Ziemia jest cały czas bombardowana subatomowymi cząstkami spoza Układu Słonecznego. Czym tak naprawdę jest promieniowanie kosmiczne? Czy w jakiś sposób nam zagraża?
W sierpniu 1912 r. austriacki fizyk Victor Hess wykonał historyczny lot balonem, który otworzył nowe okno na materię we Wszechświecie. Gdy wniósł się na wysokość 5300 m zmierzył tempo jonizacji w atmosferze i stwierdził, że wzrosło ono ok. 3 razy w porównaniu do tego na poziomie morza. Hess odkrył, że promieniowanie przenikające do atmosfery przedostaje się z góry, z kosmosu, nie z Ziemi. W ten sposób odkryto promieniowanie kosmiczne.
Superszybkie cząstki
Te wysokoenergetyczne cząstki przybywające z kosmosu to głównie protony (89%) – jądra wodoru, najlżejszego i najbardziej rozpowszechnionego pierwiastka we Wszechświecie. Do promieniowania kosmicznego można zaliczyć także jądra helu (10%) i cięższe (1%) aż do uranu.
Kiedy wspomniane wyżej cząstki docierają na Ziemię, zderzają się z jądrami atomów w górnej części atmosfery, tworząc więcej naładowanych cząstek, głównie tzw. pionów. Naładowane piony mogą szybko się rozpadać, emitując cząstki zwane mionami. W przeciwieństwie do pionów, nie oddziałują one silnie z materią i mogą przenikać przez atmosferę, aż do warstw powierzchniowych planety.
Badania nad promieniowaniem kosmicznym otworzyły drzwi do świata cząstek znajdujących się poza granicami atomu: pierwsza cząstka antymaterii – pozyton (antyelektron) – została odkryta w 1932 r. Na odkrycie wspomnianego już mionu trzeba było poczekać kolejnych 5 lat, a następne w kolejce były: pion, kaon i kilka innych. Do czasu pojawienia się akceleratorów cząstek na początku lat 50. ubiegłego wieku, promieniowanie kosmiczne było jedynym sposobem badania egzotycznych cząstek.
Rzeczywiście, kiedy w 1954 r. założono CERN, promieniowanie kosmiczne zostało ulokowanie na szczycie listy zainteresowań naukowych. Ale mimo że akceleratory cząstek dostarczyły licznych informacji o egzotycznych cząstkach, to promieniowanie kosmiczne wciąż jest źródłem tych najbardziej niezwykłych, bo mających naturalne pochodzenie.
Pierwotne promienie
Energia pierwotnych promieni kosmicznych waha się od ok. 1 GeV (energii stosunkowo niewielkiego akceleratora cząstek) do aż 108 TeV (energii znacznie wyższe niż energia Wielkiego Zderzacza Hadronów). Szybkość, z jaką cząsteczki docierają do szczytowych warstw atmosfery spada wraz ze wzrostem energii, od ok. 10 000 na m2/s przy 1 GeV do mniej niż 1 na km2/s dla cząsteczek o najwyższej energii.
Jak promieniowanie kosmiczne osiąga tak wysokie energie? Gdzie są ich naturalne akceleratory? Promienie kosmiczne o najniższej energii docierają ze Słońca pod postacią wiatru słonecznego, ale detekcja wysokoenergetycznych cząstek jest utrudniona. Zakręcają one bowiem pod wpływem pól magnetycznych mijanych obiektów, więc trudno jednoznacznie określić ich trajektorie.
Kluczowe okazały się badania wysokoenergetycznych promieni gamma. Jest ich o wiele mniej niż naładowanych promieni kosmicznych, ale będąc obojętnymi elektrycznie, nie są wrażliwe na działanie pól magnetycznych.
Źródłem promieni gamma o najwyższych energiach w Drodze Mlecznej są pozostałości supernowych, takie jak słynna Mgławica Kraba. Innymi źródłami wysokoenergetycznych promieni gamma z innych galaktyk są supermasywne czarne dziury i kwazary.
