Kosmiske stråler: de raskeste reisende i universet

Kosmiske stråler høres ut som en slags science-fiction trussel fra det ytre rom. Det viser seg at de er i høye nok mengder. På den annen side passerer kosmiske stråler gjennom oss hver dag uten å gjøre mye (om noen skade). Så, hva er disse mystiske delene av kosmisk energi?

Begrepet "kosmisk stråle" refererer til høyhastighetspartikler som reiser universet. De er overalt. Sjansen er veldig god for at kosmiske stråler har gått gjennom alles kropp på et eller annet tidspunkt, spesielt hvis de bor i stor høyde eller har flydd i et fly. Jorden er godt beskyttet mot alle unntatt de mest energiske av disse strålene, slik at de ikke virkelig utgjør noen fare for oss i hverdagen vår.

Kosmiske stråler gir fascinerende ledetråder til gjenstander og hendelser andre steder i universet, for eksempel dødsfall fra massive stjerner (kalt supernovaeksplosjoner) og aktivitet på solen, så astronomer studerer dem ved hjelp av ballonger i høy høyde og rombaserte instrumenter. Denne forskningen gir spennende ny innsikt i opprinnelsen og utviklingen av stjerner og galakser i universet.

Kosmiske stråler er ekstremt høye energi-ladede partikler (vanligvis protoner) som beveger seg nesten på lysets hastighet. Noen kommer fra Solen (i form av solenergiske partikler), mens andre blir kastet ut fra supernovaeksplosjoner og andre energiske hendelser i det interstellare (og intergalaktiske) rommet. Når kosmiske stråler kolliderer med jordas atmosfære, produserer de dusjer av det som kalles "sekundære partikler".

Eksistensen av kosmiske stråler har vært kjent i mer enn et århundre. De ble først funnet av fysiker Victor Hess. Han lanserte høye nøyaktigheter elektrometre ombord på værballonger i 1912 for å måle ioniseringshastigheten til atomer (det vil si hvor raskt og hvor ofte atomer blir strømmet) øvre lag av jordas atmosfære. Det han oppdaget var at ioniseringsgraden var mye større jo høyere du stiger i atmosfæren - en oppdagelse som han senere vant Nobelprisen for.

Dette fløy i møte med konvensjonell visdom. Hans første instinkt for å forklare dette var at et eller annet solfenomen skapte denne effekten. Men etter å ha gjentatt eksperimentene sine under en nær solformørkelse, oppnådde han imidlertid de samme resultatene, og effektivt utelukket noe solopprinnelse for. Derfor konkluderte med at det må være noe iboende elektrisk felt i atmosfæren som skaper den observerte ioniseringen, selv om han ikke kunne utlede hva kilden til feltet ville vært.

Det var mer enn et tiår senere før fysiker Robert Millikan var i stand til å bevise at det elektriske feltet i atmosfæren observert av Hess i stedet var en strøm av fotoner og elektroner. Han kalte dette fenomenet "kosmiske stråler", og de strømmet gjennom atmosfæren vår. Han bestemte også at disse partiklene ikke var fra Jorden eller det nærmeste jordsmiljøet, men at de heller kom fra dype rom. Neste utfordring var å finne ut hvilke prosesser eller objekter som kunne ha vært å skape dem.

Siden den tid har forskere fortsatt å bruke høytflygende ballonger for å komme over atmosfæren og prøve flere av disse høyhastighetspartiklene. Regionen over Antartica på sørpolen er et foretrukket oppskytingssted, og en rekke oppdrag har samlet mer informasjon om kosmiske stråler. Der er National Science Balloon Facility hjem til flere instrumentbelastede flyvninger hvert år. De "kosmiske stråletellene" de bærer, måler energien fra kosmiske stråler, så vel som deres retninger og intensiteter.

De Internasjonal romstasjoninneholder også instrumenter som studerer egenskapene til kosmiske stråler, inkludert eksperimentet Cosmic Ray Energetics and Mass (CREAM). Installert i 2017, har det et tre-årig oppdrag for å samle inn så mye data som mulig om disse raskt bevegelige partiklene. CREAM begynte faktisk som et ballongeksperiment, og det fløy syv ganger mellom 2004 og 2016.

Fordi kosmiske stråler er sammensatt av ladede partikler, kan banene deres endres av ethvert magnetfelt som den kommer i kontakt med. Naturligvis har gjenstander som stjerner og planeter magnetfelt, men det er også interstellare magnetfelt. Dette gjør det å forutsi hvor (og hvor sterke) magnetiske felt er ekstremt vanskelige. Og siden disse magnetfeltene vedvarer i hele rommet, vises de i alle retninger. Derfor er det ikke overraskende at fra vårt utsiktspunkt her på jorden ser det ut til at kosmiske stråler ikke ser ut til å komme fra noe punkt i rommet.

Å bestemme kilden til kosmiske stråler viste seg vanskelig i mange år. Imidlertid er det noen forutsetninger som kan antas. For det første antydet naturen til kosmiske stråler som ekstremt høyt energiladede partikler at de er produsert av ganske kraftige aktiviteter. Så hendelser som supernovaer eller regioner rundt svarte hull så ut til å være sannsynlige kandidater. Solen avgir noe som ligner kosmiske stråler i form av meget energiske partikler.

I 1949 antydet fysiker Enrico Fermi at kosmiske stråler ganske enkelt var partikler akselerert av magnetiske felt i interstellare gassskyer. Og siden du trenger et ganske stort felt for å lage kosmiske stråler med høy energi, begynte forskere å se på supernovarester (og andre store objekter i rommet) som den sannsynlige kilden.

I juni 2008 lanserte NASA en gamma-ray teleskop kjent som Fermi - oppkalt etter Enrico Fermi. Samtidig som Fermi er et gammastråle-teleskop, et av dets viktigste vitenskapelige mål var å bestemme opprinnelsen til kosmiske stråler. Sammen med andre studier av kosmiske stråler fra ballonger og rombaserte instrumenter, ser astronomer nå etter supernova-rester, og slike eksotiske objekter som supermassive sorte hull som kilder for de mest energiske kosmiske strålene som er oppdaget her på Jord.

• Kosmiske stråler kommer fra hele universet og kan genereres av slike hendelser som supernovaeksplosjoner.
• Høyhastighetspartikler genereres også i andre energiske hendelser som kvasaraktiviteter.
• Solen sender også ut kosmiske stråler i form eller solenergiske partikler.
• Kosmiske stråler kan oppdages på jorden på forskjellige måter. Noen museer har kosmiske stråledetektorer som utstillinger.

• “Kosmisk stråleeksponering.” Radioaktivitet: Jod 131, www.radioactivity.eu.com/site/pages/Dose_Cosmic.htm.
• NASA, NASA, imag.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/cosmic_rays1.html.
• RSS, www.ep.ph.bham.ac.uk/general/outreach/SparkChamber/text2h.html.

Redigert og oppdatert av Carolyn Collins Petersen.