WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
EXPERIMENTAL ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ PALEOASTROPHYSICS:

ПАЛЕОАСТРОФИЗИКА:

ACHIEVEMENTS AND PERSPECTIVES ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ G. E. KOCHAROV..

‡-·„ „‰‡‚ The basis, achievements ‚ and perspectives of the investigation of a new region of the science have been discussed.

Что такое экспериментальная палеоастрофизика Это область науки, охватывающая совокупность астрофизических явлений, сигналы от которых до·‰‡fl ‚ стигли Солнечной системы до возникновения ин‚ ·‡ ‡ струментальной астрономии. Рождение инструментальной астрономии закономерно связывается с “‡‡fl ‡началом систематических исследований неба вел臇”, ким ученым эпохи Ренессанса Галилео Галилеем.

‰fl - Именно он в начале XVII века, используя самодельную трубу с линзой 4 см, открыл спутники Юпите‚.

ра, обнаружил пятна на Солнце и др. Таким образом, инструментальная астрономия молода – ей всего 400 лет, что значительно меньше продолжительности существования земной цивилизации и, конечно же, меньше миллионов и миллиардов лет – возраста галактик и Вселенной в целом.

Известно, что на Земле имеются естественные архивы космических частиц и излучений, имеющих хорошую память об астрономических явлениях на большой шкале времени в прошлом. Такими детекторами являются кольца деревьев, кораллы, полярный лед, донные отложения морей и океанов, сталактиты и т.д. Каков принцип их действия Космические лучи, генерируемые естественными ускорителями частиц в космосе, непрерывно бомбардируют земную атмосферу, инициируя различные ядерные реакции. В них генерируются радиоактивные ядра, такие, как 14С и 10Ве. 14C – один из изотопов углерода, радиоактивный с периодом полураспада 5730 лет. 10Ве тоже радиоактивный с периодом 1,5 млн лет.

Генерируемый космическими лучами радиоуглерод окисляется до 14СО2 и вместе с обычным углекислым газом участвует во всех природных процессах: поглощается растениями и соответственно попадает в организмы животных и людей. Наиболее удобным объектом для исследований являются кольца деревьев. Концентрация радиоуглерода в кольце пропорциональна интенсивности космических лучей в год роста этого кольца. Таким образом, измерив содержание радиоуглерода в кольце дерева, можно вычислить интенсивность космических лучей в тот год. Это позволяет восстановить интенсивность космических лучей в прошлом (за последние несколько тысяч лет по живым деревьям и до, ‹11, © ‡‚.., 100 тыс. лет назад по сталагмитам, кораллам, поляр- новные особенности естественных детекторов. При ному льду). вхождении в Солнечную систему космические лучи должны преодолеть барьер магнитного поля СолнСудьба 10Ве отличается от углеродной тем, что в ца. Чем больше энергия частиц и чем меньше солатмосфере Ве прилипает к пылинкам и оседает нечная активность, тем легче частицам проникнуть вместе с ними в земных архивах: донных отложенив Солнечную систему. Таким образом, частицы, ях морей и океанов, полярном льду. Удается полупроникшие в Солнечную систему, несут информачить необходимое для эксперимента количество дацию как об источнике, где они родились, так и о сотированного льда за интервал времени вплоть до стоянии солнечной активности. Похожее явление 200–300 тыс. лет тому назад.

наблюдается и при проникновении через магнитКосмические лучи, рентгеновское и гамма-изный экран Земли. В ядерных реакциях в атмосфере лучение в атмосфере производят также ионизацию Земли генерируются разные изотопы, и среди них (генерацию электронов). Обилие электронов влияВе и 14С – главные объекты нашего рассмотрения.

ет на скорость химических процессов, в частности Как уже указывалось, в атомных столкновениях в резко растет концентрация нитратов, которые как в атмосфере генерируются электроны, которые в коАнтарктиде, так и в Арктике переносятся атмосфернечном итоге увеличивают концентрацию нитратов.

ными вихрями в лед. В ледяных условиях нитраты 10 Другими словами, говоря языком ядерной физики, сохраняются наподобие ядер Ве. Поэтому, измеатмосфера Земли является детектором космических рив независимым методом возраст льда, можно по лучей. Кольца деревьев, кораллы, сталагмиты, полярсодержанию нитратов в нем восстановить интенный лед, донные отложения являются погодичными сивность космических протонов, электронов, рентхранителями информации о ядерных реакциях.

геновского и гамма-излучения. По имеющимся Методы датировки меняются в зависимости от данным, этот метод дает возможность охватить нетипа хранителя информации и интервала времени, сколько последних десятков тысяч лет.

прошедшего с момента “запоминания”. Кольца деТаким образом, существуют два канала инфорревьев представляются наиболее наглядными с точмации: космогенные изотопы в различных земных ки зрения датировки. Есть живые деревья, возраст образцах и нитраты в полярном льду.

которых несколько тысяч лет, например секвойя в США, арча туркестанская. Для того чтобы измерить содержание радиоуглерода в кольце дерева с точно стью 0,3%, требуется примерно 50 г с каждого кольНа рис. 1 показан принцип работы природных ца древесины. Концентрация 14С мала и составляет детекторов космического излучения. На примере примерно 10- 12 от концентрации основного изотопа галактических космических лучей рассмотрим осС. Поэтому задача эта нелегкая, но она уже решена. В мире есть несколько лабораторий, в которых КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ проводятся высокоточные погодичные измерения концентрации радиоуглерода.

Галактические Солнечные Как уже отмечалось, изотоп 10Be тоже радиоактивный. Однако измерить количество атомов по раСолнечная диоактивности не удается из-за низкого ее уровня.



модуляция Кроме того, из-за большого периода полураспада и малой концентрации 10Ве во льду (всего 10 млн атоМодуляция мов на 1 кг льда) невозможно набрать статистичесгеомагнитным полем ки надежный результат. Концентрация этого изотопа измеряется новым методом, рожденным в начале Мишень 80-х годов. Сочетанием принципов масс-спектрометрии и ускорителя частиц (ускорительная массГенерация нитратов и изотопов в земной атмосфере спектрометрия) удается осуществить счет атомов 10 36 Ве, Сl, С и др. Итог такой: десятков граммов древесных колец и нескольких килограммов льда 14 С Be, 36Сl, нитраты достаточно для измерения количества указанных космогенных изотопов, то есть для решения астроКольца деревьев Полярный лед физических задач. Концентрация нитратов во льду Кораллы Донные осадки измеряется по методу ультрафиолетовой спектроморей и океанов Сталагмиты метрии. Экспериментально охвачены следующие интервалы времени: по Ве – последние 200 тыс.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ лет (этот интервал соответствует глубине 2 км льда);

по 14С – последние 50 тыс. лет (кольца деревьев, сталактиты, кораллы). Интервал времени по нитратам Рис. 1. Принцип работы естественных детекторов космических лучей. 30 тыс. лет, из которых последние 415 лет погодично.

.. : Естественные детекторы космического излуче- Во всех трех сериях измерений имеется согласие ния позволяют решить следующие проблемы. по ключевым результатам исследований: 11-летняя цикличность до маундеровского минимума и после 1. Экспериментальная проверка фундаментальнего; повышение общего уровня содержания раной идеи о генерации галактических космических диоуглерода в атмосфере Земли во время глубокого лучей при взрыве сверхновых звезд.

минимума солнечной активности; наличие времен2. Определение частоты вспышек сверхновых в ных вариаций во время минимума. Последнее являнашей Галактике.

ется наиболее ярким результатом, так как теория не 3. По временному профилю генерации космопредсказывала модуляцию галактических космичегенных изотопов в результате взрыва сверхновых ских лучей во время практически полного отсутстопределение механизма ускорения частиц в естествия пятен на Солнце.

венном ускорителе частиц.

Анализ полученных экспериментальных данных 4. Природа длительных и глубоких минимумов позволяет сделать следующие выводы.

солнечной активности.

1. Переходы Солнца из нормального состояния 5. Модуляция галактических космических лучей в глубокий минимум активности и после минимума на большой шкале времени (в десятки и сотни раз в обычное состояние осуществляются относительбольшей, чем шкала прямых измерений).

но быстро ( 1 год).

6. Получение ответа на принципиально важный 2. Характер 11-летних вариаций до маундероввопрос, какая может быть максимально возможная ского минимума и после него такой же, как и за поэнергия солнечной вспышки.

следние 50 лет.

7. Даты и масштабы катастрофических событий На рис. 2 приведены первые детальные данные в прошлом.

по содержанию радиоуглерода в эпоху маундеПолученные за последние 30 лет результаты будут ровского минимума [2]. Наглядно видны наличие рассмотрены ниже. Автор был научным руководите11-летних вариаций до минимума, повышение лем общесоюзной проблемы “Астрофизические явсреднего уровня и наличие вариации во время маунления и радиоуглерод” в течение трех десятков лет, деровского минимума. Важно также подчеркнуть, участником и свидетелем развития новой области что в эпоху маундеровского минимума (малый леднауки “экспериментальная палеоастрофизика”.

никовый период) прирост древесных колец был подавлен [5], как, впрочем, и во время глубоких мини мумов Вольфа и Шперера.

400 На основе имеющихся экспериментальных данных нами впервые получен погодичный временной Согласно историческим данным, в прошлом в ход интенсивности галактических космических луистории Солнца существовали такие длительные чей за последние 400 лет. Особый интерес представпромежутки времени, когда на поверхности Солнца ляют зависимости интенсивности Ip галактических не отмечалось ни одного пятна. Ближайший к нам космических лучей и чисел Вольфа W до периода по времени глубокий и длительный минимум Солнца был с 1645 по 1715 год. Этот минимум носит имя Е. Маундера, английского ученого, опубликовав- C, % шего в 1921 году статью о существовании указанно3,го минимума.

Метод космогенных изотопов позволяет полу2,чить количественные данные о модуляции космических лучей в прошлом. Поэтому высокоточные 1,погодичные измерения содержания радиоуглерода в годичных кольцах деревьев за последние 400 лет, 0,включающих периоды до маундеровского минимума, во время и после минимума, были центральной 0,задачей общесоюзной программы “Астрофизические явления и радиоуглерод” [1].

–0,Первая серия измерений была выполнена в 70-е годы [2] в Физико-техническом институте –0,им. А.Ф. Иоффе АН СССР. Второй цикл измерений 1600 1640 1680 был выполнен в Тбилисском государственном уни- Годы верситете [3] в первой половине 80-х годов. Третья серия измерений осуществлена в США в конце 80-х Рис. 2. Временной ход концентрации радиоуглегодов в лаборатории крупного специалиста по рарода в атмосфере Земли в эпоху маундеровского диоуглеродным исследованиям М. Стуйвера [4]. минимума.

, ‹11, глубокого минимума и после него (рис. 3). Видно, За время, прошедшее после обнаружения нами что во время маундеровского минимума пятен на эффекта модуляции интенсивности галактических Солнце было мало. В то же время наблюдалась ва- космических лучей при практическом отсутствии риация интенсивности галактических космических солнечных пятен, достигнут значительный успех в лучей, причем амплитуда была больше, чем за пре- теории солнечной модуляции интенсивности гаделами маундеровского минимума, и характерный лактических космических лучей. Уже предложены период вариации не 11 лет, а близок к 22 годам. конкретные физические процессы, ответственные за 11- и 22-летние циклы.





Нами проведен детальный анализ полученных экспериментальных данных. Установлено, что наи – более сильно выражен в эпоху маундеровского ми нимума период 22 года, что соответствует периоду переполюсовки общего магнитного поля Солнца.

Сформулируем основные свойства маундеровНа основе многолетних систематических измеского минимума:

рений концентрации нитратов в снегах Антарктиды, 1) практически полное отсутствие магнитной выполненных Г. Дрешхофф и Э. Целлером, разрабоактивности в течение 70 лет, тана уникальная методика исследования астрофизических и земных явлений. Она основана на том, 2) достаточно быстрый переход в состояние глучто снег содержит химическую запись процессов бокого минимума и быстрое восстановление солионизации в полярной атмосфере заряженными чанечной активности в конце минимума, стицами, рентгеновскими и гамма-лучами. Антарк3) непредсказанное теорией наличие модуляции тида действует как холодная ловушка, способная интенсивности галактических космических лучей заморозить астрофизические сигналы и сохранить во время глубокого минимума.

их в течение длительного времени.

Общепринято, что солнечное магнитное поле Представляется, что последняя особенность исявляется единственным источником энергии солключительно важна; она подтверждена в эксперинечных космических лучей. Это обусловлено прежментах других авторов по вариации содержания 14С де всего тем, что измеренные в экспериментах велив кольцах деревьев, изотопа 10Ве в полярном льду и чина напряженности магнитного поля Солнца и диаметра Солнца во время маундеровского минимугеометрический размер области способны обеспема. Чрезвычайно важно теперь измерить содержание 14 чить вспышечную энергию. В то же время у нас нет космогенных изотопов С и Ве в датированных выбора: мы не знаем другого источника энергии.

кольцах деревьев и полярном льду соответственно По мере расширения экспериментальных возмождля более древнего минимума солнечной активности:

ностей удается более точно и полно определять осминимум Шперера, длительность которого больше новные характеристики ускоренных во вспышках маундеровского (1450–1550 годы). Он соответствупротонов и электронов (полная энергия всех часет пяти периодам 22-летнего цикла, и более надежтиц, их полное число, мощность генерации частиц и но будут определены характеристики вариаций.

т.д.). При этом все труднее становится интерпретация полученных данных в рамках гипотезы о магнитW ной природе источника энергии. Поскольку напряженность магнитного поля конечна, должен быть Wнабл верхний предел полной энергии Emax, переданной частицам. Поэтому очень важно на опыте установить это значение Emax. Задача очень сложная, поскольку чем больше полная энергия ускоренных –13 –12 –11 –частиц, тем меньше вероятность такого события.

Ip, м–2 с–1 стер–Ясно, что нужен длинный ряд исследований.

Нитратным методом надежно зарегистрированы солнечно-вспышечные протоны от вспышек 1859, 3000 19 – 1946, 1972 годов и др. Это делает вполне реальной задачу обнаружения самой крупной вспышки на основе изучения содержания нитратов в полярных льдах.

1600 1640 1680 В настоящее время активно обсуждается проГоды блема возможных земных проявлений космологических гамма-всплесков. В частности, отмечается, Рис. 3. Временной ход чисел Вольфа W и интенчто гамма-всплески могут оставить след в земной сивности галактических космических лучей Ip в атмосфере в виде нитратов и космогенных изоэпоху маундеровского минимума солнечной активности. топов. Если предположить, что полная энергия.. : гамма-всплеска составляет 1052 эрг и расстояние от имеют метагалактическое происхождение, то поток Земли до источника 1 кпк, то общий поток энергии гамма-квантов должен быть таким, который можно от такого источника у Земли будет 2,7 эрг см- 2 с- 1. вычислить на основе измеренного потока космичеПри этом скорость генерации радиоуглерода будет ских лучей в нашей Галактике. Если же поток гам34 атома см- 2 с- 1, что в 16 раз меньше скорости ге- ма-квантов окажется меньше, то регистрируемые в нерации радиоуглерода галактическими космичес- земных условиях космические лучи имеют галаккими лучами. Скорость генерации другого важного тическое происхождение (то есть они наши). Подкосмогенного изотопа – Ве будет пренебрежимо готовка и реализация такого спутникового экспемала, так как основной диапазон энергии гамма- римента потребовали около 20 лет. В 1993 году квантов во всплесках составляет 30 кэВ–2 МэВ, что экспериментально было получено, что поток гамменьше, чем порог генерации 10Ве на ядре азота. Та- ма-излучения приблизительно на 100 МэВ меньше, ким образом, принципиально возможной является чем если бы космические лучи были метагалактичерегистрация всплеска по радиоуглероду. Однако ского происхождения. Таким образом, давняя идея время жизни радиоуглерода относительно мало В.Л. Гинзбурга о том, что космические лучи имеют (5740 лет) и с помощью радиоуглерода можно охва- галактическое происхождение, получила эксперитить интервал времени в несколько десятков тысяч ментальное подтверждение.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.