Космические лучи являются важной составляющей Галактики не только потому, что, распространяясь в межзвездном пространстве, они служат зондами, при помощи которых можно изучать его структуру и свойства, но и потому, что они играют важную динамическую роль, оказывая заметное давление на межзвездный газ.
Космические лучи, достигающие земной поверхности, впервые были зарегистрированы в 1912 г., однако лишь недавно ученые оценили их значение для астрофизики. Поток космических лучей состоит главным образом из протонов высоких энергий, хотя, как мы увидим, в них представлены также и другие виды частиц.
Большинство протонов являются релятивистскими, т. е. их скорость v близка к скорости света.
Кроме протонов и а-частиц в их состав входят более тяжелые ядра с атомным номером вплоть до 26 (железо). К тому же недавно получены указания на присутствие в них гораздо более тяжелых частиц с атомным номером больше 92 (трансурановые элементы)
Эти свойства означают следующее:
Космические лучи почти несомненно заполняют вселенную, и соответствующая им плотность энергии в межзвездном пространстве равна около 1 эВ/см3. Это значение сравнимо с плотностью энергии света звезд, с плотностью кинетической энергии турбулентных движений межзвездного газа и с плотностью энергии межзвездного магнитного поля. Этот факт и является основанием для нашего утверждения о важной динамической роли космических лучей. Они представляют собой релятивистский газ, давлением которого нельзя пренебрегать. Приблизительное равенство плотностей различных видов энергий, по-видимому, не случайно, однако объяснения ему пока не найдено, несмотря на многочисленные попытки.
Из изотропности потока космических лучей следует, что они движутся от своих источников не по прямым линиям. Это привело к предположению, что межзвездный газ пронизан магнитными полями, которые отклоняют траектории заряженных частиц от первоначального направления движения. Мы увидим, что, как теперь известно, такое предположение оказалось правильным.
Энергетический спектр космических лучей дает некоторую информацию о механизме их первичного ускорения, однако сам механизм пока еще не ясен. Неизвестно также, где находятся источники космических лучей, хотя весьма правдоподобно доказывалось, что их источниками могут быть взрывы- сверхновых и, возможно, имеется связь с пульсарами. Как мы знаем из лабораторных экспериментов и изучения процессов, происходящих в межпланетном пространстве и в солнечных вспышках, неустойчивости, возникающие в ионизованном газе (плазме), пронизанном магнитными полями, приводят к ускорению отдельных протонов до высоких энергий. Такие же процессы с успехом могут идти в более грандиозных масштабах во время взрыва сверхновой, хотя мы еще не знаем, насколько важна в этом случае роль магнитного поля. Правда, если за происхождение космических лучей ответственны пульсары, механизм ускорения может сильно отличаться от механизма, действующего в солнечных вспышках.
Химический состав космических лучей также может кое-что сказать о механизме ускорения, однако этот источник информации используется еще не очень эффективно. Но все же уже сделан вывод о том, что космические лучи, прежде чем достичь нас, на пути от источника прошли сквозь некоторую толщу вещества. Об этом можно судить по содержанию лития, бериллия и бора, которое по отношению к водороду в миллионы раз больше, чем в любых небесных телах. Предполагается, что эти легкие элементы имеются в потоке космических лучей, потому что некоторые более тяжелые частицы сталкиваются с атомами межзвездного газа (или газа в самом источнике) и распадаются на более легкие частицы.
К космическим лучам также относятся и другие виды высокоэнергичных частиц и излучений: электроны, рентгеновские лучи, нейтрино.