Paslaptingos radiacijos atradimas prieš 100 metų sukėlė revoliuciją mūsų supratime apie subatominį pasaulį.

Kosminiai spinduliai: Radiacija iš viršaus

Kiekvienos dienos kiekvieną sekundę Žemę bombarduoja dalelės iš kosmoso. Vadinamieji kosminiai spinduliai sukėlė revoliuciją mūsų supratime apie subatominio mastelio materiją.

Kosminių spindulių atradimas

Radioaktyvumas žavėjo mokslininkus nuo pat jo atradimo 1896-aisiais. Sugebėjimas jonizuoti orą darė jį lengvai aptinkamą ir sukėlė stebinantį atradimą: netgi kai radioaktyvaus spinduliavimo šaltinio nebuvo, detektoriai fiksuodavo kažkokią kitą orą jonizuojančią radiaciją. Ji buvo fiksuojama netgi jūroje, kai aplinkui arti nebuvo jokių radioaktyvių uolienų. Negana to, ji buvo labai stipri, gebanti prasiskverbti per laboratorinių prietaisų skydus. Turėjo egzistuoti kitas nepaprastai galingas nežinomų spindulių šaltinis, bet kur?

Pirmosios užuominos pasirodė, kai Theodoras Wulfas, fizikas ir jėzuitų šventikas, užlipo į Eifelio bokštą ir rado daugiau radiacijos, nei tikėjosi. Jis spėjo, kad šie spinduliai atsiranda ne Žemėje ir pasiūlė pakilti aukščiau ir patikrinti idėją. Bet, panašu, nuotykių dvasia jį apleido ir sumanymo įgyvendinimas buvo paliktas kitiems, o būtent, austrų fizikui Victorui Hessui.

Hessas atliko 10 pakilimų 1911 bei 1912 metais ir atrado, kad spindulių intensyvumas virš 1000 metrų sparčiai auga. 5000 metrų aukštyje jų intensyvumas maždaug 5 kartus didesnis, nei jūros lygyje. Hessas padarė išvadą, kad galingoji radiacija randasi kosmose ir pakliuvusi į Žemės atmosferą, silpnėja.

Victoras Hessas pakilo į dangų ir atrado kosminius spindulius
©VF Hess Society/Echophysics/Schloss Pöllau/Austria

Paprastai kosminių spindulių atradimo garbė priskiriama Hessui, už ką jis ir gavo Nobelio fizikos premiją 1936 metais. Paplitusį „kosminių spindulių“ pavadinimą 1925 metais sugalvojo JAV fizikas Robertas Millikanas.

Iš pradžių Millikanas abejojo Hesso teiginiais, tačiau tai pasikeitė, kai trečiajame dešimtmetyje Milikanas pats atliko matavimus. Jis išrado elektrometrą, kurio rodmenys buvo įrašomi judančioje juostelėje. Taip buvo galima įdėti aparatą į nepilotuojamą balioną ir matuoti labai dideliame aukštyje. Iki 1926 Millikanas buvo jau taip įsitikinęs kosminių spindulių egzistavimu, kad netgi teigė pats juos atradęs.

Kosminių spindulių liūties anatomija

Kai kosminiai spinduliai kerta aukštuosius atmosferos sluoksnius, jų susidūrimai su oro atomais sukelia dalelių laviną. Daugumą dalelių prieš pasiekiant Žemės paviršių, absorbuoja atmosfera. Tad, jei aukštuosiuose atmosferos sluoksniuose vieno kvadratinio centimetro plotą kiekvieną sekundę kerta vidutiniškai 20 dalelių, jūros paviršiuje iš liūties telieka dulksna: vos viena dalelė per minutę.

Kosminių spindulių išsisklaidymo schema
©NewScientist

Tokios dalelės, kaip, pavyzdžiui, pionai ir kitos, veikiamos stipriosios branduolio sąveikos, dažniausiai absorbuojamos arba suyra į elektronus, miuonus, fotonus ir neutrinus, kurie lekia toliau. Elektros krūvį turinčios dalelės sukuria nuosavas elektronų, pozitronų ir fotonų liūtis. Visa pradinė kosminio spindulio energija pasiskirsto tarp vis daugiau dalelių ir dauguma jų visai nepasiekia žemės.

Viena išimtis yra miuonai, kurie iš esmės yra sunkūs elektronai. Jie gali prasibrauti per atomais pripildytą atmosferą, pasiekti žemę ir netgi įsiskverbti į ją. Jei apsilankysite mokslo parodoje ir pamatysite kibirkštinės kameros fiksuojamus kosminius spindulius, labiausiai tikėtina, kad tai bus miuonai.

Neutrinai skvarbiausi, dažnai perskrenda tiesiai per Žemę. Jums skaitant šias eilutes, neutrinai iš kosminių spindulių kitoje mūsų planetos pusėje pereina per jūsų pėdas ir perskrodžia kūną. Tačiau dar daugiau jų užgriūna jums ant galvos iš viršaus.

Išskirtiniais atvejais atlėkusi kosminių spindulių dalelė gali turėti 10 milijonų kartų didesnę energiją, nei gaunamos pačio galingiausio dalelių greitintuvo LHC (CERN, Ženevoje) pluoštuose. Tokia energija gali paskleisti milijonus antrinių dalelių ir ši liūtis gali apimti keleto kilometrų plotą. Tačiau netgi tokiu atveju liūtis išlaiko bendrą pagrindinės dalelės kryptį. Išmatavus santykinį dalelių atskriejimo laiką plačioje teritorijoje, įmanoma nustatyti pirminio kosminio spindulio kryptį kelių laipsnių tikslumu.

Dalelių sprogimas

1927 metais Dmitrijus Skobeltsinas iš tuometinio Leningrado A. F. Jofės fizikotechninio instituto tyrė radioaktyvumą Vilsono kamera, kuria nematomi reiškiniai tampa matomi. Vilsono kameros yra hermetiški indai, pripildyti prisotintų vandens garų. Kai krūvį turinti dalelė, tarkim, elektronas kamerą perskrieja, jis jonizuoja garus ir savo kelyje palieka vandens lašelių pėdsaką.

Skobeltsinas naudojo Vilsono kamerą ir galingą magnetą, kuriais susukdavo gana lėtai judančius elektronus į glaudų apskritimą. Tačiau jis pastebėjo, kad kai kurie pėdsakai buvo beveik tiesūs, kas rodė, kad jie turi labai didelį momentą, nepalyginamai stipresnį už tuo metu žinotų šaltinių sukuriamą. Pats to nežinodamas, jis tapo pirmuoju žmogumi, tiesiogiai stebėjusiu kosminių spindulių pėdsakus.

Po trejų metų Kalifornijos Technologijos institute Pasadenoje, Roberto Millikano studentas Carlas Andersonas sukūrė Vilsono kamerą, apsuptą labai stipriais magnetais specialiai kosminių spindulių tyrimui. Dideliam savo nustebimui, jis pamatė, kad kai kurie pėdsakai išlenkti taip, lyg būtų palikti teigiamą krūvį turinčių elektronų. Taip Andersonas atrado pozitroną – elektrono antimaterinį analogą, kurį jau anksčiau numatė britų fizikos teoretikas Paulas Diracas.

Pozitronai nėra neįprastas nežemiškas fenomenas. Patrickas Blackettas ir Giuseppe Occhialini įrodė tai 1932 metais, atradę, kad pozitronai sudaro maždaug pusę dalelių, kurias sukuria kosminiai spinduliai, atsitrenkę į metalinę plokštelę Vilsono kameroje; kita pusė – elektronai.

Andersonas ir kiti kolegos vėliau atrado, kad kai kurie pėdsakai pereidavo kamerą daug giliau, nei elektronai ir nesukurdavo tokių liūčių. Tai buvo dalelė, atrodžiusi, kai sunki elektrono versija. Taip buvo atrastas miuonas.

Pozitronas ir miuonas buvo pirmieji iš daugelio atradimų, parodžiusių, kad žemiškoji fizika apžvelgia tik mažą dalelę turtingos gamtos paletės. Iki šeštojo XX a. dešimtmečio kosminiai spinduliai atskleidė dar daugiau naujų dalelių, kurių tada egzistavusios teorijos paaiškinti negalėjo.

Pionas buvo atrastas 1947 metais. Jis bent jau buvo numatytas, kitaip, nei „keistųjų“ dalelių šeima. Šie metai žymėjo keistų dalelių atradimų sprogimą – per kitus šešerius metus buvo atrastos kaonai, lambda, ksi ir sigma dalelės.

Norėdami suprasti jų prigimtį, fizikai statė dalelių greitintuvus, kurie iš esmės simuliavo kosminių spindulių sąveiką, bet kontroliuojamomis sąlygomis. Taip kosminių spindulių atradimas nuvedė į dabartinę aukštos energijos dalelių fiziką.

Kosminiai spinduliai: Paslaptinga kilmė

Prabėgus šimtmečiui po atradimo, tebeturime gana miglotą supratimą apie kosminių spindulių kilimo vietą ir kaip jie pasiekia Žemę. Nežiūrint to, kosminiai atskleidė anksčiau nežinotus materijos pavyzdžius, tarkime, miuonus, pozitronus ir grupę vadinamųjų keistųjų dalelių. Dabar medžiojama tamsioji medžiaga ir kitos egzotiškos formos, egzistuojančios gamtoje, bet mums dar nežinomos.

Iš kur jie randasi?

Fraze „kosminiai spinduliai“ apibūdinamas visas nežemiškos kilmės spinduliavimas. Žinome, kad virš 95 procentų „pirminių“ kosminių spindulių įsirėžiančių į Žemės aukštuosius atmosferos sluoksnius, yra aukštos energijos protonai, o likutį sudaro helio ir kitokie branduoliai. Pirminiai kosminiai spinduliai atskrieja iš tolimo kosmoso, bet iš kur tiksliai – išlieka mįslė. Teorijos nurodo galingus sprogimus, pavyzdžiui, supernovas ir gama spindulių blyksnius ar supermasyvias juodąsias bedugnes.

Viena iš priežasčių, kodėl sunku nustatyti pirminių spindulių šaltinį, yra tai, kad didžioji dauguma spindulių nėra elektriškai neutralios dalelės, tad jas nukreipia kosmose besidriekiantys magnetiniai laukai. Priartėję prie Žemės, jie būna išsibarstę po visą dangų.

AMS siurbia viso galingumo kosminius spindulius
©NASA

Užuominas teikia kosminių spindulių ir tarpžvaigždinių dujų susidūrimai, sukuriantys elektriškai neutralius pionus, gama spindulius ir neutrinus. Visų trijų magnetiniai laukai neveikia, bet pradinę kryptį geriausiai išlaiko gama spinduliai. Aukštos energijos gama spindulius, sklindančius nuo supernovų liekanų, užfiksavo NASA Fermi kosminis teleskopas. Jaunos supernovos, panašu, turi stipriausius magnetinius laukus ir spinduliuoja energingiausius kosminius spindulius. Šie stebėjimai remia Enrico Fermi spėjimą, padarytą 1949 metais, kad kosminiai spinduliai savo dideles energijas įgauna dėl dalelių ir magnetinių laukų sąveikos.

Naujausia teorija energingiausius kosminius spindulius – maždaug 100 milijonų teraelektronvoltų (TeV) – kildina iš supermasyvių juodųjų bedugnių galaktikų centruose. Ankstesni kandidatai, gama spindulių pliūpsniai, kurie, manoma kyla dėl masyvių žvaigždžių kolapso į juodąsias bedugnes, neatrodo toks tikėtinas dėl stebėjimų iš IceCube Neutrinų observatorijos Pietų ašigalyje. Buvo manoma, kad tokie katastrofiški kolapsai turėtų išspjauti protonus ir įgreitinti juos iki didžiulių energijų. Šie protonai sąveikautų su gama spinduliais, sukurdami pionus ir aukštos temperatūros neutrinus. „IceCube“ ieškojo tokių energingų neutrinų, tačiau kol kas nerado, tad turėtų būti kitas 100 milijonų TeV kosminių spindulių šaltinis.

Ekstremalios energijos

Kaip gamta geba įgreitinti daleles iki ekstremalių energijų, toli lenkiančių bet ką, įmanomo specialiai tuo tikslu pastatytuose greitintuvuose, ilgai buvo vienas iš pagrindinių astrofizikos klausimų. Didysis hadronų greitintuvas LHC (Large Hadron Collider), esantis CERN, yra galingiausias greitintuvas, sudaužiantis protonų srautus, kurių kiekvienas įgreitinamas iki 4 teraelektronvoltų energijos. Kosminiai spinduliai gali siekti 100 milijonų TeV. Nors tokias energijas viršijančių dalelių srautas, pasiekiantis Žemę, yra mažas, dalelės klaidžioja po kosmosą, tad rodo didžiulius energijos kiekius.

Žemės laboratorijose gaunamos dalelių energijos nė iš tolo negali lygintis su kosminių spindulių energija
©NewScientist

Kosminiai spinduliai: Tyrinėjame gyvenimą

Dalelės iš kosmoso papasakojo apie vidinę subatominio pasaulio sąrangą ir žada išspręsti kosminio dydžio mįsles. Bet arčiau namų išmokome pasinaudoti kosminiais spinduliais. Jie padeda atskleisti praeities paslaptis. Tačiau jie gali ir riboti mūsų galimybes tyrinėjant Saulės sistemą.

Laiko kapsulės

Per milijonus metų kosminiai spinduliai Antarktidos sniege paliko atspaudus, iš kurių galime sužinoti mūsų žvaigždės ir ir gal net mūsų klimato istoriją.

Pirminiai kosminiai spinduliai iš tolimo kosmoso turi įveikti saulės vėją, prieš tai, kai juos pagauna Žemės magnetinis laukas ir nukreipia į viršutinę atmosferą. Tad saulės vėjas veikia kaip apsauginis skydas, vadinamoji heliosfera, pripildanti Saulės sistemą ir nukreipianti kosminius spindulius.

Saulės aktyvumas kinta ciklais ir tai lemia Žemę pasiekiančių kosminių spindulių srauto intensyvumą. Kai saulė rami, heliosfera būna silpnesnė, tad daugiau kosminių spindulių geba įskrieti į saulės sistemą ir susidaužti su Žemės atmosferos atomais. Kosminių spindulių protonų ir atmosferos deguonies atomų susidūrimai sukelia branduolinę transmutaciją ir iš deguonies susidaro du berilio izotopai: ⁷berilis ir ¹⁰berilis. Pirminių spindulių postūmis perduodamas berilio izotopams, kurie krenta ant žemės. Abu šie izotopai, nusileidę Antarktidoje, lieka sniege, kaip pėdsakai, per amžius susikaupiantys sluoksniais.

10Berilio skilimo pusperiodis yra maždaug 1,4 milijonai metų ir jis skyla į ¹⁰borą, tuo tarpu ⁷berilio pusamžis tėra 53 dienos, jis skyla į ⁷litį. Šių dviejų izotopų santykis lede dabar parodo, kiek laiko praėjo nuo jų susiformavimo atmosferoje. Antarktidoje gręžiant ledo kernus ir renkant pavyzdžius iš skirtingo gylio, galima išmatuoti berilio izotopų koncentraciją ir atsekti tūkstantmečius Saulės aktyvumo istorijos.

Daugelis mokslininkų įtaria, kad nors per praėjusį šimtmetį Saulės aktyvumas turėjo mažą įtaką, per daug amžių jis galėjo suvaidinti daug svarbesnį vaidmenį. Kosminių spindulių palikti berilio pėdsakai gali atskleisti, ar iš tiesų yra ryšys tarp saulės aktyvumo ir Žemės klimato pokyčių.

Debesis butelyje

Mintis apie saulės aktyvumo ir Žemės klimato koreliaciją sklandė beveik pusę amžiaus, bet niekada nebuvo visiškai įtikinanti. Pastaraisiais metais Henrikas Svensmarkas su kolegomis iš Danijos Nacionalinio kosmoso instituto Kopenhagoje iškėlė idėją, kad saulės aktyvumo kitimas keičia ir į Žemę pakliūnančių kosminių spindulių srautą, kuris, savo ruožtu gali veikti debesų formavimąsi ir per šį mechanizmą – klimatą. CERN laboratorijoje prie Ženevos vykstantis eksperimentas turėtų patikrinti šią hipotezę.

Kosminių spindulių protonai, skriedami per atmosferą, gali jonizuoti lakias ore esančias medžiagas, sukeldami ore pakibusių lašelių – aerozolių – susidarymą. Šie lašeliai gali tapti debesų susidarymo kondensacijos branduoliais. Nors dėl šių esminių faktų sutariama, nežinoma, ar kosminiai spinduliai vaidina svarbų vaidmenį plataus masto debesų formavimesi.

CERN fizikas Jasperas Kirkby'is vadovauja tyrimui, kuriuo bandoma išsiaiškinti galimą kosminių spindulių poveikį atmosferos chemijai. Eksperimentas vadinasi CLOUD, (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets). Specialiai pagaminta kamera pripildoma itin švaraus oro ir šiek tiek molekulių, kurios, kaip manoma, pradeda debesų formavimąsi, – vandens garai, sieros dioksidas, ozonas ir amoniakas. Tada į kamerą iššaunami protonai, stengiantis simuliuoti kosminių spindulių ir tikros atmosferos susidūrimus.

Po tokio apšvitinimo, CLOUD komanda paima „atmosferos“ mėginius iš aparato ir tiria, kokį poveikį padarė protonai. Eksperimentas kol kas dar tebevyksta, bet ankstyvieji rezultatai rodo, kad aukštos energijos protonų ir CLOUD atmosferos susidūrimai sukelia daugybę nanometrinių lašelių. Tačiau jie yra smarkiai per maži, kad galėtų būti debesų užuomazgomis.

Nors tai svarbus pirmasis žingsnis, kol kas jis mažai pasako apie galimą kosminių spindulių poveikį debesų formavimuisi ir klimatui.

CLOUD toliau rinks duomenis, tikriausiai bent penketą metų, o aparatas bus patobulintas, tyrėjams sužinant vis daugiau apie protonų poveikį jo atmosferai. Jie taip pat planuoja eksperimentus su didesnėmis aerozolių dalelėmis CLOUD atmosferoje, kas, jie viliasi, galiausiai sukurs dirbtinius debesis, pakankamai didelius, kad juos būtų galima tirti. Tai turėtų išspręsti klausimą viena ar kita linkme, tikisi Kirkbis.

Datavimas radioaktyviąja anglimi

Datavimo radioaktyviąja anglimi technika plačiai naudojama archeologijoje ir yra įmanoma dėl kosminių spindulių susidūrimo su mūsų atmosferos atomais. Iš susidūrimų randasi daug nestabilių izotopų, pavyzdžiui, ¹⁴anglis, kurios skilimo pusperiodis – 5730 metų. Jei kosminiai spinduliai nepapildytų ¹⁴anglies atsargų atmosferoje, šio izotopo Žemėje jau seniausiai nebūtų. Augalams žuvus ar kai juos suvartoja žmonės ar gyvūnai, ¹⁴anglies kaupimasis sustoja. Laikui bėgant, šio izotopo koncentracija mažėja. Lyginant ¹⁴anglies ir stabilaus jos izotopo (¹²anglies) santykį, galima apskaičiuoti archeologinio artefakto amžių.

Elektronikos pažeidimai

Kai kosminiai spinduliai pataiko į elektronikos grandines, jų energija gali sukelti laikinas klaidas. Tai gali tapti problema palydovų, kosminių laivų ar net lėktuvų elektronikai. „Qantas“ 2008 metų skrydžio metu kontrolės sistemų gedimus galėjo sukelti kosminiai spinduliai. Lėktuvas smuko šimtus metrų žemyn, sukeldamas sužeidimus daugeliui keleivių, tačiau nusileido saugiai.

Nuo to laiko lėktuvų programinė įranga buvo patobulinta, kad sušvelnintų staigius galios pokyčius, kokius gali sukelti kosminiai spinduliai. Manoma, kad kosminis spindulys prieš porą metų sukėlė klaidas 1977 metais paleisto kosminio zondo „Voyager 2“ sistemoje.

Biologiniai pažeidimai

Kosminiai spinduliai gali jonizuoti molekules, neigiamai veikdami sveikatą. Kosminiai spinduliai sudaro gan didelę žmones veikiančios radiacijos dalį – maždaug 15 procentų nuo viso natūralaus foninio spinduliavimo jūros lygyje. Ši dalis, kylant aukštyn, sparčiai didėja ir, tarkim, Denveryje ar Mechike gali būti penkis kartus didesnė.

Aukštai skraidančių tolimųjų reisų orlaivių įgulos, gali gauti dvigubai didesnę jonizuojančios radiacijos dozę. Virš atmosferos, visur esantys kosminiai spinduliai yra pagrindinė kliūtis žmonėms tyrinėti kosmosą. Kelionėje į Marsą ir atgal, įgulos nariai sukauptos radiacijos dozės siektų radiologinių tyrimų nustatytas saugias ribas.

Kosminiai spinduliai: Žengiant į aukso amžių

Kosminių spindulių tyrimas, prasidėjęs prieš 70 metų atvedė prie šiandienos eksperimentų gigantiškuose, aukštų energijų dalelių greitintuvuose. CERN Didžiajame hadronų greitintuve galima atlikti maždaug 10 teraelektronvoltų susidūrimus, bet tai tėra pusiaukelė tarp šiltos vasaros dienos energijos ir milžiniškos pirmųjų momentų po Didžiojo sprogimo energijos. Labai knietėtų ištyrinėti visą ekstremalių energijų spektrą, nes teorija skelbia, kad tenai kvantinė mechanika ir gravitacija susilydo į vieną „visko teoriją“. Nėra jokių galimybių atkurti tokias sąlygas žemiškose laboratorijose, tad jei norime ištirti tokius ekstremumus, reikia žvalgytis į kosminius spindulius. Dėl to, regis, apžvelgiamoje ateityje aukštų energijų ribą žymės kosminiai spinduliai. Tuo tarpu didelių neutrinų detektorių vystymas atveria naują langą į visatą.

Kosminių spindulių naudojimas, kaip naujos astronomijos formos, atskleidžiančios giliai kosmose ir toli laike vykusius įvykius, labai jaudina. Prabėgus šimtmečiui nuo atradimo, kosminiai spinduliai žengia į savo aukso amžių.

Trumpas kursas: Kosminiai spinduliai