Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 478-481

ВВЕДЕНИЕ

Аппаратура НУКЛОН [1–4] была разработана в сотрудничестве НИИЯФ МГУ, ОИЯИ (Дубна) и ряда других российских научных и промышленных центров. Прибор был размещен на борту спутника РЕСУРС-П № 2. Орбита космического аппарата является гелиосинхронной, с наклонением 97.276 и средней высотой 475 км. Спутник был запущен 26 декабря 2014 г. и проработал около трех лет. Целью эксперимента является измерение химического состава и энергетических спектров космических лучей в области 2–500 ТэВ. Для измерения энергии одновременно с традиционным ионизационным калориметром использовалась новая методика KLEM (kinematic lightweight energy meter) [1, 5]. Эффективный геометрический фактор составляет более 0.2 м² · ср для системы KLEM и около 0.06 м² · ср для калориметра. Система измерения заряда обеспечивает разрешение 0.15–0.20 зарядовой единицы.

СПЕКТРЫ РАЗНЫХ КОМПОНЕНТ И ИХ ОТНОШЕНИЯ

Изучение спектров ядер отдельных компонент является частью исследований области энергий, предшествующей основному “колену” в спектре [2–4]. Получены важные результаты по протонно-ядерной компоненте космических лучей. В ходе обработки данных эксперимента НУКЛОН обнаружено новое универсальное “колено” во всех группах ядер, от протонов до железа [2]. Универсальность означает одно и то же положение колена в шкале магнитной жесткости для всех групп ядер – в области 10 ТВ. Колено наблюдается с использованием обоих методов измерения энергии частиц, реализованных в обсерватории НУКЛОН – калориметрическим методом и кинематическим методом KLEM (Kinematic Lightweight Energy Meter). Новое “колено” космических лучей, вероятно, связано с пределом ускорения достаточно широко распространенным или ближним источником космических лучей. Спектр протонов с “коленом” показан на рис. 1a.

Рис. 1.

Cпектр протонов (а), отношение спектров p и He (б), отношение спектров He и C + O (в), отношение спектров p и C + O (г).

Поскольку процессы ускорения и распространения космических лучей определяются магнитными жесткостями частиц, целесообразно рассматривать и сравнивать измеренные спектры также по жесткости.

Как указывалось выше, все спектры обильных ядер имеют излом по магнитной жесткости в области ~10 ТВ [2]. При этом есть и заметные различия спектров разных компонент, которые видны при анализе их отношений.

Спектры протонов и ядер гелия сравнивались с данными других экспериментов. В эксперименте AMS02 [6, 7] спектры космических лучей по магнитной жесткости были получены до 1.8 ТВ для протонов и до 3 ТВ для ядер гелия. Параметризация проводилась как для самих спектров, так и для их отношения. Оба спектра становятся более жесткими при магнитных жесткостях выше 200–350 ГВ. При этом наклон зависимости отношения спектров уменьшается с 0.15 при 10 ГВ до 0.077 для области выше 45 ГВ. Данные эксперимента НУКЛОН получены для области магнитных жесткостей выше 2 ТВ, что выходит за верхний предел рабочего диапазона эксперимента AMS02.

Одной из основных характеристик химического состава космических лучей, отражающих физические процессы их ускорения и распространения, является отношение потоков протонов и ядер гелия при различных значениях магнитной жесткости. Зависимость этого отношения от магнитной жесткости представлена на рис. 1б. Для жесткостей меньше 2 ТВ показаны точки из данных эксперимента AMS02 [6, 7]. Сопоставление данных различных экспериментов показывает, что доля протонов в диапазоне 0.1–1 ТВ падает с ростом жесткости, но при больших жесткостях (выше нескольких ТВ) выходит на почти постоянный уровень.

Была сделана оценка наклона зависимости отношения потоков протонов и ядер гелия от магнитной жесткости. Показатель наклона оценивается как 0.063 ± 0.010 (стат.) ± 0.031 (сист.) для методики KLEM и 0.095 ± 0.163 для ионизационного калориметра в области выше 4 ТВ.

Зарядовый состав космических лучей в области излома существенно отличается от состава в области магнитных жесткостей ~100 ГВ, измеренного в эксперименте AMS02. Отношение потоков протонов и ядер гелия равно 2.98 ± 0.03 (стат.) ± ± 0.09 (сист.) (R ~ 5 TВ), 2.68 ± 0.07 (стат.) ± ± 0.20 (сист.) (R ~ 20 TВ), тогда как при ~100 ГВ это отношение составляет 4.46 ± 0.20 [8].

В [9] были исследованы спектры по магнитной жесткости ядер углерода и кислорода по данным эксперимента НУКЛОН и ряда других экспериментов. Спектры в области жесткостей выше 300–500 ГВ более пологие, чем спектры, измеренные в различных экспериментах при меньшей жесткости. В области ~10 ТВ наблюдается излом, аналогичный “колену” в спектрах других компонент. На рис. 1в показана зависимость отношения спектра ядер гелия и суммарного спектра ядер углерода и кислорода по магнитной жесткости, а на рис. 1г – аналогичное отношение спектра протонов и того же спектра углерода и кислорода. Видно, что спектр ядер углерода и кислорода более мягкий, чем спектр гелия в области, предшествующей излому, но наклон спектра ядер C, O не отличается от спектра протонов в области, предшествующей “колену”.

Впервые на материале эксперимента НУКЛОН удалось провести сравнение прямых измерений спектра всех частиц с данными ШАЛ. Такие эксперименты, в отличие от прямых измерений, позволяют получить высокую статистику, но при этом их результат существенно зависит от используемых моделей ядерных взаимодействий, а определить тип частицы в индивидуальном случае невозможно. В лучшем случае, определяется средний логарифм массового числа как характеристика потока космических лучей.

Данные этих экспериментов хорошо согласуются с данными эксперимента НУКЛОН в области их пересечения как по абсолютной интенсивности, так и по форме спектра (см. рис. 2a). Заметно отклонение энергетического спектра от степенного вида, вызванное изломом в спектре по жесткости. Энергетический спектр всех частиц является суперпозицией спектров разных компонент, поэтому его укручение более плавно, чем в шкале жесткости. Соединение данных по составу космических лучей, полученных из прямого эксперимента НУКЛОН, и результатов детального измерения суммарного энергетического спектра в ШАЛ с высокой статистикой дает возможность получить новую астрофизическую информацию.

Рис. 2.

Энергетический спектр всех частиц (а), спектр Ni (б), отношение спектров B/C (в), отношение спектров N/O (г).

В ходе эксперимента НУКЛОН измерен спектр ядер никеля высоких энергий (до ~40 ТэВ, см. рис. 2б), что дает важную информацию о процессах нуклеосинтеза. Спектр никеля имеет наклон 2.83 ± 0.09 [11]. Это значение отличается от наклона спектра железа 2.64 ± 0.02 [11]. Отличие спектров может отражать свойства процессов нуклеосинтеза и ускорения космических лучей.

С хорошей статистикой получены спектры вторичных ядер высоких энергий и их отношения к первичным (B/C, N/O, см. рис. 2в, 2г [12 ] . В области высоких энергий (>500 ГэВ/нуклон) эти отношения выходят на плато, т.е. спектры вторичных ядер становятся подобными спектру первичных. Возможно, это связано с астрофизическими процессами. При высоких энергиях пробег первичных ядер в межзвездной среде оказывается сравним с пробегом в источниках, и мы наблюдаем спектр вторичных ядер, образовавшихся в источниках и ускорявшихся вместе с первичными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обнаружено универсальное “колено” в спектре по магнитной жесткости. В области ~10 ТВ спектры становятся более мягкими. Из сравнения спектров ядер C, O с данными AMS-02 в области 200–300 ГВ происходит выполаживание спектров. Отношение спектров протонов и ядер гелия с ростом жесткости падает, но в области “колена” выходит на постоянный уровень. Доля гелия растет на участке, предшествующем “колену”, что может говорить о наличии близкого источника, обогащенного гелием. Энергетический спектр всех частиц хорошо согласуется с данными наземных экспериментов. Заметны отличия от степенного вида. Измерен спектр ядер никеля высоких энергий (до ~40 ТэВ), что дает важную информацию о процессах нуклеосинтеза. Получены спектры вторичных ядер и их отношения к первичным. В области высоких энергий (>500 ГэВ/нуклон) эти отношения выходят на плато.