ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПАЛЕОАСТРОФИЗИКА

Экспериментальная палеоастрофизика - 1. Введение Экспериментальная палеоастрофизика – это область науки, охватывающая совокупность астрофизических явлений, сигналы от которых достигли Солнечной системы до возникновения инструментальной астрономии, начавшейся с момента создания Галилеем зрительной трубы; возраст инструментальной астрономии не превышает 400 лет, что значительно меньше продолжительности существования земной цивилизации и, конечно же, меньше миллионов и миллиардов лет – возраста нашей Галактики и Вселенной в целом. Известно, что на Земле существуют естественные архивы космических частиц и излучений, имеющих хорошую память об астрономических явлениях на большой шкале времени в прошлом. Это кольца деревьев, кораллы, полярный лед, донные отложения морей и океанов, сталактиты и т. д. Космические лучи, генерируемые естественными ускорителями частиц в космосе, непрерывно бомбардируют земную атмосферу, инициируя различные ядерные реакции. В них образуются радиоактивные ядра, такие, как 14C и 10Be. 14C – один из радиоактивных изотопов углерода, с периодом полураспада 5730 лет. 10Be тоже радиоактивный изотоп с периодом 1,5 млн лет. Генерируемый космическими лучами радиоуглерод окисляется до 14CO2 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 100 тыс. лет назад по сталагмитам, кораллам, полярному льду). Свойства 10Be отличаются от свойств 14CO2 тем, что в атмосфере 10Be прилипает к пылинкам и оседает вместе с ними в донных отложениях морей и океанов, в полярном льду. По изотопу 10Be удается получить необходимое для исследований количество датированного льда за интервал времени вплоть до 200-300 тыс. лет назад. Космические лучи, рентгеновское и гамма-излучения, попадая в атмосферу Земли, также вызывают ионизацию частиц воздуха, генерируя электроны. Обилие электронов влияет на скорость химических процессов, в частности, резко растет концентрация нитратов, которые как в Антарктиде, так и в Арктике переносятся атмосферными вихрями в лед. В ледяных условиях нитраты хорошо сохраняются, так же как и ядра 10Be. Поэтому, измерив независимым методом возраст льда, можно по содержанию нитратов в нем восстановить интенсивность космических протонов, электронов, рентгеновского и гамма-излучения. По имеющимся данным этот метод позволяет охватить последние несколько десятков тысяч лет. Таким образом, существуют два канала информации: космогенные изотопы в различных земных образцах и нитраты в полярном льду. 2. Принцип работы природных детекторов космического излучения На рис. 1 показан принцип работы природных детекторов космического излучения. При попадании в Солнечную систему галактические космические лучи должны преодолеть барьер магнитного поля Солнца. Чем больше энергия частиц и чем меньше солнечная активность, тем легче частицам проникнуть в Солнечную систему. Рис. 1. Принцип работы естественных детекторов космических лучей Таким образом, частицы, проникшие в Солнечную систему, несут информацию как об источнике, где они родились, так и о состоянии солнечной активности. Похожее явление имеет место и при их проникновении через магнитный экран Земли. В ядерных реакциях в атмосфере Земли генерируются разные изотопы и среди них 10Be и 14C – главные объекты рассмотрения. В атомных столкновениях в атмосфере генерируются электроны, которые в конечном итоге увеличивают концентрацию нитратов. Другими словами, говоря языком ядерной физики, атмосфера Земли – детектор космических лучей. Кольца деревьев, кораллы, сталагмиты, полярный лед, донные отложения являются погодичными хранителями информации о ядерных реакциях. Методы датировки меняются в зависимости от типа хранителя информации и времени, прошедшего с момента "запоминания". Кольца деревьев представляются наиболее наглядными с точки зрения датировки. Существуют живые деревья возрастом несколько тысяч лет, например секвойя в США, арча туркестанская. Для того чтобы измерить содержание радиоуглерода в кольце дерева с точностью 0,3 %, требуется примерно 50 г с каждого кольца древесины. Концентрация 14C мала и составляет примерно 10-12 от концентрации основного изотопа 12C. Во всем мире есть несколько лабораторий, в которых проводятся высокоточные погодичные измерения концентрации радиоуглерода. Изотоп 10Be тоже радиоактивный. Однако измерить количество атомов по радиоактивности не удается из-за ее низкого уровня. Кроме того, из-за большого периода полураспада и малой концентрации 10Be во льду (всего 10 млн атомов на 1 кг льда) невозможно получить статистически надежный результат. Концентрация этого изотопа измеряется новым методом, разработанным в начале 80-х годов. Путем сочетания принципов масс-спектрометрии и ускорителя частиц (ускорительная масс-спектрометрия) удается осуществить подсчет атомов 10Be, 36Cl, 14C и др. Десятков граммов древесных колец и нескольких килограммов льда достаточно для измерения количества указанных космогенных изотопов, то есть для решения астрофизических задач. Концентрация нитратов во льду измеряется по методу ультрафиолетовой спектрометрии. К настоящему времени экспериментально охвачены следующие интервалы времени: по 10Be – последние 200 тыс. лет (этот интервал соответствует глубине 2 км льда); по 14C – последние 50 тыс. лет (кольца деревьев, сталактиты, кораллы). Интервал времени по нитратам – 30 тыс. лет, из которых последние 415 лет погодично. Естественные детекторы космического излучения позволяют решить следующие проблемы: 1) экспериментальная проверка фундаментальной идеи о генерации галактических космических лучей при взрыве сверхновых звезд; 2) определение частоты вспышек сверхновых в нашей Галактике; 3) по временному профилю генерации космогенных изотопов в результате взрыва сверхновых определение механизма ускорения частиц в естественном ускорителе частиц; 4) природа длительных и глубоких минимумов солнечной активности; 5) модуляция галактических космических лучей на большой шкале времени (в десятки и сотни раз большей, чем шкала прямых измерений); 6) получение ответа на вопрос, какая может быть максимально возможная энергия солнечной вспышки; 7) даты и масштабы катастрофических событий в прошлом. Вот некоторые результаты. 3. Модуляция галактических космических лучей солнечной активностью за последние 400 лет Согласно историческим данным, в прошлом в истории Солнца существовали такие длительные промежутки времени, когда на поверхности Солнца не отмечалось ни одного пятна. Ближайший к нам по времени глубокий и длительный минимум Солнца был с 1645 по 1715 год. Этот минимум носит имя Е. Маундера, английского ученого, опубликовавшего в 1921 году статью о существовании указанного минимума. Метод космогенных изотопов позволяет получить количественные данные о модуляции космических лучей в прошлом. Поэтому столь важны высокоточные погодичные измерения содержания радиоуглерода в годичных кольцах деревьев за последние 400 лет, включающих периоды до маундеровского минимума, во время и после минимума. Первая серия измерений была произведена в 70-е годы в Физико-техническом институте АН СССР; второй цикл измерений был выполнен в Тбилисском государственном университете в первой половине 80-х годов; третья серия измерений осуществлена в США в конце 80-х годов в лаборатории крупного специалиста по радиоуглеродным исследованиям М. Стуйвера. Во всех трех сериях измерений имеется согласие по ключевым результатам исследований: 11-летняя цикличность до маундеровского минимума и после него; повышение общего уровня содержания радиоуглерода в атмосфере Земли во время глубокого минимума солнечной активности; наличие временных вариаций во время минимума. Последнее – наиболее важный результат, так как теория не предсказывала модуляции галактических космических лучей во время практически полного отсутствия пятен на Солнце. Анализ полученных экспериментальных данных позволил сделать следующие выводы: 1) переходы Солнца из нормального состояния в глубокий минимум активности и из минимума в обычное состояние осуществляются относительно быстро (~1 год); 2) характер 11-летних вариаций до маундеровского минимума и после него такой же, что и за последние 50 лет. На рис. 2 приведены самые первые детальные данные по содержанию радиоуглерода в эпоху маундеровского минимума. Наглядно представлено существование 11-летних вариаций до минимума, повышение среднего уровня и наличие вариаций во время маундеровского минимума. В эпоху маундеровского минимума (малый ледниковый период) прирост древесных колец был подавлен, как и во время других глубоких минимумов, получивших имена Р. Вольфа и Г. Шперера. На основе имеющихся экспериментальных данных построен погодичный временной ход интенсивности галактических космических лучей за последние 400 лет. Особый интерес представляют зависимости интенсивности Ip галактических космических лучей и чисел Вольфа W до периода глубокого минимума и после него (рис. 3). Видно, что во время маундеровского минимума пятен на Солнце было мало. В то же время имела место вариация интенсивности галактических космических лучей, причем амплитуда была больше, чем за пределами маундеровского минимума, и характерный период вариации не 11 лет, а близок к 22 годам. Рис. 2. Временной ход концентрации радиоуглерода в атмосфере Земли в эпоху маундеровского минимума Рис. 3. Временной ход чисел Вольфа W и интенсивности галактических космических лучей Ip в эпоху маундеровского минимума солнечной активности Детальный анализ полученных экспериментальных данных показал, что наиболее сильно выражен в эпоху маундеровского минимума период 22 года, что соответствует периоду переполюсовки общего магнитного поля Солнца. Основные свойства маундеровского минимума: 1) практически полное отсутствие магнитной активности в течение 70 лет; 2) достаточно быстрый переход в состояние глубокого минимума и быстрое восстановление солнечной активности в конце минимума; 3) не предсказанная теорией модуляция интенсивности галактических космических лучей во время глубокого минимума. Последняя особенность подтверждена в экспериментах других авторов по вариации содержания 14C в кольцах деревьев, изотопа 10Be в полярном льду и диаметра Солнца во время маундеровского минимума. Чрезвычайно важно измерить содержание космогенных изотопов 14C и 10Be в датированных кольцах деревьев и в полярном льду, соответственно для более древнего минимума солнечной активности – минимума Шперера, длительность которого больше маундеровского (1450-1550 годы). Он соответствует пяти периодам 22-летнего цикла, и поэтому характеристики вариаций могут быть определены более надежно. За время, прошедшее после обнаружения эффекта модуляции интенсивности галактических космических лучей при практически полном отсутствии солнечных пятен, достигнут значительный успех в теории солнечной модуляции их интенсивности. Предложены конкретные физические процессы, ответственные за 11-летние и 22-летние циклы. 4. Нитраты в полярном льду – новое окно в исследованиях астрофизических явлений в реальном масштабе времени и в далеком прошлом На основе многолетних систематических измерений концентрации нитратов в снегах Антарктиды, сделанных Г. Дрешхофф и Э. Целлером, разработана уникальная возможность исследования астрофизических и земных явлений. Она основана на том, что снег содержит химическую запись процессов ионизации в полярной атмосфере заряженными частицами, рентгеновскими и гамма-лучами. Антарктида действует как холодная ловушка, способная заморозить астрофизические сигналы и сохранить их в течение длительного времени. Общепринято, что солнечное магнитное поле является единственным источником энергии солнечных космических лучей. Это связано c тем, что измеренные в экспериментах величина напряженности магнитного поля Солнца и геометрический размер области энергетически способны обеспечить вспышечную энергию. По мере расширения экспериментальных возможностей удается более точно определять основные характеристики ускоренных во вспышках протонов и электронов (полная энергия всех частиц, их полное число, мощность генерации частиц и т. д.). При этом все труднее становится интерпретация полученных результатов в рамках гипотезы о магнитной природе источника энергии. Поскольку напряженность магнитного поля конечна, должен быть верхний предел полной энергии Emax, переданной частицам. Задача установления Emax очень сложная, поскольку чем больше полная энергия ускоренных частиц, тем меньше вероятность такого события. Поэтому нужен длинный ряд исследований. Нитратным методом надежно зарегистрированы протоны от солнечных вспышек 1859, 1946, 1972 годов и пр. Это делает вполне реальным обнаружение самой крупной вспышки на основе изучения содержания нитратов в полярных льдах. В настоящее время активно обсуждается проблема возможных земных проявленияй космологических гамма-всплесков. В частности, отмечается, что гамма-всплески могут оставить след в земной атмосфере в виде нитратов и космогенных изотопов. Если предположить, что полная энергия гамма-всплеска составляет 1052 эрг и расстояние от Земли до источника 1 кпк, то общий поток энергии от такого источника у Земли будет 2,7 эрг·см-2·с-1 . При этом скорость генерации радиоуглерода будет 34 атома·см-2·с-1, что в 16 раз меньше скорости генерации радиоуглерода галактическими космическими лучами. Скорость генерации другого важного космогенного изотопа – 10Be – будет пренебрежимо мала, так как основной диапазон энергии гамма-квантов во всплесках составляет 30 кэВ-2 МэВ, что меньше, чем порог генерации 10Be на ядре азота. Таким образом, принципиально возможна регистрация всплеска по радиоуглероду. Однако время жизни радиоуглерода относительно мало (5740 лет) и с помощью радиоуглерода можно охватить интервал времени в несколько десятков тысяч лет. За такой интервал времени вероятность события с близким гамма-всплеском очень мала. С точки зрения вероятности "регистрации" хорошим космогенным изотопом является 10Be (шкала времени – сотни тысяч лет). Однако из-за высокого порога генерации изотопа (40-50 МэВ) эффект от гамма-всплеска пренебрежимо мал. Нитратный метод наиболее перспективен для регистрации гамма-всплесков. Оценки показывают, что при полной энергии 1052 эрг и расстоянии 10 кпк полное число нитратных молекул будет 1034 и вполне реальна регистрация гамма-всплеска. 5. Происхождение космических лучей Происхождение космических лучей является одной из ключевых проблем астрофизики высоких энергий в течение нескольких десятилетий. Центральные вопросы: 1) Какое происхождение – галактическое или метагалактическое – имеют космические лучи, регистрируемые в спутниковых, баллонных и наземных экспериментах? 2) Что является источником космических лучей, энергия которых простирается до величины, недоступной для наземных ускорителей частиц? 3) Каков физический механизм ускорения частиц? 4) Как объяснить тот экспериментальный факт, что интенсивность космических лучей практически не меняется во времени? Более 20 лет назад советский физик-теоретик В.Л. Гинзбург сформулировал четкую экспериментальную возможность ответа на первый вопрос: следует сравнить интенсивность космических лучей в нашей Галактике с их интенсивностью в ближайших к нам внегалактических объектах – Магеллановых Облаках. Он предложил детектировать гамма-излучение, генерируемое в Магеллановых Облаках, по взаимодействию с ними космических лучей. Интенсивность гамма-квантов несет информацию о внегалактических космических лучах. Идея была изящна и проста: если космические лучи имеют метагалактическое происхождение, то поток гамма-квантов должен быть таким, который можно вычислить на основе измеренного потока космических лучей в нашей Галактике. Если же поток гамма-квантов окажется меньше, то регистрируемые в земных условиях космические лучи имеют галактическое происхождение (то есть они возникли внутри нашей Галактики). Подготовка и реализация такого спутникового эксперимента потребовала примерно 20 лет. В 1993 году экспериментально получено, что поток гамма-излучения на более чем 100 МэВ меньше, чем если бы космические лучи были метагалактического происхождения. Таким образом, давняя идея В.Л. Гинзбурга о том, что космические лучи имеют галактическое происхождение, получила экспериментальное подтверждение. Возможность генерации космических лучей при взрыве сверхновых звезд была предложена в 1934 году немецкими астрономами В. Бааде и Ф. Цвикки. Эта гипотеза была значительно усилена в начале 50-х годов, когда из астрономических данных стало ясно, что в остатках сверхновых звезд имеется большое количество релятивистских электронов. Проверка этой фундаментальной гипотезы естественно требовала регистрации космических лучей от взрыва сверхновой звезды. Для того чтобы средняя плотность энергии космических лучей (1 эВ/см3) изменилась так, что это изменение можно было бы измерить, требуется взрыв сверхновой звезды на близком от Солнечной системы расстоянии: менее 100 пк (расстояние в 1 пк свет проходит за 3 года). Известно, что в сфере с радиусом в 100 пк взрыв в среднем должен происходить 1 раз в каждые 100 тыс. лет, то есть вероятность взрыва в реальном масштабе времени очень мала. Более того, если даже такой взрыв имел место, то для установления природы источника (сверхновая или нет) требуется проведение непрерывных измерений в течение десятков тысяч лет. Метод космогенных изотопов, рассмотренный выше, позволяет регистрировать космические лучи от взрыва сверхновой в далеком прошлом. Первые экспериментальные результаты по содержанию 10Be в полярном льду за последние 40 тыс. лет были опубликованы в начале 80-х годов. Было обнаружено значительное повышение интенсивности космических лучей в интервале времени 10-40 тыс. лет назад. Полученный временной ход количественно и качественно свидетельствует о взрыве сверхновой звезды вблизи Солнечной системы (на расстоянии не более 50 пк от Солнца) с общим энерговыделением 1050 эрг в космических лучах. Впоследствии новые экспериментальные данные по 14C, 10Be и 36Cl полностью подтвердили (рис. 4, 5) вывод о взрыве в окрестностях Солнца сверхновой 35 тыс. лет тому назад. Таким образом, нет сомнения в существовании максимума генерации космогенного 10Be в кернах льда 35 тыс. лет тому назад; согласно экспериментальным данным имеется синхронное возрастание содержания 10Be в южном и северном полушариях; имеющиеся экспериментальные данные по содержанию космогенного радиоуглерода в земных архивах (кораллы, сталактиты) показывают, что в атмосфере Земли содержание радиоуглерода в интервале времени от 30 до 40 тыс. лет тому назад было в два раза больше, чем в настоящее время; космогенные изотопы 10Be и 14C сильно различаются как механизмом их генерации в атмосфере Земли, так и геофизическим и геохимическим поведением. Все три изотопа 10Be, 14C и 36Cl имеют один источник – космические лучи. Поэтому есть все основания утверждать, что основным источником галактических космических лучей являются взрывы сверхновых звезд. Рис. 4. Экспериментальные данные по содержанию радиоуглерода за последние 50 тыс. лет Рис. 5. Космогенный след взрыва cверхновой звезды в атмосферном радиоуглероде и 10Be Надежность максимума 35 тыс. лет тому назад не вызывает сомнения. Несколько раньше (около 40 тыс. лет тому назад) также наблюдалось возрастание интенсивности космических лучей. В качестве рабочей гипотезы можно считать, что в интервале времени от 35 до 40 тыс. лет тому назад также есть максимум. Как можно объяснить такой предмаксимум? В любом источнике, в том числе и в сверхновых, ускорение частиц требует времени и это время частицы проводят не в пустоте, а в той же среде, которая снабжает естественный ускоритель частицами. При этом неизбежны ядерные взаимодействия, в результате которых генерируются частицы и гамма-кванты. Гамма-квантам легче (и быстрее) покинуть источник. Гамма-кванты также рождают в атмосфере Земли космогенные изотопы. В связи с этим нельзя исключить, что предымпульс вызван гамма-квантами. В то же время в рамках механизма ускорения на ударных волнах может быть получена двухпиковая структура интенсивности космических лучей от взрыва сверхновой. Поэтому столь важным является получение более детальных экспериментальных данных для интервала времени от 50 до 35 тыс. лет тому назад. 6. Основные итоги и перспективные задачи Наиболее важным итогом следует считать то, что благодаря усилиям ученых многих стран создано новое перспективное научное направление – экспериментальная палеоастрофизика. Среди полученных результатов наиболее фундаментальные следующие: 1) экспериментальное обнаружение не предсказанного теорией явления – модуляции космических лучей Солнцем во время глубокого минимума его активности; 2) впервые зарегистрированы космические лучи от взрыва сверхновой и построен временной профиль этого явления. Наиболее важными представляются следующие задачи. 1) Для сверхновой, вспыхнувшей 35 тыс. лет тому назад, необходимо детально измерить временной профиль предымпульса и путем измерения концентрации изотопов 14C, 10Be, 36Cl в образцах льда установить энергетический спектр космических лучей. 2) Принципиально важно обнаружить на опыте хотя бы одну сверхновую для установления частоты вспышки сверхновых в нашей Галактике. 3) Получить погодичные данные по космогенным изотопам для еще хотя бы одного глубокого минимума Солнца – шпереровского минимума. Если и в этом случае будет установлена модуляция космических лучей с периодом 22 года, проблема модуляции станет одной из центральных в астрофизике космических лучей и в физике Солнца. 4) Коррелированные исследования радиоуглеродным и нитратным методами обещают ответить на один из ключевых вопросов физики Солнца – каков механизм энергетического обеспечения солнечных вспышек. 5) В статье рассмотрены только земные детекторы космических лучей. Имеются и космические архивы радиационной истории. Метеориты непрерывно облучаются космическими лучами, и неизбежно в них генерируются космогенные изотопы. Установление космогенного следа от сверхновой 35 тыс. лет тому назад чрезвычайно важно, так как вся имеющаяся информация получена только из земных архивов. Для исследований нужен метеорит, космический возраст которого не очень большой. В противном случае фон накопленного интересующего нас изотопа будет большим и не удастся обнаружить эффект взрыва сверхновой. Таким образом, возможности экспериментальной палеоастрофизики очень широкие как для изучения уникальных мощных явлений, так и радиационной истории Солнечной системы и Галактики в целом. Литература Константинов Б.П., Кочаров Г.Е. Доклады Академии наук СССР. 1965. Т. 165. 63. Биологические основы дендрохронологии . Вильнюс, Ленинград, 1975. Гинзбург В.Л. Успехи физич. наук. 1996. Т. 166. 2. С. 169.