Was sind kosmische Strahlen?

Energetische kosmische Strahlen treffen auf die Spitze der Erde

Schauer von hochenergetischen Teilchen treten auf, wenn energiereiche kosmische Strahlen auf die Erdatmosphäre treffen. Die meisten kosmischen Strahlen sind Atomkerne: die meisten sind Wasserstoffkerne, einige sind Heliumkerne und der Rest schwerere Elemente. Obwohl viele der niederenergetischen kosmischen Strahlen von unserer Sonne stammen, bleibt der Ursprung der kosmischen Strahlung mit der höchsten Energie unbekannt und Gegenstand vieler Forschungen. Diese Zeichnung illustriert Luftschauer von sehr hochenergetischen kosmischen Strahlen. (Bildnachweis: Simon Swordy (U. Chicago), NASA)





Kosmische Strahlung sind Atomfragmente, die von außerhalb des Sonnensystems auf die Erde regnen. Sie lodern mit Lichtgeschwindigkeit und werden für Elektronikprobleme in Satelliten und anderen Maschinen verantwortlich gemacht.

1912 entdeckt, bleiben viele Dinge über die kosmische Strahlung mehr als ein Jahrhundert später ein Rätsel. Ein Paradebeispiel ist genau, woher sie kommen. Die meisten Wissenschaftler vermuten, dass ihre Ursprünge mit Supernovae (Sternexplosionen) zusammenhängen, aber die Herausforderung besteht darin, dass die Ursprünge der kosmischen Strahlung viele Jahre lang für Observatorien, die den gesamten Himmel untersuchen, einheitlich erschienen.

Ein großer Sprung nach vorne in der Wissenschaft der kosmischen Strahlung kam 2017, als das Pierre-Auger-Observatorium (das sich über 3.000 Quadratkilometer oder 1.160 Quadratmeilen im Westen Argentiniens erstreckt) untersuchten die Ankunftsbahnen von 30.000 kosmischen Teilchen . Es kam zu dem Schluss, dass es einen Unterschied gibt, wie oft diese kosmische Strahlung eintrifft, je nachdem, wo man hinschaut. Obwohl ihre Ursprünge noch unklar sind, ist das Wissen, wo sie suchen müssen, der erste Schritt, um zu erfahren, woher sie kommen, sagten die Forscher. Die Ergebnisse wurden in Science veröffentlicht.



Kosmische Strahlung kann sogar für Anwendungen außerhalb der Astronomie verwendet werden. Im November 2017 entdeckte ein Forschungsteam eine mögliche Lücke in der um 2560 v. Chr. erbauten Großen Pyramide von Gizeh. kosmische Strahlung nutzen . Diesen Hohlraum fanden die Forscher mit einer Myontomographie, die kosmische Strahlung und deren Durchdringung durch feste Objekte untersucht.

Geschichte

Während kosmische Strahlung erst in den 1900er Jahren entdeckt wurde, wussten Wissenschaftler bereits in den 1780er Jahren, dass etwas Mysteriöses vor sich ging. Zu diesem Zeitpunkt beobachtete der französische Physiker Charles-Augustin de Coulomb – am besten bekannt für die nach ihm benannte Einheit der elektrischen Ladung – eine elektrisch geladene Kugel plötzlich und auf mysteriöse Weise nicht mehr geladen.

Luft galt damals als Isolator und nicht als elektrischer Leiter. Mit mehr Arbeit entdeckten Wissenschaftler jedoch, dass Luft Elektrizität leiten kann, wenn ihre Moleküle geladen oder ionisiert sind. Dies würde am häufigsten passieren, wenn die Moleküle mit geladenen Teilchen oder Röntgenstrahlen wechselwirken.



Aber woher diese geladenen Teilchen kamen, war ein Rätsel; selbst Versuche, die Ladung mit großen Mengen Blei zu blockieren, blieben vergeblich. Am 7. August 1912 flog der Physiker Victor Hess einen Höhenballon auf 5.300 Meter. Dort entdeckte er dreimal mehr ionisierende Strahlung als am Boden, was bedeutete, dass die Strahlung aus dem Weltraum kommen musste.

Aber es dauerte mehr als ein Jahrhundert, die „Ursprungsgeschichten“ der kosmischen Strahlung aufzuspüren. Im Jahr 2013 veröffentlichte das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA Ergebnisse von Beobachtung von zwei Supernova-Überresten in der Milchstraße: IC 433 und W44 .

Zu den Produkten dieser Sternexplosionen gehören Gammastrahlungsphotonen, die (im Gegensatz zur kosmischen Strahlung) nicht von Magnetfeldern beeinflusst werden. Die untersuchten Gammastrahlen hatten die gleiche Energiesignatur wie subatomare Teilchen, die als neutrale Pionen bezeichnet werden. Pionen entstehen, wenn Protonen in einem Magnetfeld innerhalb der Stoßwelle der Supernova stecken bleiben und aufeinanderprallen.



Mit anderen Worten, die übereinstimmenden Energiesignaturen zeigten, dass sich Protonen innerhalb von Supernovae mit ausreichender Geschwindigkeit bewegen können, um kosmische Strahlung zu erzeugen.

Aktuelle Wissenschaft

Wir wissen heute, dass galaktische kosmische Strahlung Atomfragmente wie Protonen (positiv geladene Teilchen), Elektronen (negativ geladene Teilchen) und Atomkerne sind. Obwohl wir jetzt wissen, dass sie in Supernovas erzeugt werden können, gibt es möglicherweise andere Quellen für die Erzeugung kosmischer Strahlung. Es ist auch nicht genau klar, wie Supernovae diese kosmische Strahlung so schnell machen können.

Kosmische Strahlung regnet ständig auf die Erde herab, und während die hochenergetischen 'primären' Strahlen mit Atomen in der oberen Atmosphäre der Erde kollidieren und selten bis zum Boden vordringen, werden 'sekundäre' Teilchen von dieser Kollision ausgestoßen und erreichen uns auf der Boden.

Aber bis diese kosmische Strahlung die Erde erreicht, ist es unmöglich, ihre Herkunft zu verfolgen. Das liegt daran, dass sich ihr Weg geändert hat, als sie durch mehrere Magnetfelder reisten (die der Galaxie, des Sonnensystems und der Erde selbst).

Wissenschaftler versuchen, den Ursprung der kosmischen Strahlung zurückzuverfolgen, indem sie sich ansehen, woraus die kosmische Strahlung besteht. Wissenschaftler können dies herausfinden, indem sie sich die spektroskopische Signatur ansehen, die jeder Kern in Strahlung abgibt, und auch durch Abwägen der verschiedenen Isotope (Typen) von Elementen, die auf Detektoren für kosmische Strahlung treffen.

Das Ergebnis, fügt die NASA hinzu, zeigt sehr häufige Elemente im Universum. Ungefähr 90 Prozent der Kerne der kosmischen Strahlung bestehen aus Wasserstoff (Protonen) und 9 Prozent sind Helium (Alphateilchen). Wasserstoff und Helium sind die am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum und der Ursprungspunkt für Sterne, Galaxien und andere große Strukturen. Das verbleibende 1 Prozent sind alle Elemente, und von diesem 1 Prozent können Wissenschaftler am besten nach seltenen Elementen suchen, um Vergleiche zwischen verschiedenen Arten von kosmischer Strahlung anzustellen. Die Zusammenarbeit mit dem Pierre-Auger-Observatorium fand 2017 einige Variationen in den Ankunftsbahnen der kosmischen Strahlung und lieferte einige Hinweise darauf, woher die Strahlen stammen könnten.

Wissenschaftler können die kosmische Strahlung auch datieren Blick auf radioaktive Kerne, die mit der Zeit abnehmen . Die Messung der Halbwertszeit jedes Kerns gibt eine Schätzung darüber, wie lange sich die kosmische Strahlung im Weltraum befindet.

Im Jahr 2016 fand eine NASA-Raumsonde heraus, dass die meisten kosmischen Strahlen wahrscheinlich von (relativ) nahen Haufen massereicher Sterne stammen. Die Raumsonde Advanced Composition Explorer (ACE) der Agentur kosmische Strahlung mit einer radioaktiven Form von Eisen nachgewiesen bekannt als Eisen-60. Da diese Form der kosmischen Strahlung im Laufe der Zeit abgebaut wird, muss sie nach Schätzungen der Wissenschaftler nicht mehr als 3.000 Lichtjahre von der Erde entfernt entstanden sein – die äquivalente Entfernung der Breite des lokalen Spiralarms in der Milchstraße.

Ein Experiment namens ISS-CREAM (Cosmic Ray Energetics and Mass) 2017 zur Internationalen Raumstation ISS gestartet . Es wird voraussichtlich drei Jahre lang betrieben und beantwortet Fragen wie die Frage, ob Supernovae die meisten Teilchen der kosmischen Strahlung erzeugen, wann die Teilchen der kosmischen Strahlung entstanden sind und ob alle Energiespektren der kosmischen Strahlung durch einen einzigen Mechanismus erklärt werden können. Die ISS beherbergt auch die CALorimetrisches Elektronenteleskop (CALET) , die nach den energiereichsten Arten der kosmischen Strahlung sucht. CALET startete dort im Jahr 2015.

Kosmische Strahlung kann auch mit einem Ballon nachgewiesen werden, beispielsweise durch das Experiment Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER), an dem das Jet Propulsion Laboratory der NASA und mehrere Universitäten beteiligt sind. Es ist mehrmals geflogen, darunter ein 55-tägiger Rekordflug über der Antarktis zwischen Dezember 2012 und Januar 2013. „Mit den Daten dieses Fluges untersuchen wir den Ursprung der kosmischen Strahlung. Insbesondere das Testen des aufkommenden Modells des Ursprungs der kosmischen Strahlung in OB-Assoziationen sowie von Modellen zur Bestimmung, welche Teilchen beschleunigt werden', SuperTIGER-Website sagte .

Citizen Scientists können auch an der Suche nach kosmischer Strahlung teilnehmen indem Sie sich auf der Website crayfis.io registrieren. Dort werden sie am CRAYFIS-Experiment des Labors für Methoden zur Big-Data-Analyse (LAMBDA) der National Research University Higher School of Economics in Russland teilnehmen. Dort untersuchen Forscher ultrahochenergetische kosmische Strahlung mit Mobiltelefonen.

Bedenken hinsichtlich der Weltraumstrahlung

Das Magnetfeld und die Atmosphäre der Erde schützen den Planeten vor 99,9 Prozent der Strahlung aus dem Weltraum. Für Menschen außerhalb des Schutzes des Erdmagnetfeldes wird die Weltraumstrahlung jedoch zu einer ernsthaften Gefahr. Ein Instrument an Bord des Mars-Rovers Curiosity während seiner 253-tägigen Reise zum Mars zeigte, dass die Strahlendosis, die ein Astronaut selbst auf der kürzesten Erd-Mars-Rundreise erhält, etwa 0,66 Sievert betragen würde. Diese Menge ist wie alle fünf oder sechs Tage eine Ganzkörper-CT-Untersuchung.

Eine Dosis von 1 Sievert ist mit einem um 5,5 Prozent erhöhten Risiko für tödliche Krebserkrankungen verbunden. Die normale tägliche Strahlendosis eines durchschnittlichen Erdbewohners beträgt 10 Mikrosievert (0,00001 Sievert).

Der Mond hat keine Atmosphäre und ein sehr schwaches Magnetfeld. Dort lebende Astronauten müssten für ihren eigenen Schutz sorgen, indem sie beispielsweise ihren Lebensraum unter der Erde vergraben.

Der Mars hat kein globales Magnetfeld. Partikel der Sonne haben den größten Teil der Marsatmosphäre zerstört, was zu einem sehr schlechten Schutz vor Strahlung an der Oberfläche führt. Der höchste Luftdruck auf dem Mars entspricht einer Höhe von 35 Kilometern über der Erdoberfläche. In geringer Höhe bietet die Marsatmosphäre einen etwas besseren Schutz vor Weltraumstrahlung.

Im Jahr 2017 führte die NASA einige Upgrades an ihrem Space Radiation Laboratory (das sich im Brookhaven National Laboratory in New York befindet) durch, um weitere Studien darüber durchzuführen, wie kosmische Strahlung Astronauten auf langen Reisen, einschließlich zum Mars, beeinflussen kann. Diese Upgrades ermöglichen es Forschern, die Ionenarten und die Energieintensität aufgrund der Softwaresteuerung einfacher zu ändern.