WŁASNOŚCI PROMIENI KOSMICZNYCH

  Odkrycie promieni kosmicznych, podobnie jak większość wielkich odkryć w nauce, było dziełem przypadku. Na początku XX wieku uwagę wielu fizyków przykuwało zjawisko samoistnego rozładowywania się elektroskopów naładowanych uprzednio ładunkiem elektrycznym. Kiedy wykluczono błędy eksperymentalne (np. niedoskonałość izolacji), najprostszym wydawało się założenie, że przewodnictwo elektryczne powietrza w elektroskopie jest skutkiem promieniowania jonizującego pochodzącego z rozpadów naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w skorupie ziemskiej.
  Dla sprawdzenia tej hipotezy Wiktor Hess wykonał serię lotów balonem, w czasie których rejestrował szybkość rozładowywania się elektroskopów. Oczekiwał rzecz jasna, że ze wzrostem wysokości zjawisko upływu ładunku elektrostatycznego będzie zanikać. Tymczasem zaobserwował efekt odwrotny: w miarę wznoszenia się balonu szybkość rozładowywania się elektroskopów wzrastała i na wysokości 3000 metrów była kilkakrotnie większa niż na powierzchni. Hess wysnuł stąd wniosek, że do Ziemi dociera jakieś nieznane, jonizujące promieniowanie z przestrzeni kosmicznej. Za swoje dokonanie Wiktor Hess otrzymał w roku 1936 Nagrodę Nobla.

Powrót Wiktora Hessa z pierwszego lotu balonowego



Czym są promienie kosmiczne

  Dzisiaj nadal terminem " promieniowanie kosmiczne", lub "promienie kosmiczne" określa się składową korpuskularną promieniowania docierającego do Ziemi. Cząstki naładowane, zostały najwcześniej odkryte właśnie w promieniowaniu kosmicznym i pomimo późniejszego odkrycia promieniowania radiowego, mikrofalowego, rentgenowskiego i gamma docierającego do Ziemi z kosmosu, przez "promienie kosmiczne" przyjęto oznaczać tylko cząstki naładowane.

  Nasza atmosfera bardzo efektywnie pochłania promienie kosmiczne przybywające do Ziemi. Ma ona grubość 11 razy większą niż średnia droga oddziaływania protonu w powietrzu, a 27 razy większą niż długość jednostki radiacyjnej w powietrzu. Cząstki pierwotnego promieniowania kosmicznego ulegają więc w atmosferze oddziaływaniom, tworząc w niej wielkie pęki atmosferycze, które zmieniają pierwotny charakter promieniowania. Tak więc za "pierwotne promieniowanie kosmiczne" uważa się strumień cząstek przybywający z kosmosu do górnych warstw atmosfery, natomiast terminem "wtórne promieniowanie kosmiczne" - cząstki wyprodukowane wskutek oddziaływań cząstek pierwotnych w atmosferze.

  Dość dużo wiadomo dzisiaj na temat ogólnych własności promieni kosmicznych jak ich skład, czy widma energetyczne jego cząstek.

Skład

  Wiadomo, że wśród cząstek promieniowania kosmicznego najliczniejsze są protony - jądra atomów wodoru (ok. 90%) i jądra helu (ok. 9%); resztę stanowią jądra cięższych pierwiastków, praktycznie wszystkich pierwiastków układu okresowego, aczkolwiek strumień ciężkich jąder szybko spada ze wzrostem masy jądra. Zaobserwowano również elektrony, pozytony i antyprotony, lecz stanowią one znikomą część całkowitego strumienia promieni kosmicznych docierających do atmosfery.

Skład promieni kosmicznych



Energie

  Wiadomo też, że cząstki promieniowania kosmicznego mają bardzo wysokie energie, co oznacza , że poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Niektóre z nich stanowią najbardziej energetyczne cząstki obserwowane w przyrodzie. Cząstki najwyższej energii wchodzące w skład promieniowania kosmicznego mają energie ponad 100 milionów razy wyższe, niż energie osiągnięte w największych akceleratorach cząstek na Ziemi.

  Coraz lepsze metody detekcji promieni kosmicznych, a co za tym idzie - pełniejsza znajomość widma energetycznego, jak również zależność składu chemicznego promieni kosmicznych od ich energii ma zasadnicze znaczenie dla zrozumienia procesów akceleracji (czyli przyspieszania) i propagacji (rozchodzenie się) promieni kosmicznych we Wszechświecie.

Skąd pochodzą

  Natomiast stale otwartym jest problem źródeł promieniowania kosmicznego. Nie potrafimy dziś odpowiedzieć na pytanie, gdzie we Wszechświecie znajdują się obiekty zdolne przyspieszać cząstki do tak gigantycznych energii i jaki proces fizyczny jest za to odpowiedzialny.

  Badanie promieni kosmicznych jest ważnym narzędziem astrofizyki. Wprawdzie większość informacji o Wszechświecie uzyskuje się za pośrednictwem promieniowania elektromagnetycznego, jednak promienie kosmiczne dostarczają dodatkowych informacji o procesach ewolucji gwiazd i nukleosyntezy, a także o własnościach przestrzeni międzygwiazdowej i Galaktyki jako całości.

Bilans energetyczny

  Całkowity strumień promieni kosmicznych padających na atmosferę Ziemi jest rzędu 1000 cząstek/(m2s). Ponieważ wiadomo, że okolice Układu Słonecznego są obszarem dość typowym dla całego dysku Galaktyki, można założyć, że gęstość cząstek promieniowania kosmicznego jest w przybliżeniu stała w całym dysku Galaktyki. Wynosi ona 10-10/cm3, co odpowiada gęstości energii promieni kosmicznych ok. 1 eV/cm3. Jest to wielkość tego samego rzędu, co energia światła gwiazd (ok. 0.6 eV/cm3), lub energia pól magnetycznych ( ok. 0.2 eV/cm3). Jest więc zrozumiałe, że promienie kosmiczne stanowią jedną z głównych składowych ośrodka międzygwiazdowego i istotny element w bilansie energetycznym Galaktyki.

Powiązania fizyki cząstek z fizyką promieni kosmicznych

  Badanie promieniowania kosmicznego jest ściśle powiązane z fizyką cząstek. W przeszłości promieniowanie kosmiczne było jedynym źródłem cząstek o wysokich energiach, umożliwiając badanie cząstek i ich oddziaływań. Większość początkowych odkryć w fizyce cząstek została dokonana przy użyciu promieni kosmicznych. Obecnie badania w zakresie fizyki cząstek są prowadzone głównie przy użyciu akceleratorów cząstek, aczkolwiek promieniowanie kosmiczne wciąż dostarcza cząstek o energiach wyższych niż osiągane w akceleratorach. Łatwo to sobie uzmysłowić, przeglądając skalę energii interesujących nas zjawisk.

  Z drugiej strony, znajomość własności oddziaływań cząstek przy wysokich energiach ma kapitalne znaczenie dla interpretacji danych dotyczących promieni kosmicznych i zrozumienia ich implikacji astrofizycznych. Jako przykład można tu wymienić znajomość przekrojów czynnych na oddziaływania i fragmentację ciężkich jąder, istotną dla badania propagacji promieni kosmicznych w ośrodku międzygwiazdowym. Badanie produkcji fotonów w oddziaływaniach w pobliżu źródeł promieni kosmicznych umożliwia identyfikację tych źródeł i obszarów, w których są przyspieszane promienie kosmiczne. Wreszcie, znajomość rozwoju kaskad elektronowo-fotonowych i hadronowych ma zasadnicze znaczenie dla badania promieni kosmicznych o najwyższych energiach poprzez rejestrację ich oddziaływań w atmosferze ziemskiej. Prawidłowa interpretacja otrzymanego widma promieni kosmicznych wymaga szczegółowej znajomości procesu rozwoju kaskady. Obecnie wiec badanie promieni kosmicznych jest jednym z ważnych obszarów zastosowań fizyki wysokich energii.

  Wiedza wyniesiona z przedstawionych badań pozwala nam również na lepsze zrozumienie wpływu promieni kosmicznych na życie codzienne na Ziemi.