Radiații cosmice

(Fluxul cosmic vs. energia particulelor.)

Radiațiile cosmice sunt radiații de înaltă energie, care provin în principal din afara sistemului solar și chiar din galaxii îndepărtate. La impactul cu atmosfera Pământului, razele cosmice pot produce fluxuri de particule secundare care uneori ajung la suprafață. Se compun în principal din protoni de înaltă energie și nuclei atomici, și sunt de origine nesigură. Datele din Telescopul Spațial Fermi (2013) au fost interpretate ca dovezi că o fracțiune semnificativă de raze cosmice primare provine din explozii de stele ale supernovelor. Nucleul galactic activ pare, de asemenea, să producă raze cosmice, pe baza observațiilor asupra unei raze neutrinice și gama de la blazarul TXS 0506 + 056 în 2018.

Radiațiile cosmice masive comparate cu fotonii

În uz curent, termenul de rază cosmică se referă aproape exclusiv la particulele masive – cele care au o masă de repaus – spre deosebire de fotoni, care nu au o masă de repaus. Particulele masive au energie de masă suplimentară, cinetică, atunci când se mișcă, datorită efectelor relativiste. Prin acest proces, unele particule dobândesc energii masive extrem de mari. Acestea sunt semnificativ mai mari decât energia chiar și a fotonilor cu cea mai mare energie detectată până în prezent. Energia fotonului fără masă depinde numai de frecvență, nu de viteză, deoarece fotonii călătoresc întotdeauna cu aceeași viteză. La capătul superior al spectrului de energie, energia cinetică relativistă este sursa principală de masă-energie a razelor cosmice.

Razele cosmice fermionice cu cea mai mare energie detectată până în prezent, cum ar fi particula Oh-My-God, au avut o energie de aproximativ 3×10²⁰ eV, în timp ce razele gamma cu cea mai mare energie care pot fi observate, razele gama foarte energice, sunt fotoni cu energii de până la 10¹⁴ eV. Prin urmare, razele cosmice fermionice cu cea mai mare energie detectată sunt de aproximativ 3×10⁶ ori mai energice decât fotonii cosmici cu cea mai mare energie.

Compoziţie

Din razele primare cosmice, care provin din afara atmosferei Pământului, aproximativ 99% sunt nucleele unor atomi bine cunoscuți (desprinși de învelișurile lor de electroni) și aproximativ 1% sunt electroni solari (asemănători cu particulele beta). Dintre nuclee, aproximativ 90% sunt protoni simpli (adică nuclei de hidrogen); 9% sunt particule alfa, identice cu nucleele de heliu; și 1% sunt nucleele elementelor mai grele, numite ioni HZE. O fracțiune foarte mică sunt particulele stabile de antimaterie, cum ar fi positronii sau antiprotonii. Natura exactă a acestei fracții rămase este o zonă de cercetare activă. O căutare activă pe orbita Pământului pentru particulele anti-alfa nu a reușit să le detecteze.

Energia

Razele cosmice atrag atenția practic, datorită daunelor provocate echipamentelor microelectronice și vieții în afara unei atmosfere și a câmpului magnetic protective, și din punct de vedere științific, pentru că au fost observate raze cosmice cu energie ultra-înaltă de 3 × 10²⁰ eV, de aproximativ 40 de milioane de ori mai mare decât energia particulelor accelerate de Large Hadron Collider. Se poate demonstra că astfel de energii enorme ar putea fi realizate prin intermediul mecanismului centrifugal de accelerare în nucleele galactice active. La 50 J, razele cosmice cu energie superioară cu cea mai mare energie au energii comparabile cu energia cinetică a unei mingi de baseball de 90 de kilometri pe oră (56 mph). Ca rezultat al acestor descoperiri, a fost interesat să se investigheze razele cosmice cu energii și mai mari. Cele mai multe raze cosmice, cu toate acestea, nu au astfel de energii extreme; distribuția energiei razelor cosmice atinge un vârf la 0,3 gigaelectronvolți (4,8 x 10^-11 J).

Surse de raze cosmice

Speculațiile timpurii asupra surselor de raze cosmice au inclus o propunere din 1934 a lui Baade și a lui Zwicky, sugerând că razele cosmice au provenit din supernove. O propunere din 1948 a lui Horace W. Babcock a sugerat că stelele variabile magnetice ar putea fi o sursă de raze cosmice. Ulterior, în 1951, Y. Sekido et al. a identificat Nebuloasa Crab ca sursă de raze cosmice. De atunci, o varietate largă de surse potențiale pentru razele cosmice au început să apară, inclusiv supernove, nuclee galactice active, quasari și explozii de raze gama.

 (Surse de radiații ionizante în spațiul interplanetar.)

Ulterior, experimentele au ajutat la identificarea surselor de raze cosmice cu o mai mare certitudine. În 2009, o lucrare prezentată de cercetătorii de la Observatorul Pierre Auger la Conferința internațională a radiațiilor cosmicelor, a arătat că radiațiile cosmice de energie ultra-înaltă provine dintr-o locație pe cer foarte aproape de galaxia radio Centaurus A, deși autorii au declarat în mod specific că va fi necesară o investigație suplimentară pentru a confirma Cen A ca o sursă de raze cosmice. Cu toate acestea, nu s-a constatat nicio corelație între incidența exploziilor de raze gama și razele cosmice, determinând autorii să stabilească limite superioare de 3,4 x 10^-6 erg·cm^-2 pe fluxul de raze cosmice de 1 GeV-1 TeV de la rafalele cu raze gama.

În 2009, s-a spus că supernovele au fost „fixate” ca sursă de raze cosmice, o descoperire făcută de un grup folosind date din Very Large Telescope. Această analiză a fost totuși contestată în 2011 cu date de la PAMELA, care au arătat că „formele spectrale ale nucleelor de hidrogen și heliu sunt diferite și nu pot fi descrise bine de o singură lege a energiei”, sugerând un proces mai complex de formare a razelor cosmice . În februarie 2013, însă, cercetările care analizează date de la Fermi au arătat printr-o observare a dezintegrării pionului neutru că supernovele erau într-adevăr o sursă de raze cosmice, fiecare explozie generând aproximativ 3×10⁴²-3×10⁴³ J de raze cosmice. Cu toate acestea, supernovele nu produc toate razele cosmice, iar proporția razelor cosmice pe care le produc este o întrebare la care nu se poate răspunde fără studii ulterioare.