Kosmilised kiired: kiireimad rändurid universumis

Kosmilised kiired kõlavad nagu mingid ulmeohud kosmosest. Selgub, et piisavalt suurtes kogustes nad on. Teisest küljest, kosmilised kiired läbivad meid iga päev, ilma et nad palju teeksid (kui üldse kahju). Mis on need salapärased kosmilise energia tükid?

Mõiste "kosmiline kiir" tähistab universumis liikuvaid kiireid osakesi. Neid on igal pool. On väga hea, et kosmilised kiired on ühel või teisel ajal kõigi kehast läbi käinud, eriti kui nad elavad suurel kõrgusel või on lennanud lennukis. Maa on hästi kaitstud kõigi nende kiirte, kuid kõige energilisema eest, seega ei kujuta need meile igapäevaelus ohtu.

Kosmilised kiired pakuvad põnevaid vihjeid objektidele ja sündmustele mujal universumis, näiteks massiliste tähtede (nn supernoova plahvatused) ja aktiivsust Päikesel, seetõttu uurivad astronoomid neid kõrgmäestiku õhupallide ja kosmosepõhiste instrumentide abil. See uurimistöö pakub põnevat uut teavet tähtede ja galaktikate päritolu ja arengu kohta universumis.

Kosmilised kiired on äärmiselt kõrge energialaenguga osakesed (tavaliselt prootonid), mis liiguvad peaaegu valguse kiirus. Mõned neist pärinevad Päikesest (päikeseenergia osakesed), teised aga väljutatakse supernoova plahvatustest ja muudest energilistest sündmustest tähtedevahelises (ja galaktikavahelises) ruumis. Kui kosmilised kiired põrkuvad Maa atmosfääriga, tekitavad nad dušše nn sekundaarsete osakestena.

Kosmiliste kiirte olemasolust on teada rohkem kui sajand. Need leidis esmakordselt füüsik Victor Hess. Ta käivitas 1912 aastal ilmapallide pardal ülitäpse elektromeetri, et mõõta aatomite ionisatsioonikiirust (st kui kiiresti ja kui sageli aatomid energiat saavad) Maa atmosfääri ülemised kihid. Tema avastas, et ionisatsiooni kiirus oli palju suurem, mida kõrgemale atmosfääris tõusete - avastus, mille eest ta hiljem Nobeli preemia võitis.

See lendas tavalise tarkuse ees. Tema esimene instinkt, kuidas seda seletada, oli see, et mingi päikesenähtus tekitas selle efekti. Pärast oma katsete kordamist lähedase päikesevarjutuse ajal sai ta samad tulemused, välistades tõhusalt igasuguse päikese päritolu, seetõttu jõudis järeldusele, et atmosfääris peab olema mingi sisemine elektriväli, mis tekitab vaadeldava ionisatsiooni, ehkki ta ei suutnud tuletada, mis välja allikas on oleks.

See oli rohkem kui kümme aastat hiljem, enne kui füüsik Robert Millikan suutis tõestada, et Hessi täheldatud atmosfääri elektriväli oli hoopis footonite ja elektronide voog. Ta nimetas seda nähtust "kosmilisteks kiirteks" ja need voolasid läbi meie atmosfääri. Ta leidis ka, et need osakesed ei olnud pärit Maalt ega Maa lähiümbrusest, vaid on pärit sügavast kosmosest. Järgmine väljakutse oli välja mõelda, millised protsessid või objektid võisid neid luua.

Sellest ajast alates on teadlased jätkanud kõrgelt lendavate õhupallide kasutamist atmosfääri kohal tõusmiseks ja nende kiirete osakeste proovide võtmiseks. Lõunapooluse kohal Antartica kohal asuv piirkond on soositud stardipaik ning mitmed missioonid on kogunud kosmiliste kiirte kohta rohkem teavet. Seal asub National Science Balloon Facility igal aastal mitu instrumendiga koormatud lendu. Neis olevad "kosmosekiirguse loendurid" mõõdavad kosmiliste kiirte energiat, samuti nende suunda ja intensiivsust.

Rahvusvaheline kosmosejaamsisaldab ka instrumente, mis uurivad kosmiliste kiirte omadusi, sealhulgas kosmiliste kiirte energeetika ja massi (CREAM) eksperiment. 2017. aastal paigaldatud sellel on kolmeaastane missioon koguda nende kiiresti liikuvate osakeste kohta võimalikult palju andmeid. CREAM algas tegelikult õhupallieksperimendina ja see lendas seitse korda aastatel 2004 kuni 2016.

Kuna kosmilised kiired koosnevad laetud osakestest, saab nende rada muuta iga magnetväljaga, millega see kokku puutub. Loomulikult on objektidel nagu tähed ja planeedid magnetväljad, kuid on olemas ka tähtedevahelised magnetväljad. See muudab raskeks ennustada, kus (ja kui tugevad) magnetväljad on äärmiselt rasked. Ja kuna need magnetväljad püsivad kogu kosmoses, ilmuvad nad igas suunas. Seetõttu pole üllatav, et meie vaatepunktist siin Maa peal näib, et kosmilised kiired ei paista saabuvat ühestki kosmosepunktist.

Kosmiliste kiirte allika kindlaksmääramine on aastaid osutunud keeruliseks. Siiski on mõned eeldused, mida võib eeldada. Esiteks tähendas kosmiliste kiirte olemus ülitäpse energiaga laetud osakestena, et neid toodetakse üsna võimsate tegevuste kaudu. Seega tundusid kandidaadid tõenäoliselt sellised sündmused nagu supernoovad või mustade aukude piirkonnad. Päike kiirgab midagi väga sarnast kosmilistele kiirtele väga energiliste osakeste kujul.

Füüsik Enrico Fermi tegi 1949. aastal ettepaneku, et kosmilised kiired olid osakestest kiirenenud magnetväljad tähtedevahelistes gaasipilvedes. Ja kuna kõrgeima energiaga kosmiliste kiirte loomiseks on vaja üsna suurt välja, hakkasid teadlased tõenäoliseks allikaks uurima supernoovade jäänuseid (ja muid kosmoses asuvaid suuri objekte).

Juunis 2008 käivitas NASA a gammakiire teleskoop, mida nimetatakse Fermi - nimetatud Enrico Fermi järgi. Kuigi Fermi on gammakiire teleskoop, selle üheks peamiseks teaduseesmärgiks oli kosmiliste kiirte päritolu kindlakstegemine. Koos teiste õhupallide ja kosmosepõhiste instrumentide kosmiliste kiirte uuringutega vaatavad astronoomid nüüd supernoova jäänuseid, ja sellised eksootilised objektid nagu ülimassiivsed mustad augud, mis on siin avastatud kõige energeetilisemate kosmiliste kiirte allikad Maa.

• Kosmilised kiired pärinevad universumi ümbrusest ja neid võivad tekitada sellised sündmused nagu supernoova plahvatused.
• Kiire osakesed tekivad ka teistes energeetilistes sündmustes, näiteks kvaasiliste tegevuste käigus.
• Samuti saadab Päike kujul või päikeseenergiliste osakestena kosmilisi kiiri.
• Kosmilisi kiiri saab Maal tuvastada mitmel viisil. Mõnes muuseumis on eksponaatidena kosmilised kiiridetektorid.

• “Kosmiliste kiirte kokkupuude.” Radioaktiivsus: jood 131, www.radioactivity.eu.com/site/pages/Dose_Cosmic.htm.
• NASA, NASA, kujutlege.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/cosmic_rays1.html.
• RSS, www.ep.ph.bham.ac.uk/general/outreach/SparkChamber/text2h.html.

Toimetanud ja värskendanud Carolyn Collins Petersen.