glaudžios dvinarės • - novos supernovos • - pulsarai, neutroninės žvaigždės, juodųjų skylių aplinka • - Saulės sistemos aplinkoje gama fotonus gamina kosminiai spinduliai

22. Didelės energijos neutrinai Skylant pionams ir miuonams susidaro didelės energijos mioniniai neutrinai ir antineutrinai: Miuoniniai neutrinai lekia kiaurai per tarpžvaigždinę medžiagą ir net žvaigždes, todėl gali mums atnešti informaciją apie objektus, kurie pasitaiko neutrinų kelyje ir sukelia branduolines reakcijas.

23. Didelės energijos neutrinai • Neutrininiai teleskopai miuoninis neutrinus registruoja ne tiesiogiai, bet per branduolinių reakcijų produktus. • Neutrinai-> mionai-> miuonai sąveikauja su atomų branduoliais -> stabdomojo spinduliavimo gama fotonai -> elektronai, pozitronai -> vėl stabdomojo spinduliavimo gama fotonai ir t.t. Elektronai, kurių greitis medžiagoje didesnis už c, sukelia Čerenkovo švytėjimą ir pagal tai registruojami neutrinai. Sudbury neutrinų observatorija (SNO) Kanadoje. Neutrinų registravimas paremtas Čerenkovo švytėjimu.