Kozmični žarki: najhitrejši popotniki v vesolju

Kozmični žarki zvenijo kot nekakšna znanstvenofantastična grožnja iz vesolja. Izkazalo se je, da so v dovolj visokih količinah. Po drugi strani kozmični žarki vsak dan prehajajo skozi nas, ne da bi naredili veliko (če sploh kaj škode). Kaj so torej ti skrivnostni koščki kozmične energije?

Izraz "kozmični žarek" se nanaša na delce visoke hitrosti, ki potujejo po vesolju. Povsod so. Zelo dobre so možnosti, da so kozmični žarki v nekem času prešli skozi telo vsakogar, še posebej, če živijo na visoki nadmorski višini ali so leteli v letalu. Zemlja je dobro zaščitena pred vsemi, razen najbolj energičnih teh žarkov, zato nam v vsakdanjem življenju resnično ne predstavljajo nevarnosti.

Kozmični žarki dajejo očarljive namige predmetom in dogodkom drugod po vesolju, kot so smrti ogromnih zvezd (imenovane eksplozije supernove) in aktivnosti na Soncu, zato jih astronomi preučujejo z uporabo višinskih balonov in vesoljskih instrumentov. Ta raziskava ponuja vznemirljiv nov vpogled v izvor in razvoj zvezd in galaksij v vesolju.

Kozmični žarki so izjemno visoko energijski nabiti delci (ponavadi protoni), ki se gibljejo skoraj na hitrost svetlobe. Nekateri prihajajo s Sonca (v obliki sončnih energijskih delcev), drugi pa se izločijo zaradi eksplozij supernove in drugih energijskih dogodkov v medzvezdnem (in medgalaktičnem) prostoru. Ko se kozmični žarki spopadejo z Zemljino atmosfero, ustvarijo prhe tega, kar imenujemo "sekundarni delci".

Obstoj kozmičnih žarkov je znan že več kot stoletje. Prvi jih je našel fizik Victor Hess. Leta 1912 je na krovu vremenskih balonov lansiral visoko natančne elektrometerje za merjenje hitrosti ionizacije atomov (to je, kako hitro in kako pogosto se atomi napajajo) v zgornje plasti Zemljine atmosfere. Odkril je, da je stopnja ionizacije veliko večja, ko se dvignete v ozračju - odkritje, za katerega je pozneje dobil Nobelovo nagrado.

To je letelo ob običajni modrosti. Njegov prvi nagon, kako to razložiti, je bil, da ta učinek ustvarja neki sončni pojav. Vendar je po ponovitvi svojih eksperimentov v bližnjem Sončevem mrku dosegel enake rezultate, kar je dejansko izključilo kateri koli sončni izvor, zato je sklenil, da mora biti v ozračju nekaj notranjega električnega polja, ki ustvarja opaženo ionizacijo, čeprav ni mogel sklepati, kakšen je vir polja bi bilo.

Več kot desetletje pozneje je fizik Robert Millikan uspel dokazati, da je električno polje v ozračju, ki ga opazi Hess, namesto toka fotonov in elektronov. Ta pojav je poimenoval "kozmični žarki" in pretakali so se skozi naše ozračje. Ugotovil je tudi, da ti delci niso iz Zemlje ali okolice Zemlje, temveč izvirajo iz globokega vesolja. Naslednji izziv je bil ugotoviti, kakšni procesi ali predmeti bi jih lahko ustvarili.

Od tega časa so znanstveniki še naprej uporabljali balone z visoko letečo površino, da bi se dvignili nad atmosfero in vzorčili več teh delcev visoke hitrosti. Območje nad Antartiko na južnem polu je najljubše izstrelišče in številne misije so zbrale več informacij o kozmičnih žarkih. Tam ima Nacionalni znanstveni balon vsako leto več letov, obremenjenih z instrumenti. "Števci kozmičnih žarkov", ki jih nosijo, merijo energijo kozmičnih žarkov, pa tudi njihove smeri in jakosti.

The Mednarodna vesoljska postajavsebuje tudi instrumente, ki preučujejo lastnosti kozmičnih žarkov, vključno s poskusom Cosmic Ray Energetics and Mass (CREAM). Nameščen leta 2017 ima triletno poslanstvo zbrati čim več podatkov o teh hitro premikajočih se delcih. CREAM se je dejansko začel kot eksperiment z balonom, med letoma 2004 in 2016 pa je letel sedemkrat.

Ker so kozmični žarki sestavljeni iz nabitih delcev, lahko njihove poti spreminja katero koli magnetno polje, s katerim pride v stik. Seveda imajo predmeti, kot so zvezde in planeti, magnetna polja, vendar obstajajo tudi medzvezdna magnetna polja. Zato je težko napovedati, kje (in kako močna so) magnetna polja izjemno težko. In ker ta magnetna polja obstajajo skozi ves prostor, se pojavljajo v vse smeri. Zato ni presenetljivo, da se iz naše razgledne točke tukaj na Zemlji zdi, da kozmični žarki ne prihajajo od katere koli točke v vesolju.

Določanje izvora kozmičnih žarkov se je dolga leta izkazalo za težko. Vendar pa obstaja nekaj predpostavk, za katere je mogoče domnevati. Prvič, narava kozmičnih žarkov kot izjemno visoko energijskih nabitih delcev je pomenila, da jih proizvajajo z zelo močnimi dejavnostmi. Tako so bili dogodki, kot so supernove ali regije okoli črnih lukenj, verjetno kandidati. Sonce oddaja nekaj podobnega kozmičnim žarkom v obliki visoko energijskih delcev.

Leta 1949 je fizik Enrico Fermi predlagal, da so kozmični žarki preprosto delci, ki jih magnetna polja pospešujejo v medzvezdnih plinskih oblakih. In ker potrebujete precej veliko polje, da ustvarite kozmične žarke z najvišjo energijo, so znanstveniki na ostanek supernove (in druge velike predmete v vesolju) začeli gledati kot na verjetno vir.

Junija 2008 je NASA lansirala teleskop gama-žarki, znan kot Fermi - imenovan za Enrico Fermi. Medtem Fermi je teleskop z gama-žarki, eden njegovih glavnih znanstvenih ciljev je bil določiti izvor kozmičnih žarkov. Skupaj z drugimi študijami kozmičnih žarkov z baloni in vesoljskimi instrumenti astronomi zdaj iščejo ostanke supernove, in takšni eksotični predmeti, kot so supermasivne črne luknje kot viri za najbolj energijske kozmične žarke, odkrite tukaj Zemljo.

• Kozmični žarki prihajajo iz celotnega vesolja in jih lahko ustvarijo takšni dogodki, kot so eksplozije supernove.
• Delci visoke hitrosti nastajajo tudi pri drugih energijskih dogodkih, kot so kvazarske aktivnosti.
• Sonce oddaja tudi kozmične žarke v obliki ali sončne energijske delce.
• Kozmične žarke lahko na Zemlji zaznamo na različne načine. Nekateri muzeji imajo kot eksponate kozmične detektorje žarkov.

• "Izpostavljenost kozmičnim žarkom." Radioaktivnost: Jod 131, www.radioactivity.eu.com/site/pages/Dose_Cosmic.htm.
• NASA, NASA, zamislite.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/cosmic_rays1.html.
• RSS, www.ep.ph.bham.ac.uk/general/outreach/SparkChamber/text2h.html.

Uredil in posodobil Carolyn Collins Petersen.