Čo sú to kozmické lúče?

Energetické kozmické lúče zasiahli vrchol Zeme

K sprchám častíc s vysokou energiou dochádza, keď energetické kozmické lúče dopadnú na vrchol zemskej atmosféry. Väčšina kozmických lúčov sú atómové jadrá: väčšina sú jadrá vodíka, niektoré jadrá hélia a zvyšok ťažšie prvky. Napriek tomu, že mnohé nízkoenergetické kozmické lúče pochádzajú z nášho Slnka, pôvod kozmického žiarenia s najvyššou energiou zostáva neznámy a je predmetom mnohých výskumov. Táto kresba ilustruje vzduchové sprchy z kozmických lúčov s veľmi vysokou energiou. (Obrazový kredit: Simon Swordy (U. Chicago), NASA)



Kozmické lúče sú úlomky atómu, ktoré padajú na Zem zvonku slnečnej sústavy. Planú rýchlosťou svetla a vinia ich z problémov s elektronikou v satelitoch a iných strojoch.



Objavené v roku 1912, veľa vecí o kozmickom žiarení zostáva záhadou aj o viac ako storočie neskôr. Jeden ukážkový príklad je presne to, odkiaľ pochádzajú. Väčšina vedcov má podozrenie, že ich pôvod je spojený so supernovami (výbuchmi hviezd), ale výzvou je, že pôvod v kozmickom žiarení bol dlhé roky pre observatóriá skúmajúce celú oblohu jednotný.

Veľký skok v oblasti vedy o kozmickom žiarení nastal v roku 2017, keď bolo observatórium Pierra Augera (ktoré sa rozprestiera na 3 000 štvorcových kilometroch alebo 1 160 štvorcových míľach v západnej Argentíne) študoval trajektórie príchodu 30 000 kozmických častíc . Dospela k záveru, že je rozdiel v tom, ako často tieto kozmické lúče prichádzajú, v závislosti od toho, kam sa pozriete. Napriek tomu, že ich pôvod je stále nejasný, vedieť, kde hľadať, je prvým krokom pri zisťovaní, odkiaľ prišli, uviedli vedci. Výsledky boli publikované v časopise Science.



Kozmické lúče môžu byť dokonca použité aj mimo astronómie. V novembri 2017 výskumný tím zistil možnú prázdnotu vo Veľkej pyramíde v Gíze, ktorá bola postavená okolo roku 2560 pred n. L. pomocou kozmického žiarenia . Vedci našli túto dutinu pomocou miónovej tomografie, ktorá skúma kozmické lúče a ich prieniky pevnými predmetmi.

História

Zatiaľ čo kozmické lúče boli objavené až v 20. storočí, vedci vedeli, že už v 80. rokoch 17. storočia sa deje niečo tajomné. Vtedy francúzsky fyzik Charles-Augustin de Coulomb-známy predovšetkým tým, že po ňom pomenoval jednotku elektrického náboja-pozoroval, že sa elektricky nabitá sféra náhle a záhadne už nenabíja.

V tej dobe bol vzduch považovaný za izolátor a nie za elektrický vodič. S väčším úsilím vedci však zistili, že vzduch môže viesť elektrický prúd, ak sú jeho molekuly nabité alebo ionizované. Najčastejšie sa to stane, keď molekuly interagujú s nabitými časticami alebo röntgenovým žiarením.



Kde však tieto nabité častice pochádzajú, bolo záhadou; dokonca aj pokusy o zablokovanie náboja veľkým množstvom olova prichádzali prázdne. 7. augusta 1912 fyzik Victor Hess letel balónom s vysokou nadmorskou výškou na 5 300 metrov. Objavil tam trikrát viac ionizujúceho žiarenia ako na zemi, čo znamenalo, že žiarenie muselo prichádzať z vesmíru.

Sledovanie „príbehov o pôvode“ kozmického žiarenia však trvalo viac ako storočie. V roku 2013 vesmírny teleskop Fermi Gamma-ray agentúry NASA zverejnil výsledky z roku pozorovanie dvoch zvyškov supernovy v Mliečnej ceste: IC 433 a W44 .

Medzi produkty týchto hviezdnych výbuchov patria fotóny gama žiarenia, ktoré (na rozdiel od kozmického žiarenia) nie sú ovplyvňované magnetickými poľami. Študované gama lúče mali rovnaký energetický podpis ako subatomárne častice nazývané neutrálne ióny. Piony sa vyrábajú, keď sa protóny uviaznú v magnetickom poli vo vnútri rázovej vlny supernovy a narazia do seba.



Inými slovami, zodpovedajúce energetické podpisy ukázali, že protóny sa môžu v supernovách pohybovať dostatočne rýchlo, aby vytvorili kozmické lúče.

Súčasná veda

Dnes vieme, že galaktické kozmické lúče sú fragmenty atómov, ako sú protóny (pozitívne nabité častice), elektróny (negatívne nabité častice) a atómové jadrá. Aj keď teraz vieme, že môžu byť vytvorené v supernove, môžu byť k dispozícii aj iné zdroje na vytváranie kozmického žiarenia. Tiež nie je jasné, ako sú supernovy schopné vyrobiť tieto kozmické lúče tak rýchlo.

Kozmické lúče neustále padajú na Zem, a zatiaľ čo vysokoenergetické „primárne“ lúče narážajú na atómy v horných vrstvách Zeme a len zriedka sa dostanú do zeme, „sekundárne“ častice sú z tejto zrážky vyvrhnuté a dostanú sa k nám na zem.

Kým sa však tieto kozmické lúče dostanú na Zem, nie je možné zistiť, odkiaľ pochádzajú. Je to preto, že ich cesta sa zmenila, keď cestovali cez viacero magnetických polí (galaxie, slnečnej sústavy a samotnej Zeme).

Vedci sa pokúšajú zistiť pôvod kozmického žiarenia tým, že sa pozerajú na to, z čoho sú kozmické lúče vyrobené. Vedci to môžu zistiť pohľadom na spektroskopický podpis, ktorý každé jadro vyžaruje v žiarení, a tiež vážením rôznych izotopov (typov) prvkov, ktoré zasiahnu detektory kozmického žiarenia.

Výsledok, dodáva NASA, ukazuje veľmi bežné prvky vo vesmíre. Zhruba 90 percent jadier kozmického žiarenia tvorí vodík (protóny) a 9 percent tvorí hélium (častice alfa). Vodík a hélium sú najrozšírenejšími prvkami vo vesmíre a sú bodom pôvodu hviezd, galaxií a ďalších veľkých štruktúr. Zostávajúce 1 percento sú všetky prvky a práve z toho 1 percenta môžu vedci najlepšie hľadať vzácne prvky, aby mohli porovnávať rôzne druhy kozmických lúčov. Spolupráca s observatóriom Pierra Augera našla v roku 2017 určité odchýlky v trajektóriách príchodu kozmických lúčov, čo poskytuje rady, odkiaľ lúče mohli pochádzať.

Vedci môžu tiež datovať kozmické lúče podľa pri pohľade na rádioaktívne jadrá, ktoré sa postupom času zmenšujú . Meranie polčasu každého jadra poskytuje odhad, ako dlho bol kozmický lúč vo vesmíre.

V roku 2016 kozmická loď NASA zistila, že väčšina kozmických lúčov pochádza pravdepodobne z (relatívne) blízkych zhlukov hmotných hviezd. Vesmírna loď agentúry Advanced Composition Explorer (ACE) detegoval kozmické lúče s rádioaktívnou formou železa známy ako železo-60. Pretože táto forma kozmického žiarenia časom degraduje, vedci odhadujú, že musela pochádzať nie viac ako 3 000 svetelných rokov od Zeme-ekvivalentná vzdialenosť šírky miestneho špirálového ramena v Mliečnej ceste.

Experiment s názvom ISS-CREAM (Energia a energia kozmického žiarenia) bola vypustená na Medzinárodnú vesmírnu stanicu v roku 2017 . Očakáva sa, že bude fungovať tri roky a odpovie na otázky, ako napríklad či supernovy generujú väčšinu častíc kozmického žiarenia, kedy častice kozmického žiarenia vznikli a či všetky energetické spektrá pozorované pre kozmické žiarenie možno vysvetliť jediným mechanizmom. ISS tiež hostí CALorimetrický elektrónový teleskop (CALET) , ktorá hľadá najvyššie energetické druhy kozmických lúčov. CALET tam bol spustený v roku 2015.

Kozmické lúče je možné detekovať aj balónom, napríklad pomocou experimentu Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER), ktorého súčasťou je laboratórium Jet Propulsion Laboratory NASA a niekoľko univerzít. Letel niekoľkokrát, vrátane rekordného 55-dňového letu nad Antarktídou v období od decembra 2012 do januára 2013. „S údajmi z tohto letu skúmame pôvod kozmického žiarenia. Konkrétne ide o testovanie vznikajúceho modelu pôvodu kozmického žiarenia v asociáciách OB, ako aj modelov na určenie, ktoré častice sa budú urýchľovať, „ Informoval web SuperTIGER .

Vedeckí občania môžu tiež podieľať sa na hľadaní kozmického žiarenia registráciou na webovej stránke crayfis.io. Tam sa pripoja k experimentu CRAYFIS, ktorý prevádzkuje Laboratórium metód pre analýzu veľkých dát (LAMBDA) na Vysokej škole ekonomickej v Národnej výskumnej univerzite v Rusku. Vedci tam skúmajú kozmické lúče s ultra vysokou energiou pomocou mobilných telefónov.

Obavy z vesmírneho žiarenia

Magnetické pole a atmosféra Zeme chránia planétu pred 99,9 percentami žiarenia z vesmíru. Pre ľudí mimo ochrany magnetického poľa Zeme sa však vesmírne žiarenie stáva vážnym nebezpečenstvom. Prístroj na palube rovera Curiosity Mars počas 253-dňovej plavby na Mars odhalil, že dávka žiarenia, ktorú astronaut dostane na najkratšiu spiatočnú cestu Zem-Mars, by bola asi 0,66 sievert. Toto množstvo je ako podstúpiť celotelové CT vyšetrenie každých päť alebo šesť dní.

Dávka 1 sievert je spojená s 5,5 -percentným zvýšením rizika smrteľných nádorov. Bežná denná dávka žiarenia, ktorú priemerný človek žijúci na Zemi dostane, je 10 mikrosievertov (0,00001 sievert).

Mesiac nemá atmosféru a veľmi slabé magnetické pole. Astronauti, ktorí tam žijú, by si museli zabezpečiť vlastnú ochranu, napríklad zakopaním svojho biotopu pod zem.

Mars nemá žiadne globálne magnetické pole. Častice zo slnka odstránili väčšinu atmosféry Marsu, čo viedlo k veľmi zlej ochrane pred žiarením na povrchu. Najvyšší tlak vzduchu na Marse sa rovná výške 35 kilometrov nad zemským povrchom. V malých výškach poskytuje atmosféra Marsu o niečo lepšiu ochranu pred kozmickým žiarením.

V roku 2017 NASA vykonala niekoľko inovácií vo svojom laboratóriu vesmírneho žiarenia (umiestnenom v národnom laboratóriu Brookhaven v New Yorku), aby vykonala ďalšie štúdie o tom, ako môžu kozmické lúče ovplyvniť astronautov na dlhých cestách vrátane Marsu. Tieto inovácie umožňujú výskumníkom jednoduchšie meniť typy iónov a intenzitu energie vďaka softvérovému ovládaniu.