Kosmiczne promienie: najszybsi podróżnicy we wszechświecie

Promienie kosmiczne brzmią jak pewnego rodzaju science fiction z kosmosu. Okazuje się, że w wystarczających ilościach są. Z drugiej strony promienie kosmiczne przechodzą przez nas każdego dnia, nie robiąc wiele (jeśli w ogóle szkód). Czym więc są te tajemnicze części kosmicznej energii?

Termin „promień kosmiczny” odnosi się do cząstek o dużej prędkości, które podróżują we wszechświecie. Są wszędzie. Są bardzo duże szanse, że promienie kosmiczne przeszły przez ciało każdego człowieka w tym czy innym czasie, szczególnie jeśli żyją na dużych wysokościach lub latają samolotem. Ziemia jest dobrze chroniona przed wszystkimi, oprócz najbardziej energetycznych z tych promieni, więc tak naprawdę nie stanowią dla nas zagrożenia w naszym codziennym życiu.

Promienie kosmiczne dostarczają fascynujących wskazówek do obiektów i wydarzeń w innych częściach wszechświata, takich jak śmierć masywnych gwiazd (zwanych wybuchy supernowych) i aktywność na Słońcu, więc astronomowie badają je za pomocą balonów na dużych wysokościach i instrumentów kosmicznych. Badania te zapewniają nowy, ekscytujący wgląd w pochodzenie i ewolucję gwiazd i galaktyk we wszechświecie.

Promienie kosmiczne to bardzo naładowane cząstki o wysokiej energii (zwykle protony), które poruszają się w pobliżu prędkość światła. Niektóre pochodzą ze Słońca (w postaci cząstek energii słonecznej), podczas gdy inne są wyrzucane z wybuchów supernowych i innych zdarzeń energetycznych w przestrzeni międzygwiezdnej (i międzygalaktycznej). Kiedy promienie kosmiczne zderzają się z ziemską atmosferą, wywołują opady zwane „cząstkami wtórnymi”.

Istnienie promieni kosmicznych znane jest od ponad wieku. Po raz pierwszy zostały odnalezione przez fizyka Victora Hessa. W 1912 r. Wprowadził na rynek balony pogodowe o wysokiej dokładności, aby zmierzyć szybkość jonizacji atomów (to znaczy, jak szybko i jak często atomy są pod napięciem) w górne warstwy ziemskiej atmosfery. Odkrył, że szybkość jonizacji była znacznie większa, im wyższy wzrósłeś w atmosferze - odkrycie, za które później zdobył nagrodę Nobla.

To leciało w obliczu konwencjonalnej mądrości. Jego pierwszym instynktem, jak to wyjaśnić, było to, że pewne zjawisko słoneczne tworzyło ten efekt. Jednak po powtórzeniu eksperymentów podczas zaćmienia Słońca uzyskał te same wyniki, skutecznie wykluczając jakiekolwiek pochodzenie słoneczne, dlatego też doszedł do wniosku, że w atmosferze musi znajdować się wewnętrzne pole elektryczne powodujące obserwowaną jonizację, chociaż nie mógł wywnioskować, jakie jest źródło pola byłoby.

Minęło ponad dekadę później, zanim fizyk Robert Millikan był w stanie udowodnić, że pole elektryczne w atmosferze obserwowane przez Hessa było zamiast tego strumieniem fotonów i elektronów. Nazwał to zjawisko „promieniami kosmicznymi”, które przepływały przez naszą atmosferę. Ustalił również, że cząsteczki te nie pochodziły z Ziemi ani ze środowiska bliskiego Ziemi, ale raczej pochodziły z kosmosu. Kolejnym wyzwaniem było ustalenie, jakie procesy lub obiekty mogły je tworzyć.

Od tego czasu naukowcy nadal używają szybko latających balonów, aby unosić się nad atmosferą i próbkować więcej tych szybkich cząstek. Region nad Antarticą na biegunie południowym jest ulubionym miejscem startu, a wiele misji zebrało więcej informacji na temat promieni kosmicznych. Tam, w National Science Balloon Facility, odbywa się rocznie kilka lotów z instrumentami. „Liczniki promieni kosmicznych”, które niosą, mierzą energię promieni kosmicznych, a także ich kierunki i intensywności.

The Międzynarodowa Stacja Kosmicznazawiera także instrumenty badające właściwości promieni kosmicznych, w tym eksperyment Kosmicznej Promieni Energetycznej i Masowej (CREAM). Zainstalowany w 2017 roku ma trzyletnią misję gromadzenia jak największej ilości danych na temat tych szybko poruszających się cząstek. CREAM zaczął się od eksperymentu balonowego i latał siedem razy między 2004 a 2016 rokiem.

Ponieważ promienie kosmiczne składają się z naładowanych cząstek, ich ścieżki mogą zostać zmienione przez dowolne pole magnetyczne, z którym się zetknie. Oczywiście obiekty takie jak gwiazdy i planety mają pola magnetyczne, ale istnieją także międzygwiezdne pola magnetyczne. To sprawia, że ​​przewidywanie, gdzie (i jak silne) pola magnetyczne są niezwykle trudne. A ponieważ te pola magnetyczne utrzymują się w całej przestrzeni, pojawiają się we wszystkich kierunkach. Dlatego nie jest zaskakujące, że z naszego punktu obserwacyjnego na Ziemi wydaje się, że promienie kosmiczne nie docierają z żadnego punktu w kosmosie.

Ustalenie źródła promieni kosmicznych okazało się trudne przez wiele lat. Istnieją jednak pewne założenia, które można przyjąć. Po pierwsze, natura promieni kosmicznych jako cząstek o bardzo wysokiej energii naładowanych sugeruje, że są one wytwarzane przez dość potężne działania. Zdarzenia takie jak supernowe lub regiony wokół czarnych dziur wydawały się być prawdopodobnymi kandydatami. Słońce emituje coś podobnego do promieni kosmicznych w postaci wysokoenergetycznych cząstek.

W 1949 roku fizyk Enrico Fermi zasugerował, że promienie kosmiczne były po prostu cząsteczkami przyspieszanymi przez pola magnetyczne w międzygwiezdnych chmurach gazowych. A ponieważ potrzebujesz dość dużego pola do stworzenia promieni kosmicznych o najwyższej energii, naukowcy zaczęli patrzeć na pozostałości supernowych (i inne duże obiekty w kosmosie) jako prawdopodobne źródło.

W czerwcu 2008 roku NASA uruchomiła teleskop gamma znany jako Fermi - nazwany na cześć Enrico Fermi. Podczas Fermi jest teleskopem gamma, jednym z jego głównych celów naukowych było ustalenie pochodzenia promieni kosmicznych. W połączeniu z innymi badaniami promieni kosmicznych za pomocą balonów i instrumentów kosmicznych astronomowie szukają teraz pozostałości po supernowych, i takie egzotyczne obiekty, jak supermasywne czarne dziury jako źródła najbardziej wysokoenergetycznych promieni kosmicznych wykrytych tutaj Ziemia.

• Promienie kosmiczne pochodzą z całego wszechświata i mogą być generowane przez takie zdarzenia, jak wybuchy supernowych.
• Cząsteczki o dużej prędkości są również generowane podczas innych zdarzeń energetycznych, takich jak działania kwazarów.
• Słońce wysyła również promienie kosmiczne w formie lub cząstki energii słonecznej.
• Promienie kosmiczne można wykryć na Ziemi na różne sposoby. Niektóre muzea mają detektory promieniowania kosmicznego jako eksponaty.

• „Ekspozycja na promienie kosmiczne”. Radioaktywność: jod 131, www.radioactivity.eu.com/site/pages/Dose_Cosmic.htm.
• NASA, NASA, imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/cosmic_rays1.html.
• RSS, www.ep.ph.bham.ac.uk/general/outreach/SparkChamber/text2h.html.

Edytowane i zaktualizowane przez Carolyn Collins Petersen.