Ученым предстоит снять покровы, скрывающие от нас многочисленные тайны природы. Одна из них — еще не до конца решенная загадка далеких пришельцев из глубин Вселенной — космических лучей.

Почему космические лучи так интересуют ученых? Что мы знаем о них, об их происхождении и составе, о влиянии этих лучей на полет космического корабля?

Несовершенство методики и слабая техническая база долгое время не позволяли приступить к детальному исследованию космических лучей. Этим и объясняется, что наиболее важные сведения о их свойствах и природе получены сравнительно недавно, за два последних десятилетия.

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В. И. ЛОГАЧЕВ

В настоящее время известно, что космические лучи состоят из заряженных частиц, преимущественно протонов (ядра атомов водорода), на долю которых приходится 92% ядер первичного космического излучения. Во много раз меньше (около 6%) составляют α-частицы (ядра атомов гелия), а на долю остальных ядер приходится лишь около 2%.

Изучение космических лучей интересно с различных точек зрения. Во-первых, до настоящего времени окончательно еще не решен вопрос о том, где образуются космические лучи и как их частицы приобретают большие энергии. В последние годы наибольшее распространение получила выдвинутая советским ученым В. Л. Гинзбургом гипотеза, согласно которой космические лучи образуются при вспышках так называемых сверхновых звезд. Развитая им теория ускорения частиц космических лучей в расширяющихся оболочках сверхновых звезд хорошо согласуется с радиоастрономическими данными и данными о составе космических лучей.

Детальное исследование космического излучения позволит не только проверить выводы этой теории, но и даст возможность получить определенные сведения об источниках космических лучей, условиях ускорения частиц до сверхвысоких энергий и тем самым расширит наши представления о строении Вселенной.

В состав космических лучей входят ядра, энергия которых достигает огромной величины: 10¹⁷÷10¹⁸ эв. С их помощью можно изучать взаимодействие частиц сверхвысоких энергий с веществом, попытаться прощупать структуру нуклонов, составляющих ядро атомов. В ядерных взаимодействиях при больших энергиях появляются новые нестабильные частицы, которые непосредственно в состав ядра не входят. Так, при энергии бомбардирующей частицы около 10⁸ эв образуются π-мезоны. С увеличением энергии начинают появляться другие частицы: более тяжелые мезоны и гипероны. Их рождение связано с взаимодействием нуклонов. На основании этих данных можно попытаться создать «модель» нуклона.

Как видим, изучение процессов, которые космические лучи вызывают при взаимодействии с веществом, позволит глубже понять строение материи.

В связи с полетами человека в космическое пространство развивается новое направление в исследовании космических лучей — космическая дозиметрия. Известно, что всякое ионизирующее излучение

Рис. 1. Схема счетчика Гейгера: 1 — корпус счетчика (катод); 2 — стальная нить (анод); 3 — газ, заполняющий счетчик; 4 — путь частицы через счетчик.

в больших дозах губительно действует на живые организмы. Поэтому измерение интенсивности космических лучей и изучение их распределения в пространстве необходимы для безопасности полетов человека в космосе.

Идущие из глубин Вселенной космические лучи не достигают поверхности Земли, так как быстро поглощаются атмосферой. Например, протоны проходят в атмосфере без столкновений в среднем до высоты 15 км от поверхности Земли, α-частицы — 20 км, а более тяжелые ядра могут проникнуть на еще меньшую глубину. Поэтому для изучения космических лучей приходится поднимать аппаратуру на большие высоты к границе атмосферы. Вначале для этой цели использовались воздушные шары. Однако находившаяся на них научная аппаратура при спуске часто разбивалась. Сами шары иногда терялись, а вместе с ними пропадали все результаты наблюдений. Учитывая все эти неудобства, один из основоположников исследований космических лучей в СССР С. Н. Вернов предложил использовать радио для передачи информации на Землю в ходе полета. По его инициативе в 1933 г. были проведены первые в мире опыты, в которых научные данные передавались на Землю непосредственно в момент регистрации космических частиц. Это было замечательное достижение. Впоследствии, когда появились геофизические ракеты, стали возможны исследования космических лучей на больших высотах, где вторичные частицы — продукт взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов атмосферы — не оказывают существенного влияния на результаты измерений.

Проведенные на ракетах исследования позволили уточнить полученные ранее данные. Но поскольку полет ракеты продолжался всего несколько минут и число

Рис. 2 Схема ионизационной камеры: 1 — окошко; 2 — центральный электрод (анод); 3 — изолятор.

зарегистрированных ядер было невелико, измерения потоков различных групп ядер оказались недостаточно надежными, и содержали ошибки, связанные со случайным отклонением интенсивности потока ядер от средней величины. Кроме того, невозможно было изучать, как изменяется интенсивность космического излучения со временем. Решение этих задач стало возможно лишь после создания искусственных спутников Земли и космических ракет.

Для исследования космических лучей на спутниках и ракетах используется много различных приборов. Самый простой и распространенный из них — газоразрядный счетчик (рис. 1). Он представляет собой цилиндр, внутри которого протянута металлическая нить, служащая анодом.

Катод — стенка счетчика. Между нитью и стенкой прикладывается высокое напряжение, в экспериментах на спутниках равное 400-500 в. Цилиндр наполняется специальным газом до определенного давления. Когда через счетчик проходит заряженная частица, она ионизирует газ и вызывает разряд. В результате между нитью счетчика и стенкой напряжение резко падает почти до нуля. Этот скачон напряжения регистрируется и "передается на счетное устройство. Так можно сосчитать число частиц, прошедших через счетчик.

Другой прибор для измерения интенсивности ионизирующего излучения — ионизационная камера. Ее устройство сходно с устройством газоразрядного счетчика (рис. 2), однако газ, давление и напряжение подобраны таким образом, что при прохождении через камеру заряженной частицы разряд не возникает, а образовавшиеся ионы собираются на электродах.

При наличии ионизирующего излучения через камеру и по цепи питания начинает течь ток, величина которого пропорциональна числу ионов, образующихся в камере в единицу времени, т. е. интенсивности облучения.

Однако эти приборы не дают полной информации о регистрируемых частицах: возникающий в газоразрядном счетчике импульс не зависит от сорта частицы, а на величину тока в ионизационной камере влияет не только заряд частицы, но и ее скорость. Поэтому для изучения состава космических лучей ионизационная камера должна применяться только в сочетании с другими приборами, регистрирующими скорость проходящей частицы.

В последнее время большое распространение получили сцинтилляционные и черенковские счетчики. Сцинтилляционный счетчик (рис. 3) состоит из фотоумножителя, к фотокатоду которого присоединяется детектор из люминесцирующего вещества (сцинтиллятор). При прохождении через него заряженной частицы возникает световая вспышка. Попадая на катод фотоумножителя, кванты света выбивают из него электроны, число которых пропорционально количеству квантов, попавших на фотокатод. Появившийся при этом электронный ток усиливается фотоумножителем, в результате на его собирающем электроде-коллекторе возникает импульс значительной величины (десятки мв). Импульс подается затем на радиотехническую часть установки, которая его регистрирует.

Как и в ионизационной камере, импульс в сцинтилляционном счетчике сильно зависит от скорости ядра. Измерять же заряд частицы практически независимо от ее скорости можно черенковским счетчиком.

Советский ученый П. А. Черенков еще в 1934 г. обнаружил, что, когда через прозрачное вещество проходит частица со скоростью, большей, чем скорость распространения света в данном веществе, возникает световая вспышка, интенсивность которой пропорциональна квадрату заряда частицы. Это явление и было использовано для разделения регистрируемых ядер по зарядам. Световая вспышка, возникшая в черенковском детекторе, попадает на катод фотоумножителя и преобразуется в импульс напряжения. В остальном устройство черенковского счетчика подобно устройству сцинтилляционного.

Для изучения ионизирующего излучения используются стопки фотоэмульсий. Это наиболее наглядный метод. Толщина эмульсионных слоев в такой стопке достигает 600 и более микрон. Заряженная частица, проходя через стопку, образует след, плотность которого зависит от ее заряда и скорости. Анализируя следы, можно определить заряд и энергию (скорость) частиц. Поэтому с помощью фотоэмульсий изучают состав космических лучей.

Чтобы избежать примесей от вторичных частиц, образовавшихся в атмосфере, эмульсии нужно поднимать на большие высоты. Для этого использовались шары-зонды. Однако полностью избавиться от примесей все же не удавалось, так как шары достигали лишь высоты 25-30 км. После создания космических кораблей-спутников, на которых фотоэмульсии можно экспонировать за пределами атмосферы, а затем возвращать на Землю, открылась возможность изучать состав первичного космического излучения с большой точностью.

В наше время ученые обладают комплексом аппаратуры, способным решить почти все вопросы, связанные с изучением космических лучей.

Рис. 3. Схема сцинтилляционного счетчика: I — кристалл; II — фокусирующий электрод; III — фотоумножитель. 1 — фотокатод; 2 — 7 — эмиттеры; 8 — коллектор (анод); 9 — нагрузочное сопротивление.

Исследования космических лучей с помощью искусственных спутников Земли сразу же принесли исключительные по своей ценности результаты. Возможность проводить наблюдения в течение длительного времени повысила точность измерений, и уже при полете третьего советского спутника были получены некоторые новые данные о составе первичного космического излучения. Оказалось, например, что в составе космических лучей почти нет ядер с зарядом больше атомного номера (Z) 30, т. е. ядер тяжелее железа. Измерения, проводившиеся раньше на шарах-зондах, не позволили надежно установить этот факт, поскольку тяжелые ядра, проходя даже сквозь небольшой слой атмосферы, «разваливаются» при взаимодействии с атомами воздуха. Расчеты показывают, что ядра с зарядом Z > 30 проходят, не взаимодействуя, в среднем до высоты примерно 30 км от поверхности Земли. Шары-зонды редко поднимаются до таких высот, а полеты на высоте более 30 км были уникальными. Кроме того, длительность измерений на шарах не превышает нескольких часов.

В ходе дальнейших исследований на спутниках и ракетах были измерены потоки различных групп ядер, при этом особое внимание уделялось изучению потока ядер легких элементов (литий, бериллий, бор). По астрофизическим данным, этих атомов во Вселенной содержится очень мало, почти в миллиард раз меньше, чем атомов водорода. Но уже исследования на шарах показали, что их распространенность в космических лучах почти в 100 тыс. раз больше, чем в среднем в природе. Однако при этих измерениях в число первичных ядер лития, бериллия и бора примешивалось значительное количество вторичных легких ядер, образовавшихся в атмосфере. Учесть их очень трудно, и поэтому результаты измерений были недостаточно надежны. При исследованиях на спутниках поток легких ядер измеряется практически без примесей. Полученные ныне сведения

Новые успехи советской космонавтики С каждым месяцем в Советском Союзе расширяется фронт научных исследований в космосе. 16 марта был запущен искусственный спутник Земли «Космос-1». Три недели спустя, 6 апреля, на орбиту выведен новый спутник — «Космос-2». На нем установлена научная аппаратура для продолжения исследования верхних слоев атмосферы и космического пространства по программе, опубликованной 16 марта. По уточненным данным, первоначальный период обращения «Космоса-2» равен 102,25 минуты, перигей — 211,6 и апогей — 1545,6 км. Угол наклона орбиты к плоскости экватора 49°. Научная аппаратура, разнообразные системы и устройства функционируют нормально. 24 апреля запущен «Космос-3». Период обращения его равен 93,8 минуты; угол наклона орбиты к плоскости экватора 48 59; перигей — 229 и апогей — 720 км. 26 апреля вышел на орбиту «Космос-4». Параметры его орбиты: начальный период обращения — 90,6 минуты; апогей — 330 км, перигей — 298 км; угол наклонения орбиты к экватору — 65°. Запуск новых искусственных спутников Земли приблизит советских ученых к разгадке «тайны» земного магнетизма, поможет узнать, как работает гигантский «ускоритель» заряженных частиц, обращающихся вокруг Земли, изучить их энергетический состав. На основе этих исследований можно будет точно рассчитывать противорадиационную защиту космических кораблей. Для обеспечения безопасности длительных полетов человека в межпланетном пространстве важно также знать воздействие метеоритного вещества на элементы конструкции космических объектов, что будет изучаться с помощью запускаемых ныне спутников. В программу исследований входит и дальнейшее изучение первичного состава загадочных посланцев неизмеримых глубин Вселенной — космических лучей, корпускулярных потоков и частиц малых энергий, коротковолнового излучения Солнца и других космических тел, концентрации заряженных частиц в ионосфере, от которых зависит распространение радиоволн. Чрезвычайно важное значение имеют исследования атмосферы, образования в ней облачных систем и их распространения над поверхностью Земли. Нет сомнения, что осуществление намеченной программы позволит советским ученым сделать новые выводы и обобщения, новые открытия в области физики верхней атмосферы и космического пространства.

подтвердили, что в космических лучах содержится значительное число легких ядер. Это очень важно для выяснения механизма образования космических лучей и обнаружения их источников.

Заметный вклад в космическое излучение вносит Солнце. Советский ученый А. Н. Чарахчьян зарегистрировал случаи, когда во время солнечных вспышек поток протонов около Земли возрастал в сотни, а иногда даже и в тысячи раз. Исследования на космических ракетах, проведенные под руководством Л. В. Курносовой, показали, что Солнце способно генерировать и тяжелые ядра.

Установленные на 2-й космической ракете черенковские счетчики регистрировали ядра космических лучей. Во время всего полета поток ядер оставался практически постоянным. Однако 12 сентября 1959 г. приборы зарегистрировали резкое возрастание числа отсчетов, которое продолжалось примерно 15 минут. Поток α-частиц увеличился почти в полтора раза, а тяжелых ядер-примерно в 12 раз. Одновременно на Солнце была отмечена хромосферная вспышка, сопровождавшаяся интенсивным радиоизлучением в диапазоне 208 Мгц. Несколько других случаев возрастания потоков ядер, связанных со вспышками на Солнце, было обнаружено и позже. Факт испускания Солнцем ядер подтвердился и наблюдениями на американских спутниках. Таким образом, установлено, что Солнце способно генерировать тяжелые ядра очень больших энергий. Этот факт также имеет существенное значение для выяснения механизма ускорения и образования космических лучей.

Одним из самых интересных результатов исследований с помощью спутников и ракет, проведенных в Советском Союзе под руководством С. Н. Вернова и А. Е. Чудакова, а в США — группой исследователей во главе с Ван Алленом, явилось открытие так называемых «радиационных поясов».

Состав частиц в радиационных поясах и механизм их образования окончательно еще не выяснены. Есть предположения, что внутренний пояс состоит из вторичных частиц, образующихся в верхних слоях атмосферы при бомбардировке ее ядрами первичного космического излучения. Вылетая из атмосферы, вторичная нейтральная частица (нейтрон) распадается на протон и электрон. Магнитное поле Земли искривляет их пути, заставляя двигаться по спирали, обвивающей магнитные силовые линии. Поэтому образовавшиеся заряженные частицы не уходят от Земли и могут перемещаться только из северного полушария в южное и обратно вдоль силовых линий; образно говоря, они попадают в «магнитную ловушку».

Природа внешнего радиационного пояса, видимо, связана с захватом магнитным полем Земли корпускулярных потоков, идущих от Солнца.

Неожиданным результатом измерений, проведенных во время полетов советских космических кораблей-спутников, было обнаружение на высотах 200-300 км над поверхностью Земли повышенной интенсивности излучения, которая в несколько раз превышала поток космических лучей. Кроме того, в районе южной части Атлантического океана около Южной Америки наблюдалось резкое возрастание интенсивности излучения каждый раз, когда космический корабль проходил над этой областью. Интенсивность в этом районе была в десятки раз больше, чем в соседних областях. Аналогичная зона повышенной радиации обнаружена у берегов Антарктиды. Первая была названа «Южно-Атлантической», вторая «Южной» аномалиями. Общее повышение интенсивности излучения над Землей на высотах 200÷300 км скорее всего связано с радиационными поясами и с магнитным полем Земли. Так, положение Южно-Атлантической аномалии совпадает с областью, где магнитное поле Земли достигает минимальной величины. Следовательно, над районами с наименьшим значением магнитного поля заряженные частицы ближе подходят к поверхности Земли; «пояс» над этим местом как бы провисает, вызывая резкое повышение интенсивности излучения.

Таким образом, исследования с помощью искусственных спутников и ракет в корне изменили наши представления об окружающем Землю космическом пространстве. В дальнейшем они, несомненно, расширят наши знания о строении солнечной системы и природе космического излучения. Важную роль сыграют запуски искусственных спутников Земли, о которых говорится в сообщении ТАСС, опубликованном 16 марта.

Может создаться впечатление, что из-за значительной интенсивности излучения выход человека в космическое пространство невозможен. Однако замечательные полеты советских космонавтов блестяще доказали безопасность избранных советскими учеными траекторий. При длительных космических полетах, например к другим планетам, возрастут требования к обеспечению безопасности космонавтов. Траектория космического корабля будет выбираться так, чтобы миновать области с повышенной радиацией. Космический корабль, очевидно, получит специальную локационную аппаратуру, которая позволит заблаговременно обнаружить области с повышенной интенсивностью радиации и своевременно изменить курс.

Создание искусственных спутников, запуски космических ракет, полеты космических кораблей с человеком на борту ознаменовали наступление эры освоения межпланетного пространства. Всего пять лет отделяют нас от того момента, когда первый советский искусственный спутник Земли начал свои обороты вокруг планеты. За это небольшое время наше страна достигла выдающихся технических и научных результатов. Близится пора осуществления космических путешествий человека к Луне, Марсу, Венере и другим планетам солнечной системы.

Советский Союз занимает ведущее положение в исследовании космоса. Бурное развитие науки и техники, творческий энтузиазм народа, руководимого Коммунистической партией, — надежный залог того, что и впредь первенство в освоении космического пространства будет принадлежать Советскому Союзу.