Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Детекторами излучения могут быть как фокусирующие зеркала, так и просто фотоумножители. Кроме прямого черенковского излучения каскада существует «воздушная флуоресценция», хотя точнее было бы называть это люминесценцией. Это явление состоит в том, что частицы возбуждают молекулы азота, которые высвечивают энергию возбуждения, это излучение также регистрируется наземными установками и позволяет изучать частицы самых высоких энергий.

Наземные наблюдения сводятся к регистрации вторичных частиц и излучения.

В результате столкновения частиц высокой энергии с атмосферными частицами также рождаются заряженные пионы, которые в основном распадаются на мюоны и нейтрино, достигающие поверхности Земли. Детектирование вторичных мюонов с помощью сцинтилляционных или водных черенковских детекторов часто используется для исследования космических лучей.

Более экзотический способ, пока не получивший широкого распространения, состоит в регистрации радиоволн от широких атмосферных ливней. Это низкочастотное (десятки мегагерц) излучение возникает при распространении электромагнитного каскада (электронов и позитронов) в магнитном поле Земли. Его существование было предсказано и продемонстрировано еще в середине 1960-х гг., однако лишь в последнее время начались серьезные попытки использовать этот метод в качестве существенного дополнения более традиционных подходов (наблюдение черенковского излучения и «воздушной флуоресценции», а также регистрация вторичных мюонов).

Преимущества косвенной регистрации состоят в том, что можно регистрировать очень редкие частицы сверхвысоких энергий – до 10 21эВ. Чтобы набрать большую статистику, необходимо охватывать по возможности бóльшую площадь. В настоящее время наиболее крупным проектом является обсерватория имени Пьера Оже (Pierre Auger) в Аргентине с площадью установки около 3000 км2. В обсерватории используется гибридная система регистрации: по всей территории расположено около 1600 черенковских водных детекторов для регистрации мюонов, и всю эту площадь осматривают 24 телескопа, сгруппированные в четыре наблюдательные станции и регистрирующие черенковское излучение и атмосферную флуоресценцию.

Именно благодаря обсерватории Оже удалось получить достаточно большую статистику частиц с энергиями выше 10 19эВ, чтобы подтвердить их внегалактическое происхождение. Однако источник этих частиц до сих пор остается неясным, хотя рассматриваются возможности ускорения частиц в космических гамма-всплесках, активных ядрах галактик и в ударных волнах в скоплениях галактик.

Одной из проблем определения природы этих «космических ускорителей» является невозможность узнать точное направление на источник. Это связано не со сложностями детектирования частиц, а с особенностями их распространения. Дело в том, что заряженные частицы испытывают влияние со стороны магнитного поля, и траектории частиц с энергиями до 10 15–10 17эВ оказываются сильно запутанными уже галактическими магнитными полями (поэтому они проводят долгое время внутри нашей Галактики). При бóльших энергиях частицы лишь слабо отклоняются полем Галактики, но, распространяясь в течение миллионов или даже миллиардов лет в межгалактической среде, испытывают отклоняющее воздействие слабых межгалактических полей. В итоге зарегистрированное направление может отличаться от исходного на несколько градусов, что исключает точную локализацию.

Обсерватория Оже – крупнейшая современная установка для изучения космических лучей.

Другой проблемой изучения частиц самых высоких энергий является невозможность точного измерения энергии и определения природы частицы. Регистрация широкого атмосферного ливня не позволяет надежно определить, был ли он вызван протоном, ядром гелия, кислорода или даже железа. Определение энергии основывается на использовании компьютерных моделей, которые позволяют связать свойства детектируемых вторичных частиц или излучения с энергией материнской частицы, но точность этого не очень велика (особенно при наблюдении «воздушной флуоресценции»). Поэтому для изучения стараются одновременно использовать разные методы (оптика, регистрация мюонов, радиоволны).

Частицы с энергией выше 10 16–10 17эВ в основном имеют внегалактическое происхождение.

В астрофизике космических лучей существует еще много нерешенных проблем. Кроме вопросов происхождения частиц сверхвысоких энергий и точного измерения их свойств сюда можно отнести проблему происхождения избытка позитронов, обнаруженного установкой PAMELA, многие вопросы, связанные с ускорением частиц в галактических источниках, а также гипотетическую возможность регистрации частиц странного (кваркового) вещества.