Hvad er kosmiske stråler?

Energiske kosmiske stråler Slå toppen af ​​jorden

Byger af partikler med høj energi opstår, når energiske kosmiske stråler rammer toppen af ​​Jordens atmosfære. De fleste kosmiske stråler er atomkerner: de fleste er brintkerner, nogle er heliumkerner og resten tungere grundstoffer. Selvom mange af de lavenergiske kosmiske stråler kommer fra vores sol, er oprindelsen til de kosmiske stråler med den højeste energi ukendt og et emne for meget forskning. Denne tegning illustrerer luftbyger fra kosmiske stråler med meget høj energi. (Billedkredit: Simon Swordy (U. Chicago), NASA)



Kosmiske stråler er atomfragmenter, der regner ned på Jorden uden for solsystemet. De brænder med lysets hastighed og har fået skylden for elektronikproblemer i satellitter og andre maskiner.



Opdaget i 1912 forbliver mange ting om kosmiske stråler et mysterium mere end et århundrede senere. Et godt eksempel er præcis, hvor de kommer fra. De fleste forskere formoder, at deres oprindelse er relateret til supernovaer (stjerneeksplosioner), men udfordringen er, at kosmisk stråleoprindelse i mange år virkede ensartet over for observatorier, der undersøgte hele himlen.

Et stort spring fremad i kosmisk strålevidenskab kom i 2017, da Pierre Auger -observatoriet (som er spredt over 3.000 kvadratkilometer eller 1.160 kvadratkilometer i det vestlige Argentina) studerede ankomstbanerne for 30.000 kosmiske partikler . Den konkluderede, at der er forskel på, hvor ofte disse kosmiske stråler ankommer, afhængigt af hvor du ser ud. Selvom deres oprindelse stadig er uklar, er det første skridt i vejen, hvor de skal lede, at vide, hvor de skal kigge, siger forskerne. Resultaterne blev offentliggjort i Science.



Kosmiske stråler kan endda bruges til applikationer uden for astronomi. I november 2017 opdagede et forskerhold et muligt tomrum i den store pyramide i Giza, som blev bygget omkring 2560 f.Kr., ved hjælp af kosmiske stråler . Forskerne fandt dette hulrum ved hjælp af muontomografi, som undersøger kosmiske stråler og deres penetrationer gennem faste genstande.

Historie

Mens kosmiske stråler først blev opdaget i 1900'erne, vidste forskere, at noget mystisk foregik allerede i 1780'erne. Det var da den franske fysiker Charles-Augustin de Coulomb-bedst kendt for at have opkaldt en elektrisk ladningsenhed efter sig-observerede en elektrisk ladet sfære pludselig og mystisk ikke blev ladet mere.

På det tidspunkt blev luften antaget at være en isolator og ikke en elektrisk leder. Med mere arbejde opdagede forskere imidlertid, at luft kan lede elektricitet, hvis dets molekyler er ladet eller ioniseret. Dette ville oftest ske, når molekylerne interagerer med ladede partikler eller røntgenstråler.



Men hvor disse ladede partikler kom fra var et mysterium; selv forsøg på at blokere ladningen med store mængder bly kom tomt. Den 7. august 1912 fløj fysikeren Victor Hess en ballon i højder til 5.300 meter. Han opdagede tre gange mere ioniserende stråling der end på jorden, hvilket betød, at strålingen skulle komme fra det ydre rum.

Men det tog mere end et århundrede at spore kosmiske stråles 'oprindelseshistorier'. I 2013 frigav NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope resultater fra observere to supernova -rester i Mælkevejen: IC 433 og W44 .

Blandt produkterne fra disse stjerneeksplosioner er gammastrålefotoner, som (i modsætning til kosmiske stråler) ikke påvirkes af magnetfelter. De undersøgte gammastråler havde samme energisignatur som subatomære partikler kaldet neutrale pioner. Pioner produceres, når protoner sætter sig fast i et magnetfelt inde i supernovas stødbølge og styrter ind i hinanden.



Med andre ord viste de matchende energisignaturer, at protoner kunne bevæge sig hurtigt nok inden for supernovaer til at skabe kosmiske stråler.

Nuværende videnskab

Vi ved i dag, at galaktiske kosmiske stråler er atomfragmenter såsom protoner (positivt ladede partikler), elektroner (negativt ladede partikler) og atomkerner. Selvom vi nu ved, at de kan skabes i supernovaer, kan der være andre kilder til rådighed for kosmisk stråleskabelse. Det er heller ikke klart, hvordan supernovaer er i stand til at lave disse kosmiske stråler så hurtigt.

Kosmiske stråler regner konstant ned på Jorden, og mens de 'primære' stråler med høj energi kolliderer med atomer i Jordens øvre atmosfære og sjældent når ned til jorden, skubbes 'sekundære' partikler ud af denne kollision og når os på jorden jord.

Men når disse kosmiske stråler kommer til Jorden, er det umuligt at spore, hvor de kom fra. Det er fordi deres vej er blevet ændret, da de rejste gennem flere magnetfelter (galaksen, solsystemet og selve jorden.)

Forskere forsøger at spore kosmisk stråles oprindelse tilbage ved at se på, hvad de kosmiske stråler er lavet af. Forskere kan finde ud af dette ved at se på den spektroskopiske signatur, hver kerne afgiver i stråling, og også ved at veje de forskellige isotoper (typer) af elementer, der rammer kosmiske stråledetektorer.

Resultatet, tilføjer NASA, viser meget almindelige elementer i universet. Cirka 90 procent af kosmiske strålekerner er hydrogen (protoner) og 9 procent er helium (alfa -partikler). Brint og helium er de mest forekommende elementer i universet og udgangspunktet for stjerner, galakser og andre store strukturer. De resterende 1 procent er alle elementer, og det er fra den 1 procent, at forskere bedst kan søge efter sjældne elementer for at foretage sammenligninger mellem forskellige typer af kosmiske stråler. Pierre Auger Observatory -samarbejdet fandt nogle variationer i kosmiske stråles ankomstbaner i 2017, hvilket gav nogle tip om, hvor strålerne kunne have stammer fra.

Forskere kan også datere de kosmiske stråler efter ser på radioaktive kerner, der falder over tid . Måling af halveringstiden for hver kerne giver et skøn over, hvor længe den kosmiske stråle har været derude i rummet.

I 2016 fandt et NASA -rumfartøj de fleste kosmiske stråler sandsynligvis fra (relativt) nærliggende klynger af massive stjerner. Agenturets Advanced Composition Explorer (ACE) rumfartøj opdagede kosmiske stråler med en radioaktiv form for jern kendt som jern-60. Da denne form for kosmisk stråle nedbrydes over tid, vurderer forskere, at den må have stammer højst 3.000 lysår fra Jorden-den tilsvarende afstand af bredden af ​​den lokale spiralarm i Mælkevejen.

Et eksperiment kaldet ISS-CREAM (Cosmic Ray Energetics and Mass) lanceret til den internationale rumstation i 2017 . Det forventes at fungere i tre år og besvare spørgsmål som om supernovaer genererer de fleste kosmiske strålepartikler, når kosmiske strålepartikler opstod, og hvis alle de energispektre, der ses for kosmiske stråler, kan forklares ved en enkelt mekanisme. ISS er også vært for CALorimetrisk elektronteleskop (CALET) , der søger efter de kosmiske stråler med den højeste energi. CALET blev lanceret der i 2015.

Kosmiske stråler kan også detekteres ved ballon, f.eks. Gennem eksperimentet Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER), der omfatter deltagelse fra NASAs Jet Propulsion Laboratory og flere universiteter. Den har fløjet flere gange, herunder en rekordflyvning på 55 dage over Antarktis mellem december 2012 og januar 2013. 'Med dataene fra denne flyvning undersøger vi oprindelsen af ​​kosmiske stråler. Specifikt testning af den nye model for kosmisk stråleoprindelse i OB-foreninger samt modeller til bestemmelse af, hvilke partikler der vil blive accelereret, '' SuperTIGER -webstedet sagde .

Borgerforskere kan også deltage i søgen efter kosmiske stråler ved at registrere på webstedet crayfis.io. Der vil de slutte sig til CRAYFIS -eksperimentet, der blev udført af Laboratory of Methods for Big Data Analysis (LAMBDA) på National Research University Higher School of Economics i Rusland. Forskere dér undersøger kosmiske stråler med ultrahøj energi ved hjælp af mobiltelefoner.

Rumstråling bekymringer

Jordens magnetfelt og atmosfære beskytter planeten mod 99,9 procent af strålingen fra rummet. For mennesker uden for beskyttelsen af ​​Jordens magnetfelt bliver rumstråling imidlertid en alvorlig fare. Et instrument ombord på Curiosity Mars-roveren under sit 253-dages krydstogt til Mars afslørede, at strålingsdosis modtaget af en astronaut på selv den korteste Earth-Mars-rundtur ville være omkring 0,66 sievert. Dette beløb er som at modtage en helkrops-CT-scanning hver femte eller sjette dag.

En dosis på 1 sievert er forbundet med en stigning på 5,5 procent i risikoen for dødelig kræft. Den normale daglige stråledosis modtaget af den gennemsnitlige person, der lever på Jorden, er 10 mikrosieverts (0,00001 sievert).

Månen har ingen atmosfære og et meget svagt magnetfelt. Astronauter, der bor der, skulle sørge for deres egen beskyttelse, for eksempel ved at begrave deres levested under jorden.

Mars har ikke noget globalt magnetfelt. Partikler fra solen har fjernet det meste af Mars 'atmosfære, hvilket har resulteret i meget dårlig beskyttelse mod stråling på overfladen. Det højeste lufttryk på Mars er lig med en højde på 35 kilometer over jordens overflade. I lave højder giver Mars 'atmosfære en lidt bedre beskyttelse mod rumstråling.

I 2017 foretog NASA nogle opgraderinger af sit Space Radiation Laboratory (placeret ved Brookhaven National Laboratory i New York) for at lave flere undersøgelser af, hvordan kosmiske stråler kan påvirke astronauter på lange rejser, herunder til Mars. Disse opgraderinger giver forskere mulighed for lettere at ændre typer af ioner og intensiteten af ​​energi på grund af softwarekontrol.