מהם קרניים קוסמיות?

קרניים קוסמיות אנרגטיות מכות בראש כדור הארץ

ממטרים של חלקיקי אנרגיה גבוהה מתרחשים כאשר קרניים קוסמיות אנרגטיות פוגעות בחלק העליון של האטמוספירה של כדור הארץ. רוב הקרניים הקוסמיות הן גרעינים אטומיים: רובם גרעיני מימן, חלקם גרעיני הליום, והשאר יסודות כבדים יותר. למרות שרבות מהקרניים הקוסמיות בעלות האנרגיה הנמוכה מגיעות מהשמש שלנו, מקורן של הקרניים הקוסמיות בעלות האנרגיה הגבוהה ביותר נותר עלום ונושא למחקר רב. ציור זה ממחיש ממטרי אוויר מקרנים קוסמיות בעלות אנרגיה גבוהה מאוד. (צילום: סיימון סורדי (שיקגו), נאס'א)



קרניים קוסמיות הן שברי אטום הגשם על כדור הארץ מחוץ למערכת השמש. הם בוערים במהירות האור והאשימו אותם בבעיות אלקטרוניקה בלוויינים ובמכונות אחרות.



דברים שהתגלו בשנת 1912 נותרו בגדר תעלומה יותר ממאה שנים אחר כך הרבה דברים על קרניים קוסמיות. דוגמא מצוינת היא בדיוק מהיכן הם מגיעים. רוב המדענים חושדים שמקורם קשור לסופרנובות (פיצוצים של כוכבים), אך האתגר הוא שמקורו של קרן קוסמית במשך שנים רבות נראה אחיד למצפים שבדקו את כל השמים.

קפיצה גדולה קדימה במדעי הקרן הקוסמית הגיעה בשנת 2017, כאשר מצפה הכוכבים פייר אוגר (המתפרש על פני 3,000 קילומטרים רבועים, או 1,160 קילומטרים רבועים, במערב ארגנטינה) חקר את מסלולי ההגעה של 30,000 חלקיקים קוסמיים . הוא הגיע למסקנה כי יש הבדל בתדירות הגעת הקרניים הקוסמיות הללו, תלוי היכן אתה מסתכל. למרות שמקורם עדיין מעורפל, לדעת היכן לחפש הוא הצעד הראשון בלמידה מאיפה הם באו, אמרו החוקרים. התוצאות פורסמו ב- Science.



ניתן להשתמש בקרניים קוסמיות אפילו ליישומים מחוץ לאסטרונומיה. בנובמבר 2017, צוות מחקר גילה חלל אפשרי בפירמידה הגדולה של גיזה, שנבנתה בסביבות 2560 לפני הספירה, באמצעות קרניים קוסמיות . החוקרים מצאו חלל זה באמצעות טומוגרפיה מוון, הבוחנת קרניים קוסמיות וחדירותן דרך אובייקטים מוצקים.

הִיסטוֹרִיָה

בעוד שקרניים קוסמיות התגלו רק בשנות ה -20, המדענים ידעו שמשהו מסתורי מתרחש כבר בשנות ה -80 של המאה ה -19. זה היה הזמן שבו הפיזיקאי הצרפתי צ'ארלס-אוגוסטין דה קולומב-הידוע ביותר בזכות יחידת מטען חשמלי על שמו-צפה בכדור טעון חשמלי פתאום ובאופן מסתורי לא נטען יותר.

באותה תקופה חשבו שאוויר הוא מבודד ולא מוליך חשמלי. עם זאת, עם יותר עבודה גילו המדענים שאוויר יכול להוביל חשמל אם המולקולות שלו טעונות או מיוננות. לרוב זה קורה כאשר המולקולות מתקיימות עם חלקיקים טעונים או צילומי רנטגן.



אבל מאיפה הגיעו החלקיקים הטעונים אלה תעלומה; אפילו ניסיונות לחסום את המטען באמצעות כמויות גדולות של עופרת היו ריקים. ב -7 באוגוסט 1912, הפיזיקאי ויקטור הס הטיס כדור פורח בגובה רב לגובה של 5,300 מטר. הוא גילה שם פי 3 יותר קרינה מייננת מאשר על הקרקע, מה שאומר שהקרינה חייבת להגיע מהחלל החיצון.

אבל ההתחקות אחר 'סיפורי מוצא' של קרן קוסמית ארכה יותר ממאה שנים. בשנת 2013, טלסקופ החלל Fermi Gamma-ray של NASA פרסם תוצאות מ התבוננות בשני שרידי סופרנובה בשביל החלב: IC 433 ו- W44 .

בין התוצרים של פיצוצים של כוכבים אלה נמצאים פוטונים של קרני גמא, אשר (בניגוד לקרנים קוסמיות) אינם מושפעים משדות מגנטיים. לקרני הגמא שנחקרו הייתה אותה חתימת אנרגיה כמו לחלקיקים תת-אטומיים הנקראים פיונים ניטרליים. פיונים נוצרים כאשר פרוטונים נתקעים בשדה מגנטי בתוך גל ההלם של הסופרנובה ומתנגשים זה בזה.



במילים אחרות, חתימות האנרגיה התואמות הראו שפרוטונים יכולים לנוע במהירות מספקת מספיק בתוך סופרנובות כדי ליצור קרניים קוסמיות.

מדע עדכני

אנו יודעים כיום כי קרניים קוסמיות גלקטיות הן שברי אטום כגון פרוטונים (חלקיקים טעונים חיוביים), אלקטרונים (חלקיקים טעונים שלילית) וגרעינים אטומיים. למרות שאנו יודעים שעכשיו ניתן ליצור אותן בסופרנובות, ייתכן שיש מקורות אחרים ליצירת קרניים קוסמיות. כמו כן, לא ברור בדיוק כיצד סופרנובות מסוגלות להפוך את הקרניים הקוסמיות האלה למהירות כל כך.

קרניים קוסמיות יורדות ללא הרף על פני כדור הארץ, ובעוד שהקרניים ה'ראשוניות 'בעלות האנרגיה הגבוהה מתנגשות באטומים באטמוספירה העליונה של כדור הארץ וממעטות להגיע לקרקע, חלקיקים' משניים 'נפלטים מהתנגשות זו ואכן מגיעים אלינו על פני השטח. קרקע, אדמה.

אבל עד שהקרניים הקוסמיות האלה מגיעות לכדור הארץ, אי אפשר לאתר מהיכן הן הגיעו. הסיבה לכך היא שדרכם השתנתה בעת שנסעו בשדות מגנטיים מרובים (של הגלקסיה, של מערכת השמש ושל כדור הארץ עצמה).

מדענים מנסים לאתר את מקורות הקרן הקוסמית על ידי התבוננות ממה עשויות הקרניים הקוסמיות. מדענים יכולים להבין זאת על ידי התבוננות בחתימה הספקטרוסקופית שכל גרעין מוציא בקרינה, וגם על ידי שקלול האיזוטופים (סוגי) האלמנטים הפוגעים בגלאי קרניים קוסמיות.

התוצאה, מוסיפה נאס'א, מציגה אלמנטים נפוצים מאוד ביקום. בערך 90 אחוז מגרעיני הקרן הקוסמית הם מימן (פרוטונים) ו -9 אחוזים הם הליום (חלקיקי אלפא). מימן והליום הם היסודות הנפוצים ביותר ביקום ונקודת המוצא של כוכבים, גלקסיות ומבנים גדולים אחרים. האחוז הנותר הם כולם אלמנטים, וממנה האחוז הזה יכולים המדענים לחפש אחר יסודות נדירים כדי לבצע השוואות בין סוגים שונים של קרניים קוסמיות. שיתוף הפעולה של מצפה הכוכבים פייר אוגר מצא כמה וריאציות במסלולי ההגעה של קרניים קוסמיות בשנת 2017, וסיפק כמה רמזים לאן מקורן של הקרניים.

מדענים יכולים גם לתארך את הקרניים הקוסמיות לפי מסתכלים על גרעינים רדיואקטיביים שיורדים עם הזמן . מדידת מחצית החיים של כל גרעין נותנת הערכה לכמה זמן הקרן הקוסמית נמצאת בחלל.

בשנת 2016, חללית של נאס'א מצאה שרוב הקרניים הקוסמיות מגיעות ככל הנראה מאשכולות סמוכים של כוכבים מסיביים. חללית הסוכנות המתקדמת (ACE) של הסוכנות זיהה קרניים קוסמיות עם צורה ברדיואקטיבית של ברזל המכונה ברזל -60. מאחר וצורה זו של קרן קוסמית מתדרדרת עם הזמן, מדענים מעריכים שמקורו בוודאי אינו עולה על 3,000 שנות אור מכדור הארץ-המרחק המקביל לרוחב זרוע הספירלה המקומית שבשביל החלב.

ניסוי בשם ISS-CREAM (Cosmic Ray Energetics and Mass) שוגרה לתחנת החלל הבינלאומית בשנת 2017 . הוא צפוי לפעול במשך שלוש שנים, תוך מענה לשאלות כגון האם סופרנובות מייצרות את רוב חלקיקי הקרן הקוסמית, כאשר מקור חלקיקי קרן קוסמית, ואם ניתן להסביר את כל ספקטרום האנרגיה הנראית לקרנים קוסמיות באמצעות מנגנון אחד. ה- ISS מארח גם את טלסקופ אלקטרונים CALorimetric (CALET) , המחפש את סוגי האנרגיה הגבוהה ביותר של קרניים קוסמיות. CALET הושקה שם בשנת 2015.

ניתן לזהות קרניים קוסמיות גם באמצעות בלון, כגון באמצעות ניסוי Super Trans-Iron Galactic Recorder (SuperTIGER) הכולל השתתפות ממעבדת הנעה הסילוני של נאס'א ומספר אוניברסיטאות. היא טסה מספר פעמים, כולל טיסה שיא של 55 ימים מעל אנטארקטיקה בין דצמבר 2012 לינואר 2013. 'עם הנתונים מטיסה זו אנו חוקרים את מקורן של קרניים קוסמיות. באופן ספציפי, בדיקת המודל המתעורר של מקורות קוסמיים באסוציאציות OB, כמו גם מודלים לקביעת אילו חלקיקים יואצו ', כך מסר אתר SuperTIGER .

גם מדעני אזרח יכולים להשתתף בחיפוש אחר קרניים קוסמיות על ידי הרשמה באתר crayfis.io. שם הם יצטרפו לניסוי CRAYFIS שמפעילה המעבדה לשיטות לניתוח נתונים גדולים (LAMBDA) בבית הספר לכלכלה של אוניברסיטת המחקר הלאומית ברוסיה. חוקרים שם בוחנים קרניים קוסמיות בעלות אנרגיה גבוהה במיוחד באמצעות טלפונים ניידים.

חששות לקרינת חלל

השדה המגנטי ואטמוספירה של כדור הארץ מגנים על כדור הארץ מפני 99.9 אחוזים מהקרינה מהחלל. עם זאת, עבור אנשים מחוץ להגנה על השדה המגנטי של כדור הארץ, קרינת החלל הופכת לסכנה רצינית. מכשיר על סיפון רובר הסקרנות מאדים במהלך ההפלגה שלו למרס של 253 ימים גילה כי מינון הקרינה שאסטרונאוט יקבל אפילו בנסיעה הלוך ושוב הקצר ביותר בכדור הארץ-מאדים יהיה בערך 0.66 סיוורט. כמות זו היא כמו קבלת בדיקת CT בכל הגוף כל חמישה או שישה ימים.

מנה של 1 זיוורט קשורה לעלייה של 5.5 אחוזים בסיכון לסרטן קטלני. מינון הקרינה היומי הרגיל שקיבל האדם הממוצע שחי על כדור הארץ הוא 10 מיקרו -סיביות (0.00001 זיוורט).

לירח אין אטמוספירה ושדה מגנטי חלש מאוד. אסטרונאוטים החיים שם יצטרכו לספק הגנה משלהם, למשל על ידי קבורת בית הגידול שלהם מתחת לאדמה.

למאדים אין שדה מגנטי עולמי. חלקיקים מהשמש הפשיטו את רוב האטמוספירה של מאדים, וכתוצאה מכך הגנה לקויה מאוד מפני קרינה על פני השטח. לחץ האוויר הגבוה ביותר על מאדים שווה לגובה של 35 קילומטרים מעל פני כדור הארץ. בגובה נמוך, האטמוספירה של מאדים מספקת הגנה מעט טובה יותר מפני קרינת חלל.

בשנת 2017 ביצעה נאס'א כמה שדרוגים במעבדת קרינת החלל שלה (הממוקמת במעבדה הלאומית ברוקהאבן בניו יורק) כדי לבצע מחקרים נוספים על האופן שבו קרניים קוסמיות עשויות להשפיע על אסטרונאוטים במסעות ארוכים, כולל למאדים. שדרוגים אלה מאפשרים לחוקרים לשנות את סוגי היונים ואת עוצמת האנרגיה בקלות רבה יותר בשל שליטה בתוכנה.