Почему рентгеновские телескопы должны быть в космосе?

Рентгеновские (и гамма-лучи) обладают достаточной проникающей способностью. Они могут проходить через твердое вещество с гораздо меньшим затуханием, чем, например, видимый свет.

Но это не значит, что затухание равно нулю. Поместите достаточно «вещей» на пути, и энергия в конечном итоге будет рассеяна или поглощена. В случае с атмосферой это «просто» воздух, но его довольно много. Глубины атмосферы достаточно, чтобы остановить почти все ультрафиолетовое/рентгеновское/гамма-излучение.

На самом деле большинство типов электромагнитного излучения блокируется атмосферой. Но наши глаза видят только прозрачность в видимом свете.

Небольшие молекулы, составляющие большую часть атмосферы ($N_2$,$O_2$,$Ar$) нужно много энергии, чтобы возбудить. Оказывается, видимому свету просто не хватает энергии, чтобы сделать это эффективно, поэтому взаимодействия очень редки. Более энергичные формы (включая рентгеновские лучи) могут ионизировать эти молекулы, поглощая или рассеивая излучение. При достаточно толстом слое удаляется почти все поступающее излучение.

Чтобы немного расширить ответ Боулофреда : рентгеновские фотоны взаимодействуют с электронами. Больше электронов в атоме означает больше взаимодействий, а больше взаимодействий означает меньше проникновения. В общих чертах это означает, что чем тяжелее атом, тем больше в нем электронов и тем труднее рентгеновскому фотону пройти через его твердый кусок, не рассеиваясь и не поглощаясь. Вот почему свинец так эффективен в качестве защиты от рентгеновских лучей.

Чтобы сделать хорошую защиту от рентгеновских лучей из атомов с меньшим количеством электронов в них, вы просто используете более толстый слой, чтобы выполнить свою работу. В этом отношении столб воздуха глубиной около 50 миль так же хорош, как хороший толстый кусок твердого свинца.

Вода прозрачная? В стакане так кажется, но километр воды почти непрозрачен. Глубокий океан темный. Воздух при атмосферном давлении также непрозрачен для рентгеновских лучей в километровом масштабе. Он еще более непрозрачен для длинноволновых «мягких» рентгеновских лучей, когда вы можете быть обеспокоены его непрозрачностью на лабораторном столе.

Но для коротковолнового «жесткого» рентгеновского излучения вам не обязательно летать в космос. Если ваш телескоп находится выше 99% атмосферы, в верхних слоях стратосферы, он сможет функционировать. На заре рентгеновской астрономии большую часть работы мы выполняли со стратостатов.

Для типичного рентгеновского излучения с энергией 20 кэВ я нашел в воздухе коэффициент ослабления плотности 0,0757 м²/кг. Учитывая типичную плотность воздуха 1,2 кг/м³, это дает коэффициент затухания 0,09 м⁻¹. Обратное значение — около 11 метров — дает расстояние, после которого рентгеновский луч в 20 кэВ ослабляется до e⁻¹ своей первоначальной интенсивности. При увеличении в 100 раз большего расстояния — 1,1 км — затухание становится равным e⁻¹⁰⁰. Это число, которое начинается с нуля и имеет более 40 нулей после запятой, прежде чем появится следующая цифра. Так что можно с уверенностью сказать, что атмосфера полностью непрозрачна для фотонов с энергией 20 кэВ.

При 100 кэВ коэффициент ослабления плотности воздуха снижается до 0,0155 м²/кг. Следовательно, средняя длина затухания 1/e увеличивается примерно до 50 метров. Этого все еще недостаточно, чтобы «увидеть» жесткое рентгеновское/мягкое гамма-излучение сквозь атмосферу.

При 10 МэВ коэффициент еще больше уменьшается до 0,00205, что дает расстояние 1/e около 400 метров. Итак, опять же, практически все эти гамма-лучи поглощаются плотной атмосферой между уровнем земли и высотой 3000 метров. На высоте 11 км над землей, типичной для самолетов, плотность воздуха снижается до 0,36391 кг/м³, что приводит к затуханию 1/e для пучка с энергией 10 МэВ на расстоянии 1340 метров. Это дает вам крошечную возможность столкнуться с гамма-квантами с энергией 10 МэВ, которые летят к Земле из космоса или генерируются частицами солнечного ветра, попадающими в атмосферу на высоте 25 км и выше.

На легендарном «Конкорде» — высота полета 18 км и плотность окружающего воздуха всего 0,1 кг/м³ — длина 1/е еще увеличивается почти до 5 километров. Поскольку воздух также быстро разрежается на большей высоте, те кванты с энергией 10 МэВ, идущие сверху и направляющиеся прямо вниз, имеют высокую вероятность достичь «Конкорда» и его пассажиров. Хорошая новость: будучи такой энергичной, большинство этих 10 МэВ-квантов просто пройдут сквозь них и не отдадут много энергии самолету и его пассажирам.

Частицы с энергией ТэВ достаточно сильны, чтобы проникнуть в атмосферу и удариться о землю. Но поскольку эти частицы редки, прямые попадания в счетчики на поверхности тоже очень редки. Но проникая сквозь атмосферу, они постоянно отдают энергию, а именно черенковское излучение, и эту энергию можно измерить в ночное время. Это превращает атмосферу Земли в один огромный черенковский счетчик космических ТэВ-частиц.

Хорошее начало чтения здесь: https://arxiv.org/abs/astro-ph/0701766 https://www.hawc-observatory.org/science/detection.php

Итак, да, НЕКОТОРОЕ космическое излучение можно обнаружить через атмосферу на уровне земли. Но для рентгеновских лучей и гамма-лучей с низкими и средними энергиями атмосфера непрозрачна, и для их измерения нужно отправляться в космос (или на очень высоко летающие воздушные шары).