Kosminiai spinduliai

Kosminiai spinduliai – didelės energijos atomų branduolių srautai, pasiekiantys Žemę iš kosminės erdvės, taip pat ir antriniai spinduliai, kuriuos tie branduoliai sukuria Žemės atmosferoje. Kosminių spindulių dalelės dar vadinamos reliatyvistinėmis dalelėmis, nes dėl didelio greičio joms darosi pastebimi specialiosios reliatyvumo teorijos reiškiniai.

Atradimas 
Kosminiai spinduliai buvo aptikti XX a. pr. tiriant sauso oro jonizaciją uždarame inde. Atliekant bandymus, buvo nustatyta, kad įelektrintas elektroskopas apgaubtas labai storu švino apvalkalu, vis dėlto netenka savo krūvio. Aiškinantis šio
reiškinio priežastis ir buvo pastebėti nepaprastai skvarbūs nežemiškos kilmės spinduliai. Kad tie spinduliai ateina į Žemę iš kosminės erdvės, patvirtina stebėjimai: pakilus atmosferoje iki 1000 m aukščio, jonizacijos intensyvumas nežymiai sumažėja, o po to staigiai padidėja. Pastarojo reiškinio negalima paaiškinti, laikant, kad jonizacijos šaltinis yra Žemės gelmėse. Tyrimais buvo nustatyta, kad kosminiai spinduliai atklysta į Žemę izotropiškai iš visos kosminės erdvės (pvz., kosminiai spinduliai sukelia oro jonizaciją, kurios intensyvumas praktiškai nepriklauso nuo Žemės paros sukimosi). Reikia pažymėti, kad terminas "spinduliai" yra šiek tiek klaidinantis, kadangi dalelės atlekia pavieniui, o ne spindulio (tokio kaip šviesos) pavidalu.

Intensyvumas 
Kosminių spindulių intensyvumas I - apibūdinamas dalelių srauto tankiu - 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.

Kosminius spindulius, sklindančius izotropiškai iš visatos erdvių, nukreipia Žemės magnetinis laukas, todėl jų intensyvumas pažemėje priklauso nuo geografinės platumos. Stipriausiai Žemės magnetinis laukas paveikia spindulius pusiaujo srityje. Tenai daugiausia dalelių yra smarkiai atlenkiamos ir nepraeina į žemutinius sluoksnius. Šis reiškinys vadinamas geografinės platumos efektu. 10 km aukštyje platumos efektas siekia 36 %. Ištyrus Žemės magnetinio lauko poveikį kosminiams spinduliams, paaiškėjo, kad juose esančios teigiamos dalelės nukreipiamos į rytus, o neigiamos - į vakarus (rytų-vakarų efektas).

Pirminiai kosminiai spinduliai 
Pirminių kosminių spindulių sudėtis tiriama už Žemės atmosferos ribų. Nustatyta, kad šiuose spinduliuose yra atomų branduoliai, kurių masės skaičiai įvairūs, o vienam nukleonui tenkanti energija yra 109 - 1019 eV. Mažesnės kaip 1013 eV energijos pirminiuose kosminiuose spinduliuose yra 90 % protonų, apie 9 % yra helio branduolių (alfa dalelės) ir apie 1 % - sunkesnių elementų branduolių.

Antriniai kosminiai spinduliai 
Didesniame kaip 50-60 km aukštyje kosminių spindulių intensyvumas yra pastovus; ten sklinda tik pirminiai spinduliai. Intensyvumo didėjimas, artėjant prie Žemės paaiškinamas antrinių spindulių susidarymu.

Milžinišką savo energiją pirminių kosminių spindulių dalelės daugiausia išeikvoja netampriems smūgiams į azoto ir deguonies atomų branduolius viršutiniuose atmosferos sluoksniuose. Dėl tų susidūrimų ir su jais susijusių procesų atsiranda antriniai kosminiai spinduliai, kurie ir pasiekia Žemės paviršių. Ištyrus pirminiuose kosminiuose spinduliuose esančių protonų ir sunkiųjų branduolių laisvojo kelio ilgius, buvo prieita išvada, kad žemiau 20 km visi kosminiai spinduliai yra antriniai.

Bendra energija, kurią atneša kosminiai spinduliai į Žemę per sekundę, nėra didelė (~ 1,5 · 106 kW), ji palyginama su žvaigždžių regimojo švytėjimo energija. Tačiau kai kurios pirminių spindulių dalelės turi tiesiog fantastišką energiją - apie 1019 - 1020 eV.

Tiriant antrinių kosminių spindulių skvarbą, matuojamas praėjusių pro tam tikro storio švino sluoksnį spindulių intensyvumas. Didinant plokštelės storį nuo 10-13 cm, intensyvumas sparčiai mažėja, o toliau praktiškai lieka pastovus, todėl antriniuose kosminiuose spinduliuose išskiriamos minkštoji ir kietoji komponentės. Minkštąją komponentę smarkiai absorbuoja švinas, o kietoji pro šviną lengvai prasiskverbia. Kosminiai spinduliai skirstomi į kietuosius ir minkštuosius, remiantis skirtumu tarp lengvųjų ir sunkiųjų elektringų dalelių radiacinio (stabdymo) ir jonizacinių nuostolių.
Kietąją komponentę sudaro sunkesnės greitos elektringosios dalelės, kurios savo energijos netenka, daugiausia tiktai jonizuodamos sutiktus kelyje atomus. Minkštąją komponentę sudaro lengvos elektringos dalelės - elektronai ir pozitronai, taip pat fotonai.

Žemės radiacinės juostos 
Nustatyta, kad už atmosferos ribų egzistuoja Žemės radiacinės juostos. Tai - dvi viena nuo kitos atskiros sritys, kuriose kosminių jonizuojančių spindulių intensyvumas žymiai didesnis, negu palyginti mažuose aukščiuose. Šios juostos susidaro todėl, kad Žemės magnetinis laukas pagauna ir laiko elektringąsias daleles. Vidinė juosta yra nutolusi nuo Žemės 600-6000 km. Kai kuriose vietose, pvz., ties magnetinėmis anomalijomis, esančiomis pietinėje Atlanto dalyje, ji nusileidžia iki 300 km. Išorinė juosta nutolusi nuo Žemės (2-6)· 104 km, o kai kuriose vietose (55-70° platumose) nusileidžia prie Žemės iki 300-1500 km. Vidinėse juostose daugiausia yra didelės energijos protonų; jų energija siekia nuo 10-20 MeV iki 700-800 MeV. Išorinėje juostoje pagrindinės dalelės yra elektronai, kurių energija mažesnė kaip 100 keV.

Radiacinės juostos turi būti apie visus dangaus kūnus, kur yra magnetinis laukas. Pvz., Mėnulis neturi savo magnetinio lauko, todėl apie jį nėra radiacinių juostų. Duomenys apie stipresnės kosminės radiacijos sritis nepaprastai svarbūs, skrendant žmogui į kosmines erdves.

Kilmės hipotezės 
Laikoma, kad pirminių kosminių spindulių elektringosios dalelės įgyja didžiules energijas todėl, kad jas įgreitina žvaigždžių ir Saulės elektromagnetiniai laukai. Svarbu tai, kad elektringosios dalelės turi būti įgreitinamos palaipsniui. Juk kosminiuose spinduliuose yra sunkiųjų ir supersunkiųjų branduolių, kurių energija siekia 1019 eV. O jeigu jie įgytų tokias energijas iš karto, tai branduoliai bematant "išgaruotų" į atskirus nukleonus. Nukleonų ryšio energijos branduolyje jau neužtektų jiems išlaikyti drauge, branduoliui staigiai suteikus energiją, net kur kas mažesnę negu
1019 eV. Sukantis žvaigždėms, kurios turi magnetinį lauką, susidaro sūkuriniai elektriniai laukai. Žvaigždžių magnetiniai laukai, veikdami protonus ir branduolius, išlaiko juos uždarose orbitose, o judėdami uždaromis orbitomis elektringuose laukuose, branduoliai įgyja milžiniškus pagreičius. Kitas dalelių įgreitinimo pirminiuose kosminiuose spinduliuose mechanizmas yra statistiniai efektai: dalelės įgreitinamos sutiktuose tarpžvaigždinės medžiagos debesyse, kuriuose yra nevienalyčiai magnetiniai laukai.

Kaip apskaičiavo E. Fermis, tarpžvaigždinės medžiagos debesyse vyksta įelektrintų masių judėjimas, todėl susikuria kintami elektromagnetiniai laukai. Tuose laukuose pirminių kosminių spindulių elektringosios dalelės gali būti įgreitinamos iki pačių didžiausių energijų, kokias pavyko pastebėti. Spėjama, kad pradinę energiją pirminėms dalelėms suteikia smūginės bangos, kurios susidaro, kai susiduria dujų masės, sprogstant supernovoms. Tokių sprogimų energija yra branduolinės kilmės, todėl kosminių spindulių energijos pirmasis šaltinis taip pat yra branduolinė energija.

Astrofizika