Kosmiset säteet: Universumin suurenergiset hiukkaset

Mikä on « energeettinen hiukkanen »?

Jokapäiväisessä elämässämme mittaamme energiaa jouleina. Ehkä tutumpi yksikkö lienee watti. Se on tehon yksikkö, eli aikayksikössä kulutettu energia ilmoitetaan watteina. Nämä yksiköt eivät kuitenkaan ole käytännöllisiä puhuttaessa erittäin pienimassaisista hiukkasista kuten protoneista ja elektroneista.

Hiukkasfyysikot ja kosmisten säteiden tutkijat mittaavat energiaa elektronivolteissa (eV). Yksi eV vastaa energiaa, jonka elektroni saa, kun se kiihdytetään yhden voltin suuruisella jännitteellä. Jos käytetään esimerkiksi 4,5 V paristoa ja laitetaan elektroni pariston napojen väliin tyhjiössä, se kiihtyy jännitteen seurauksena ja saavuttaa energian 4,5 eV.

Elektronin saama energia ei ole kuitenkaan suuri. Auringon koronassa, jossa lämpötila on noin miljoona astetta, on elektroneja ja protoneja, joiden keskimääräinen energia on 100 eV. Kosmisiin säteisiin liittyy kuitenkin vielä valtavasti suurempia energioita. Jotta kosminen säde saavuttaisi maan pinna, tulee sen energian olla vähintään 450 miljoonaa elektronivolttia (merkitään 450 MeV – Megaelektronivolttia).

Kosmiset säteet

Maahan tunkeutuvia kosmisia säteitä on mitattu ja tiedämme niiden ”energiaspektrin” erilaisten mittausten perusteella. Tässä kuvassa näkyy erilaisilta energia-alueilta tehtyjen mittausten yhdistelmä (http://astroparticle.uchicago.edu/cosmic_ray_spectrum_picture.htm). Suurimmat kosmisten säteiden mitatut energiat ovat yli 100 miljardia miljardia elektronivolttia (10²⁰ eV), mikä vastaa 100 km/h:n nopeudella liikkuvan tennispallon energiaa, mutta keskittyneenä ainoastaan pikkuruiseen protoniin!

Näillä kosmisilla hiukkasilla on erilaiset alkuperät:

• Kosmiset säteet, joiden energiat ovat muutaman miljardin elektronivoltin luokkaa (10⁹ eV, merkitään GeV = gigaelektronivoltti), tulevat Auringosta ja muista oman Galaksimme lähteistä. Spektri on tällä energia-alueella kaareva, sillä kosmisten säteiden pääsy aurinkokunnan ulkopuolelta aurinkokunnan sisäosiin on rajoittunut Auringon magneettikentän torjuvan vaikutuksen ansiosta.
• Jatkuva kosmisten säteiden vuo ei tule Auringosta, vaan linnunradan- tai sen ulkopuolisista lähteistä. Reilusti yli 10 GeV:n energian omaavat hiukkaset pääsevät aurinkokuntaan magneettikentän suuresti niitä häiritsemättä. Näiden hiukkasten energiaspektri on kuvan logaritmisella asteikolla lähes suora viiva. Koska asteikko on logaritminen, todellinen energiaspektri noudattaa potenssilakia: F(E)~E^-p.
• Tarkempi tarkastelu osoittaa, että potenssilaki ei ole täydellinen, vaan energian 3x10¹⁵ eV ja 10²⁰ eV kohdalla on spektrissä notkot, joita kutsutaan ”polveksi” ja ”nilkaksi” (the “ankle”). Nämä kohdat spektrissä luultavasti erottavat erilaisen alkuperän omaavat hiukkaset toisistaan. Protonien, joiden energia on yli 10¹⁵ eV ja yli 10¹⁸ eV n ionien uskotaan tulevan oman galaksimme ulkopuolelta.