Kozmické žiarenie: vysoko energetické častice z vesmíru

Čo je to "energetická častica" ?

V našom každodennom živote meriame energie v jednotkách Joule. Známejšia je jednotka Watt. Meria výkon, čo znamená, že spotrebovanú energiu za jednotku času. Ale tieto jednotky nie sú vhodné, keď hovoríme o elementárnych časticiach s malou hmotnosťou, ako sú protóny a elektróny.

Časticoví fyzici a fyzici kozmického žiarenia merajú energie v elektrónVoltoch (eV). (eV). 1 eV je energia získaná elektrónom alebo protónom, ktorý je vystavený napätiu 1 Volt. Napríklad, keby sme mali batériu 4,5 V vo vákuu, a dali protón medzi jej póly, bol by protón urýchlený napätím batérie a získal by energiu 4,5 eV.

To nie je veľmi vysoká energia. Elektróny a protóny v horúcej slnečnej koróne, kde sa teplota pohybuje okolo 1 milióna stupňov, majú priemernú energiu 100 eV. Ale ak hovoríme o kozmickom žiarení, jedná sa o oveľa vyššie energie. Aby mohlo byť zaznamenané na zemi, kozmické žiarenie dopadajúce na hornú časti zemskej atmosféry musí mať minimálnu energiu asi 450 miliónov eV (skratka: 450 MeV pre MegaelektrónVolt).

Kozmické žiarenie

Kozmické žiarenie dopadajúce na Zem bolo spočítané a poznáme jeho "energetické spektrum" z rôznych meraní. Tento obrázok ukazuje zostavu pozorovaní cez široký rozsah energií častíc (od http://astroparticle.uchicago.edu/cosmic_ray_spectrum_picture.htm). Kozmické žiarenie s najvyššou energiou, ktoré bolo zaznamenané, má energiu vyššiu ako 100 miliárd miliárd eV (1020 eV)! To je energia tenisovej loptičky vymrštenej rýchlosťou 100 km/h, ale v prípade veľmi vysokoenergetického kozmického žiarenia je sústredená v malom protóne!

Tieto častice majú rôzny pôvod:

• • Kozmické žiarenie s energiou až do niekoľko miliárd eV (109 eV, skratka: GeV = GigaelektrónVolt) pochádza zo Slnka a iných zdrojov v našej Galaxii. Spektrum je zakrivené v tejto oblasti, pretože prístup kozmického žiarenia z oblastí mimo slnečnej sústavy do vnútornej slnečnej sústavy je znížený pôsobením magnetického poľa Slnka.
• • Trvalý tok kozmického žiarenia nepochádzajúceho zo Slnka, ale zo zdrojov v našej Galaxii alebo dokonca aj zo vzdialenejších zdrojov. U energií hodne nad 10 GeV nie je jeho vstup do vnútornej slnečnej sústavy ovplyvnený slnečným magnetickým poľom. Tieto častice majú spektrum, ktoré je prakticky priamka v tomto grafe. Vzhľadom k tomu, že graf predstavuje logaritmus toku častíc ako funkciu logaritmu energie častíc, spektrum je v podstate exponenciálne závislé od energie: F (E) ~ E-p. ^-p.
• • Pri bližšom skúmaní zistíme, že existujú prerušenia tejto závislosti, ako napríklad v blízkosti 3x1015 eV (toto je nazývané "koleno" spektra kozmického žiarenia) a v blízkosti 1020 eV (ďalej len "členok"). Tieto znaky pravdepodobne rozlišujú kozmické žiarenie rôzneho pôvodu. Protóny s energiou nad 1015 eV a ióny nad 1018 eV môžu pochádzať z oblastí mimo našej Galaxie.