Kosminen säteily

Wikipedia
Ohjattu sivulta Kosmiset säteet
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tämä artikkeli käsittelee suurienergia hiukkasia. Mikroaaltosäteilystä katso kosminen taustasäteily.
Simulaatio kosmisen protonin (energia 1 TeV) hajoamisesta noin 20 km korkeudella Chicagon yläpuolella. Maakaistaleen koko on 8 km × 8 km.

Kosminen säteily on yleisnimi Maahan osuville ulkoavaruudesta tuleville suurienergisille hiukkasille, jotka pommittavat maapalloa joka suunnalta.[1] Kosmisista hiukkasista noin 90 % on protoneja, 9 % alfa-hiukkasia ja 1 % beta-hiukkasia ja raskaampien atomien ytimiä.

Osa kosmisesta säteilystä on peräisin Auringosta, mutta suurienergisin osa tulee kauempaa, muun muassa supernovaräjähdyksistä. Auringon säteily aiheuttaa revontulia tullessaan Maan ilmakehään napojen lähistöllä Maan magneettikentän ohjaamana. Maan magneettikenttä ja ilmakehä suojaavat hyvin kosmiselta säteilyltä, joten kosmisesta säteilystä ei ole haittaa ihmisille maan pinnalla, mutta avaruudessa kosmiselta säteilyltä täytyisi suojautua voimakkaan magneettikentän puuttuessa.

Ilmasuihku[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kosminen primäärihiukkanen (protoni) törmää ilmakehän hiukkaseen ja hajoaa sekundaarihiukkasten ryppääksi, joka muodostaa ilmasuihkun. Merenpinnan tasolle ja maan alle pääsee merkittävän paljon myoneita.

Kosmisen säteilyn tutkimuksessa käytetään termejä primäärinen ja sekundaarinen kosminen säteily. Primäärinen säteily tarkoittaa alkuperäisiä kosmisia hiukkasia, jotka saapuvat Maapallon ulkopuolelta.[2] Maapallon ilmakehään osuu noin 1000 kosmista hiukkasta sekunnissa neliömetriä kohden.[3]

Primaarinen hiukkanen törmää ilmakehämolekyylin (esim. happi tai typpi) kanssa, jolloin vuorovaikutuksessa syntyy paljon pioneita ja kaoneita.[4] Kun törmäyksessä syntyneet hiukkaset hajoavat edelleen muiksi hiukkasiksi, syntyy Maata kohti kiitävä sekundaarihiukkasten ryöppy, jota kutsutaan ilmasuihkuksi. Maan pinnalle saapuvat hiukkaset ovat juurikin sekundaarihiukkasia.[2] Ilmasuihkun hiukkaset voidaan jakaa kolmeen osaan: myoniseen, hadroniseen ja sähkömagneettiseen komponenttiin.[5] Merenpinnan tason saavuttavista varatuista sekundaarihiukkasista noin 80% on myoneita.[6]

Alkuperä ja energia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kosmiset hiukkaset voidaan jaotella alkuperän perusteella kolmeen osaan: solaariset, galaktiset ja extragalaktiset kosmiset hiukkaset. Solaariset hiukkaset ovat syntyneet Auringossamme, galaktiset ovat saaneet alkunsa galaksissamme ja extragalaktiset hiukkaset ovat peräisin galaksimme ulkopuolelta.[7]

Kosmisen säteilyn syntymekanismeja ei täysin tunneta. Kosmisten hiukkasten alkuperän uskotaan yleensä kuitenkin olevan yhteydessä tähtien muodostumiseen, niiden evoluutioon, supernovaräjähdyksiin ja tähtien väliseen materiaaliin.[8] Nykyisen käsityksen mukaan suurin osa galaktisista kosmisista hiukkasista on peräisin supernovaräjähdyksistä, joita tapahtuu noin 50 vuoden välein.[9]

Energiaspektri[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kosmisten hiukkasten alkuperä ja energiaspektrin muoto ovat merkittävimpiä ratkaisemattomista ongelmista kosmisen säteilyn tutkimuksessa. Hiukkaset, joiden energia yltää ainakin arvoon 1015 eV, ovat todennäköisesti galaktisia kosmisia hiukkasia[9] ja niiden ajatellaan syntyneen supernovan jäännöksistä. Energia-alueen 1015 eV - 1018 eV hiukkasten myös uskotaan mahdollisesti olevan peräisin galaksistamme, mutta niiden ei oleteta syntyneen supernovista eikä niiden syntymekanismia tunneta. Sen sijaan pidetään todennäköisenä, että hiukkaset, joiden mitattu energia on yli 1018 eV, ovat syntyneet galaksimme ulkopuolella.[10]

Edellämainittua energia-aluetta 1015 eV kutsutaan polveksi, sillä kosmisten hiukkasten energiaspektrin kulmakerroin jyrkkenee kyseisellä energia-alueella.[11] Koska kosmisen säteilyn alkuperää ja kiihdytysmekanismeja ei täysin tunneta, ei myöskään polven aiheuttavasta ilmiöstä olla yksimielisiä. Polvikohtaa ollaan kuitenkin yritetty selittää erilaisilla malleilla.

Revontuli

Kosmisen säteilyn havaitseminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suora havaitseminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Primaarisista kosmisista hiukkasista voidaan tehdä suoria havaintoja ilmakehän ulkolaidalla,[12] esimerkiksi sijoittamalla ilmaisimia satelliitteihin, kuumailmapalloihin ja avaruusaluksiin. Tällöin mittauksia haittaavat pieni ilmaisinpinta-ala ja rajattu mittausaika. Suoria kosmisen säteilyn mittauksia ollaan suoritettu energia-alueen 109 eV - 1014 eV hiukkasille.[13] Energian 1014 eV ylittävät hiukkaset saapuvat niin pienellä vuolla, että niiden suora havainnointi ilmakehän yläpuolella rajallisilla ilmaisinkokonaisuuksilla olisi hankalaa.

Epäsuora havaitseminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kosmisia hiukkasia voidaan tutkia myös epäsuorasti havaitsemalla maan pinnalla ilmasuihkun hiukkasia, jotka ovat syntyneet primäärisen kosmisen hiukkasen törmätessä ilmakehän molekyyliin. Syntyneet hiukkaset ovat pääasiassa protoneita, neutroneita, pioneita ja myoneita, jotka kulkevat suunnilleen samaan suuntaan kuin hajonnut kosminen hiukkanen.[12] Maan pinnalla sijaitsevien ilmaisimien etuna on mahdollisuus suorittaa ajallisesti pitkiä mittauksia ja eikä ilmaisimien koko ole rajoitettu,[14] toisin kuin kosmisen säteilyn mittauksissa kuumailmapalloissa ja satelliiteissa.

Sekundaarisia kosmisia hiukkasia on mahdollista havaita myös maan alla. Ilmasuihkuhiukkasista vain myoneilla ja neutriinoilla on riittävästi energiaa Maapallon pinnan läpäisemiseksi.[15] Maanalaisissa myonikokeissa kalliokerros suodattaa ilmasuihkusta häiritsevät hiukkaset ja ilmaisimelle päätyy pääasiassa korkeaenergisiä myoneita.

Hiukkasilmaisimet kosmisen säteilyn tutkimuksessa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sekundaaristen kosmisten hiukkasten rypästä eli ilmasuihkuhiukkasia voidaan havaita ilmasuihkuilmaisimilla. Ilmasuihkuilmaisimet voidaan jakaa kolmee luokkaan: Cherenkov-ilmaisimet, fluoresenssi-teleskoopit ja ilmasuihkuilmaisinasemat.

  • Cherenkov-ilmaisimilla havaitaan ilmasuihkun varattujen hiukkasten emittoimaa Cherenkovin säteilyä.[16]
  • Fluoresenssi-teleskoopeilla havaitaan ilmasuihkuhiukkasen virittämän typpiatomin purkautumisessa lähetettyä fluoresenssia.[16]
  • Ilmasuihkuilmaisinasemat koostuvat useammasta laajalle asetellusta ilmaisimesta,[17] ja niillä voidaan tutkia ilmasuihkun kokoa sekä sekundaarihiukkasten jakaumaa.[16]

Ilmiön löytäminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kosmisen säteilyn löytäjänä pidetään Victor Hessiä. Hän havainnoi ionisoivaa säteilyä kuumailmapallosta vuosina 1911-1913 ja totesi sen olevan peräisin ilmakehän ulkopuolelta.[18] Hän tutki säteilyä elektrometrillä[19] ja huomasi säteilyn alkavan merkittävästi kasvaa yli kilometrin korkeudella, viiden kilometrin korkeudella säteily oli jo 3-5 kertaa voimakkaampaa kuin maanpinnalla.[20]

Käytännön vaikutukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Syöpäriskin kasvu etenkin paljon lentävillä kuten lentohenkilökunnalla. Muistivirheitä ram-muistissa ja vastaavat häiriöt mm. prosessorien laskennassa. Heikentää sähköverkon luotettavuutta. Aiheuttaa joidenkin materiaalien vanhenemista.

Hyötykäyttöä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hiukkassuihkun myoneita on ehkä mahdollista käyttää läpivalaisuun eli myoniradiografiaan.[21] Koska säteilynlähde olisi tällöin luonnollinen, olisi suurienkin kappaleiden läpivalaisu mahdollista. Myoneita on suunniteltu käytettävän mm. kuljetuskonttien läpivalaisuun.[22]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Péter Mészáros: The High Energy Universe, s. 154. Cambridge University Press, 2010. ISBN 9780521517003. (englanniksi)
  2. a b P. Khare, A. Swarup: Engineering Physics: Fundamentals & Modern Applications, s. 365. Jones & Bartlett Learning, 2009. ISBN 9780763773748. (englanniksi)
  3. Thomas K. Gaisser: Cosmic Rays and Particle Physics, s. 1. Cambridge University Press, 1990. ISBN 9780521339315. (englanniksi)
  4. Kanetada Nagamine: Introductory Muon Science, s. 37. Cambridge University Press, 2003. ISBN 9780521593793. (englanniksi)
  5. Thomas K. Gaisser: Cosmic Rays and Particle Physics, s. 193. Cambridge University Press, 1990. ISBN 9780521339315. (englanniksi)
  6. G. Cowan, S. Eidelman & T. Stroh: Astroparticle Physics, s. 147. Springer, 2005. ISBN 9783540253129. (englanniksi)
  7. V. K. Mittal, R. C. Verma, S. C. Gupta: Introduction to Nuclear and Particle Physics, s. 373. 2. painos. PHI Learning Pvt. Ltd.. ISBN 9788120343115. (englanniksi)
  8. Todor Stanev: High Energy Cosmic Rays, 2. painos, s. 42. Springer, 2009. ISBN 9783540851479. (englanniksi)
  9. a b Tibor Dunai: Cosmogenic Nuclides, s. 3. Cambridge University Press, 2010. ISBN 9780521873802. (englanniksi)
  10. Peter Schneider: Extragalactic Astronomy and Cosmology, s. 53. Springer, 2006. ISBN 9783540331742. (englanniksi)
  11. Johan A. M. Bleeker, J. Geiss & Martin Huber: The Century of Space Science, s. 691. Springer, 2001. ISBN 9780792371960. (englanniksi)
  12. a b Mittal: Introduction To Nuclear And Particle Physics, s. 352. PHI Learning Pvt. Ltd.. ISBN 9788120336100. (englanniksi)
  13. O. Martínez etc.: Hybrid extensive Air Shower Detector Array at the University of Publa to study Cosmic Rays. Solar, Stellar and Galactic Connections Between Particle Physics and Astrophysics, 2007, s. 243-251. (englanniksi)
  14. Reinhard Schlickeiser: Cosmic Ray Astrophysics, s. 25. Springer Science & Business Media, 2002. ISBN 9783540664659. (englanniksi)
  15. Michael F. L'Annunziata: Handbook of Radioactivity Analysis, s. 127. (3. painos). Academic Press, 2012. ISBN 9780123848734. (englanniksi)
  16. a b c J. Beringer etc. (Particle Data Group): Phys. Rev., 2012, D86. vsk, s. 010001. (osio 26). Osio 26 PDG-sivustolla (pdf) Viitattu 14.12.2012. (englanniksi)
  17. Sharma: Atomic And Nuclear Physics, s. 480. Pearson Education India, 2008. ISBN 9788131719244. (englanniksi)
  18. Joseph A. Angelo: Encyclopedia of Space and Astronomy, s. 295. Infobase Publishing, 2009. ISBN 9781438110189. (englanniksi)
  19. Tibor J. Dunai: Cosmogenic Nuclides: Principles, Concepts and Applications in the Earth Surface Sciences, s. 1. Cambridge University Press, 2010. ISBN 9780521873802. (englanniksi)
  20. Frank Close, Michael Marten & Christine Sutton: The Particle Odyssey, s. 50. Oxford University Press, 2004. ISBN 9780191647444. (englanniksi)
  21. Kanetada Nagamine: Introductory Muon Science, s. 184. Cambridge University Press, 2003. ISBN 9780521593793. (englanniksi)
  22. Paul Rincon: Rays to nab nuclear smugglers 2005. BBC. Viitattu 24.11.2012. (englanniksi)

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]