Kosmiska strålar: de snabbaste resenärerna i universum

Kosmiska strålar låter som någon slags science-fiction hot från det yttre rymden. Det visar sig att de är i tillräckligt höga mängder. Å andra sidan passerar kosmiska strålar genom oss varje dag utan att göra mycket (om någon skada). Så vad är dessa mystiska bitar av kosmisk energi?

Termen "kosmisk stråle" avser högpartiklar som reser universum. De är överallt. Chansen är mycket god att kosmiska strålar har passerat allas kropp vid någon tid eller annan tid, särskilt om de bor i hög höjd eller har flytt i ett flygplan. Jorden är väl skyddad mot alla utom de mest energiska av dessa strålar, så de utgör inte riktigt en fara för oss i vår vardag.

Kosmiska strålar ger fascinerande ledtrådar till föremål och händelser någon annanstans i universum, till exempel dödsfall av massiva stjärnor (kallas supernovaexplosioner) och aktivitet på solen, så astronomer studerar dem med hjälp av höjdballonger och rymdbaserade instrument. Denna forskning ger spännande ny inblick i stjärnor och galaxers ursprung och utveckling i universum.

Kosmiska strålar är extremt högenergi laddade partiklar (vanligtvis protoner) som rör sig nästan ljusets hastighet. Vissa kommer från solen (i form av solenergiska partiklar), medan andra matas ut från supernovaexplosioner och andra energiska händelser i det interstellära (och intergalaktiska) utrymmet. När kosmiska strålar kolliderar med jordens atmosfär producerar de duschar av vad som kallas "sekundära partiklar".

Förekomsten av kosmiska strålar har varit känd i mer än ett sekel. De hittades först av fysikern Victor Hess. Han lanserade elektrometrar med hög noggrannhet ombord på väderballonger 1912 för att mäta joniseringsgraden för atomer (det vill säga hur snabbt och hur ofta atomer aktiveras) i övre lager av jordens atmosfär. Det han upptäckte var att joniseringsgraden var mycket större ju högre du stiger i atmosfären - en upptäckt som han senare vann Nobelpriset för.

Detta flög inför konventionell visdom. Hans första instinkt för att förklara detta var att någon solfenomen skapade denna effekt. Men efter att ha upprepat sina experiment under en nästan solförmörkelse erhöll han samma resultat, och effektivt utesluter alla solors ursprung för. Därför han drog slutsatsen att det måste finnas något inneboende elektriskt fält i atmosfären som skapar den observerade joniseringen, även om han inte kunde härleda vad källan till fältet skulle vara.

Det var mer än ett decennium senare innan fysikern Robert Millikan kunde bevisa att det elektriska fältet i atmosfären som Hess observerade i stället var ett flöde av fotoner och elektroner. Han kallade detta fenomen "kosmiska strålar" och de strömmade genom vår atmosfär. Han bestämde också att dessa partiklar inte var från Jorden eller miljön nära jorden utan snarare kom från djupa rymden. Nästa utmaning var att ta reda på vilka processer eller objekt som kunde ha skapat dem.

Sedan den tiden har forskare fortsatt att använda högflygande ballonger för att komma över atmosfären och prova fler av dessa höghastighetspartiklar. Regionen ovanför Antartica på sydpolen är en gynnad lanseringsplats och ett antal uppdrag har samlat in mer information om kosmiska strålar. Där har National Science Balloon Facility flera instrumentbelastade flygningar varje år. De "kosmiska strålräknare" som de bär mäter energin från kosmiska strålar, liksom deras riktningar och intensiteter.

De Internationell rymdstationinnehåller också instrument som studerar egenskaperna hos kosmiska strålar, inklusive experimentet Cosmic Ray Energetics and Mass (CREAM). Det installerades 2017 och har ett treårigt uppdrag att samla in så mycket data som möjligt om dessa snabbt rörliga partiklar. CREAM började faktiskt som ett ballongexperiment, och det flög sju gånger mellan 2004 och 2016.

Eftersom kosmiska strålar består av laddade partiklar kan deras vägar förändras av alla magnetfält som det kommer i kontakt med. Naturligtvis har föremål som stjärnor och planeter magnetfält, men interstellära magnetfält finns också. Detta gör att förutsäga var (och hur starka) magnetfält är extremt svåra. Och eftersom dessa magnetfält kvarstår i hela rymden, visas de i alla riktningar. Därför är det inte förvånande att från vår utsiktspunkt här på jorden verkar det som om kosmiska strålar inte verkar komma från någon punkt i rymden.

Att fastställa källan till kosmiska strålar visade sig vara svårt under många år. Det finns dock vissa antaganden som kan antas. Först och främst antydde naturen hos kosmiska strålar som extremt högenergi laddade partiklar att de produceras av ganska kraftfulla aktiviteter. Så händelser som supernovaer eller regioner runt svarta hål tycktes vara troliga kandidater. Solen avger något som liknar kosmiska strålar i form av mycket energiska partiklar.

År 1949 föreslog fysiker Enrico Fermi att kosmiska strålar helt enkelt var partiklar som accelererades av magnetfält i interstellära gasmoln. Och eftersom du behöver ett ganska stort fält för att skapa de kosmiska strålarna med högsta energi, började forskare att titta på supernovarester (och andra stora föremål i rymden) som den troliga källan.

I juni 2008 lanserade NASA en gammastråleteleskop känt som Fermi - uppkallad efter Enrico Fermi. Medan Fermi är ett gammastråleteleskop, ett av dess viktigaste vetenskapliga mål var att bestämma ursprunget till kosmiska strålar. Tillsammans med andra studier av kosmiska strålar med ballonger och rymdbaserade instrument ser astronomer nu till supernovarester, och sådana exotiska föremål som supermassiva svarta hål som källor för de mest energiska kosmiska strålarna som upptäcks här på Jorden.

• Kosmiska strålar kommer från hela universum och kan genereras av sådana händelser som supernovaexplosioner.
• Höghastighetspartiklar genereras också i andra energiska händelser såsom kvasaraktiviteter.
• Solen skickar också ut kosmiska strålar i form av eller solenergiska partiklar.
• Kosmiska strålar kan upptäckas på jorden på olika sätt. Vissa museer har kosmiska stråldetektorer som utställningar.

• "Kosmisk strålningsexponering." 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.

Redigerad och uppdaterad av Carolyn Collins Petersen.