Распыленное до отдельных атомов вещество взрывной волной свободно расходится в космосе со скоростью в тридцать раз меньшей, чем скорость света, то есть 10 тысяч километров в секунду. В результате оно обладает колоссальной кинетической энергией, и приблизительно одна пятая этого вещества в конце концов будет преобразована в космические лучи, путешествующие со скоростями, близкими к скорости света. Но этот процесс требует времени.
По-настоящему образование космических лучей начинается только тогда, когда распыленное до атомов вещество становится таким же разреженным, как межзвездный газ, и встречает сопротивление с его стороны. Тогда вещество взорвавшейся звезды притормаживает и смешивается с атомами межзвездного вещества. Ударные волны становятся более интенсивными, а магнитные поля, связанные с ними, — более сильными.
Вот так в пределах разлетевшихся обломков сверхновой звезды и формируются «фабрики космических лучей». Немецкий и швейцарский астрономы, Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, еще в 1934 году впервые выдвинули предположение, что источником космических лучей могут быть сверхновые звезды. Спустя 15 лет физик итальянского происхождения Энрико Ферми из Чикагского университета предположил, что заряженные частицы в космосе могут набирать энергию, если они отскакивают от движущегося магнитного поля. Представьте себе, как медленно летит резиновый мячик, когда его небрежно бросит ребенок, и как он отлетает на огромной скорости, стукнувшись о лобовое стекло проезжающей мимо машины.
Другие теоретики вскоре поняли, что ударная волна в остатках сверхновой создает особенно мощный ускоритель, так как неравномерные магнитные поля впереди и сзади ударной волны действуют как зеркало. Заряженные частицы, будущие космические лучи, отражаются то вперед, то назад и, каждый раз проходя сквозь ударную волну, постоянно накапливают энергию. Магнитные «зеркала» не дают частицам выйти, в то время как их ускорение продолжается. Когда они окончательно выберутся из остатков сверхновой, их скорость будет соответствовать той, какую могут придать частицам ускорители на Земле. Есть и такие, что двигаются в сотни раз быстрее, чем частицы, ускоренные в самых современных машинах, но таких относительно немного.
Так как водород самый распространенный элемент во Вселенной, большинство космических заряженных частиц — это протоны, ядра атомов водорода. Среди них, конечно, присутствуют и другие элементы: гелий, углерод, кислород и прочие — приблизительно в таких же пропорциях, в каких они представлены в Галактике, хотя излишек железа напоминает нам о том, что родина космических лучей — сверхновые звезды. Несмотря на такие нюансы, космические лучи — это всего лишь звездный мусор, быстро летящий через космическое пространство. Скорость даже самых медленных протонов составляет 90 процентов от скорости света. Впрочем, более быстрые их коллеги иногда приближаются к пределу скорости, но никогда не достигают его. Вместо этого их кинетическая энергия выражается в дополнительной массе.
В Институте астрономии Венского университета Эрнст Дорфи пытался выяснить, в какой степени временной режим событий, происходящих в сверхновой, зависит от силы взрыва и плотности окружающего ее газа. Расчеты Дорфи показывают, что обычно остатки прекращают расширяться приблизительно через двести лет после взрыва. Половина кинетической энергии идет на подогрев газа в остатках сверхновой в течение двух тысяч лет. К этому времени образование космических лучей уже идет полным ходом, и оно продолжает набирать обороты, пока не достигнет своего пика через тысячу столетий, после чего продолжается уже сотни тысяч лет.
Приблизительно через миллион лет остаток сверхновой, растратив большую часть энергии, теряет и свои уникальные черты, и лишь блуждающая нейтронная звезда напоминает о некогда сверкнувшем огромном голубом бриллианте. Меж тем многим другим уготована такая же судьба. Единовременно тысячи остатков сверхновых заняты тем, что раздают свои подарки в виде химических элементов и осыпают Млечный Путь галактическими космическими лучами.
Определение «галактические», кстати, позволяет отделить их от других высокоскоростных частиц, о которых вы, возможно, слышали. Космические лучи сверхвысоких энергий довольно редки и, вероятно, зарождаются в других галактиках. Солнечные космические лучи относительно слабы и появляются вследствие взрывов на Солнце. Их часто называют солнечными протонами, и они опасны для астронавтов и космических кораблей, но на земной поверхности вряд ли имеют какое-либо значение. Аномальные космические лучи также незначительны. Они исходят от дальних ударных волн в магнитном поле Солнца и представляют интерес только для ученых в области космонавтики.
Когда бы ни появлялись космические лучи в нашей истории, мы подразумеваем обычный галактический вид. Они прибывают из внешнего космоса как первичные космические лучи и, бомбардируя нашу атмосферу, производят частицы, называемые вторичными космическими лучами. Именно они — представители галактических гостей со взорвавшейся звезды — проносятся сквозь вас дважды в секунду даже сейчас, когда вы читаете этот абзац.
Не просто бесполезная добавка
Долгое время большинство астрономов смотрели на космические лучи как на любопытный, но малозначительный побочный продукт смерти звезд, все равно что мусор, оставшийся после похорон. К концу двадцатого века появилась совершенно иная концепция, которая в 2001 году получила свое отражение в манифесте Кати Ферье из Обсерватории Миди-Пиренеи (Тулуза). Во вступительных строках автор отводит космическим лучам достойное место в схеме астрономического порядка вещей:
«Звезды нашей Галактики — традиционно обозначаемой с прописной буквы, чтобы отличить ее от бесчисленного количества других галактик, — расположены в чрезвычайно разреженном пространстве, так называемой „межзвездной среде“ (МЗС), состоящей из обычного вещества, релятивистских заряженных частиц, известных как космические лучи, и магнитных полей. Эти три важнейшие составляющие — по давлению, ими оказываемому, — вполне сопоставимы, и они тесно связаны друг с другом электромагнитными силами»[14].
Космические лучи покидают свои пенаты в остатках сверхновой и разгоняются до скорости, близкой к световой, так что можно было бы ожидать, что они быстро покинут нашу Галактику и унесутся дальше во Вселенную. Наиболее энергичные из них так и поступают, но большинство заряженных частиц путешествуют туда-сюда в пределах Галактики на протяжении миллионов лет, подобно рыбам, плавающим в широком, но очень мелком озере.
Диск ярких звезд, который мы видим с ребра и называем Млечным Путем, стиснут с обеих сторон гравитацией. Силовые линии сплющенного растянувшегося магнитного поля прокладывают себе путь через весь диск. По сравнению, скажем, с геомагнитным полем оно очень слабое, но трудится на протяжении многих тысяч световых лет и вынуждает блуждающие заряженные частицы следовать вдоль силовых линий в пределах диска. Напряженность поля и количество сопутствующих ему космических лучей — величины не постоянные, все зависит от конкретной области Галактики. Солнце и Земля вечно находятся в движении, поэтому и показания «счетчика» космических лучей также все время меняются.
