Kosmesch Stralung

D'Kosmesch Stralung (cosmic rays) ass eng héichenergetesch Deelerchesstralung aus dem Weltraum, déi vun der Sonn, der Mëllechstrooss a vu wäite Galaxië kënnt. Si besteet haaptsächlech aus Protonen, donieft aus Elektronen a komplett ioniséierten Atomen. Op déi baussenzeg Äerdatmosphär treffe ronn 1000 Deelercher pro Quadratmeter a Sekonn. Duerch Wiesselwierkung mat de Gasmolekülen entstinn Deelerchesschauere mat ville Sekundärdeelercher, vun deenen awer nëmmen e klengen Deel d'Äerduewerfläch erreecht.

Dësen Artikel entsprécht net de Wikipediakrittäre fir en enzyklopedeschen Artikel. Dat kann dru leien datt Schreif- oder Tippfeeler dran ze fanne sinn, oder en nach net nom Stil vun engem Wikipediaartikel formatéiert gouf. Et kann och sinn, datt den Inhalt net an eng Enzyklopedie gehéiert, sou wéi en am Moment do steet. Fir ze verhënneren datt dësen Artikel eventuell geläscht gëtt, muss en onbedéngt iwwerschafft ginn.

D'Kosmesch Stralung ass net ze verwiessele mat der kosmescher Hannergrondstralung.

D'Sekundärstralung (mat bis zu 10¹¹ Deelercher pro Primärdeelchen) ass um Äerdbuedem oder duerch Ballonsonden nozeweisen. D'Loftschauere sinn e puer km² grouss, vertikal awer nëmmen e puer Meter. Si ginn Hiweiser op d'Aart an d'Energie vun de kosmesche Primärdeelercher an de Verlaf vun der Front op d'Afallsrichtung.

De Victor F. Hess hat 1912 eng sougenannt Héichtestralung virausgesot, fir déi bei enger Ballonfaart gemoossen héichr elektresch Leetfäegkeet vun der Atmosphär an och d'Zouhuele vun der Gammastralung a grousser Héicht z'erklären.

De Begrëff Stralung huet sech bis haut gehalen, obwuel déi elektromagnetesch Gammastralung net zu der kosmescher Stralung gerechent gëtt. Am Ënnerscheed zu der kosmescher Deelerchesstralung heescht si kosmesch Gammastralung.

Andeelung an Urspronk

Raimlech Verdeelung vun der kosmescher Gammastralung mat Energië méi grouss wéi 100 MeV. Hir Verdeelung gëtt Hiweiser op den Urspronk vun der Deelerchesstralung. Dat hellt Band ass d'Mëllechstrooss, mat hirem Zentrum an der Mëtt.

Ofhängeg vum Urspronk ënnerdeelt een d'kosmesch Stralung a Solarstralung (engl.:Solar cosmic ray, SCR), galaktesch (engl.: galactic cosmic ray, GCR) an extragalaktesch Stralung:

• Sonnewand. Seng Kennzeeche sinn: Deelerchesstroumdichten ëm 10⁷/(cm²•s), niddreg Energien, meeschtens Protonen an Alphadeelercher. Deelerchesdicht ëm 5/cm³; Ursaach vum Polarliicht;
• Sonneflaren, CME. Kennzeechen: Zouhuele vun der Deelerchesstroumdicht a wéinege Stonnen an Deeg op 10⁸/(cm²•s) bis 10¹⁰/(cm²•s), héich Energien ëm 10 MeV, Deelerchesdicht bis 50/cm³.
• Heiansdo och Van-Allen-Ceinture, obwuel seng Stralung d'Äerd net erreecht.
• Anormal kosmesch Stralung (engl.: anomalous cosmic rays, ACR) entsteet warscheinlech duerch d'Wiesselwierkung vum Sonnewand mat der lokaler interstellarer Matière (LISM) am Beräich vum Termination Shock no bei der Heliopaus. Kennzeechen: manner Energie wéi GCR, manner Waasserstoff- a Kuelestoffione wéi Waasserstoff a Kuelestoff an der LISM.
• Galaktesch kosmesch Stralung (GCR). Kennzeechen: wéineg Deelerchesflossdichten, ganz héich Energien (1 GeV a méi héich), eng Parti schwéier Ionen. Mat zouhuelender Energie verklengert sech d'Oflenkung duerch Magnéitfelder an d'Anisotropie vun der Stralung hëlt zou.
• Extragalaktesch Deelercher mat Héchstenergie vu bis zu 10²⁰ eV. D'Flossdichte leien ënner 10⁻²⁰ Deelercher pro Sekonn a Quadratmeter.

D'Quelle vun der galaktescher kosmescher Stralung loosse sech eréischt zanter de leschte Joren identifizéieren. Kandidaten dofir sinn ënner anerem Schockfronte vu Supernova-Explosiounen, kosmesch Jets vu schwaarze Lächer oder vu Pulsaren. Fir Deelerchesenergien ënner 10¹⁸ eV ( = 1 EeV) gëtt en Urspronk an der Mëllechstrooss ugeholl, wärend fir méi grouss Energien aner Galaxien oder Quasare méiglech sinn. Kosmesch Magnéitfelder lenken d'Deelercher of. Si schéngen dofir isotrop op d'Äerd ze stralen. Well awer vill Quellen nieft Deelercher och Gammastralung aussenden, léisst sech sou hiren Urspronk zeréckverfollegen.^[1]

Zesummesetzung

D'Energiespektrum vun der kosmescher Stralung

Déi galaktesch kosmesch Stralung besteet ongeféier zu 87 % aus Protonen (Waasserstoffkäre), 12 % Alpha-Deelercher (Heliumkäre) an 1 % schwéieren Atomkäre. D'Heefegkeetsverdeelung vun den Atomkären entsprécht ongeféier der solarer Elementheefegkeet. Ausname si virun allem Lithium (Li), Beryllium (Be) a Bor (B), déi an der kosmescher Stralung als Folleg vu Spallatiounsreaktioune beim Duerchdrénge vun der interstellarer Matière bis zu 500.000-mol méi heefeg si wéi an der solarer Matière. Duerch Wiesselwierkung mat der Atmosphär observéiert een op der Äerd net déi ursprénglech Stralung, mä d'Reaktiounsprodukter aus der Wiesselwierkung mat der Atmosphär, besonnesch mat Stéckstoff a Sauerstoff souwéi Kuelestoff. Den Undeel vun Elementer, déi méi schwéier si wéi Eisen an Néckel ass nach net genee bekannt, Spuere vu Bismut sinn nogewisen.

D'Verdeelung vun den Deelercher pro Zäit, N(E), an Ofhängegkeet vun der Energie E follegt engem Potenzgesetz:

N(E) ~ E^-γ

mat:

γ = 2,7 fir E < 4•10¹⁵ eV

γ = 3 fir 4•10¹⁵ eV < E < 5•10¹⁸ eV

γ < 3 fir E > 10¹⁸ eV

γ >>3 fir E > 10²⁰eV (Energië méi grouss wéi 10²⁰eV ginn net observéiert)

Déi am Joer 2008 duerchgefouert Miessunge schéngen de GZK-Cutoff iwwer 5•10¹⁹ Elektronevolt ze bestätegen.^[2] Duerno begrenze Wiesselwierkunge mat der kosmescher Hannergrondstralung d'Deelchenenergie op 10²⁰ bis 10²¹ eV, virausgesat, déi fräi Weelängt vun 160 Mio. Liichtjoer gëtt iwwerschratt.

Fuerschungsgeschicht

Ionisatiounsmiessunge vum Hess (1912) a Kolhörster (1913 an 1914)

Am Joer 1912 hat de Victor Franz Hess déi kosmesch Stralung mat Ballonfaarten an d'Äerdatmosphär entdeckt. Publizéiert hat hien d'Entdeckung an der Physikalischen Zeitschrift 13 (1912), 1084.

Schonn 1949 hat den Enrico Fermi e méiglechen Acceleratiounsmechanissem virausgesot, deen eng statistesch Acceleratioun un magnetiséiertem Plasma ("Magnéitwolleken") resp. flaache Schockfronten huet. Schockfronten triede virun allem no Supernovaexplosiounen an der ofgesoussener Hüll vun der Supernova op. Bei dëser statistescher Acceleratioun gëtt iwwer laang Zäit duerch "Stéiss" d'Energie vum Gas op dat Deelchen iwwerdroen. Dobäi entsteet e Potenzspektrum, awer mat engem vun de Moossdaten abweechende Spektralindex γ.

De Scott E. Forbush hat 1946 nogewisen, datt bei Sonneneruptiounen Deelche bis an de GeV-Beräich verursaacht ginn.

De Walther Bothe an de Werner Kolhörster hate versicht den Nowäis z'erbréngen, datt déi kosmesch Stralung eng héichenergetesch Gammastralung wier. Fir hir Experimenter hate si en Apparat, deen am Wiesentlechen aus zwéi Geiger-Müller-Zielréier bestoung, tëscht déi ee verschidden déck Absorber a Form vun Eisen- oder Bläiplacke brénge konnt. Si goungen dovun aus, datt e Gammaquant nëmmen da mat engem Geiger-Müller-Zielrouer nogewise konnt ginn, wann et virdrun en Elektron aus engem neutralen Atom schléit. Dësen Elektron géif da vum Zielrouer nogewisen. Déi sekundär Elektrone wollten de Bothe an de Kolhörster ënnersichen, an dozou brauchte si déi Zielréier. Tatsächlech entdeckte si ganz séier Koinzidenzen, dat bedeit Evenementer, déi a béiden Zielréier zur gläicher Zäit geschéien. Dat hat drop higewisen, datt en Elektron, dat vun engem Gammaquant aus engem Atom geschloe gouf, am séiere Fluch béid Zielréier duerchdronge misst hunn.

Als Nächst hu si d'Energie vun dësen ugehollenen Elektrone bestëmmt. De Bothe an de Kolhörster haten zu hirem Erstaune festgestallt, datt 75 % vun der Koinzidenzen net eemol duerch e véier Zentimeter décke Goldbarren ze verhënnere war.

Tatsächlech waren d'Deelercher, duerch déi d'Geiger-Müller Zielréier ausgeléist goufen, grad sou duerchdréngend wéi d'Kosmesch Stralung selwer. Dat hat zum Schluss gefouet, datt déi Kosmesch Stralung selwer, entgéint der allgemenger Annam, keng Gammastralung ass, mä op d'mannst zu engem Deel aus geluedenen Deelercher ganz héijer Duerchdréngungskraaft besteet. Si konnte weisen, datt déi sekundär Stralung, déi vun der primärer Kosmescher Stralung an der Wiesselwierkung mat eiser Atmosphär gebilt gëtt, aus elektresch geluedenen Deelercher besteet.

Wiesselwierkung mat Matière

Kosmesch Stralung léist beim Duerchdrénge vu Matière Spallatiounsreaktiounen aus. Duerch Moosse vun den Heefegkeete vun de Spallatiounsprodukter a Meteoritte ka sou zum Beispill deenen hir Openthaltsdauer am Weltraum bestëmmt ginn (Bestralungsalter). Och konnt sou festgestallt ginn, datt sech déi mëttel Intensitéit vun der galaktescher kosmescher Stralung zanter op d'mannst 100 Millioune Joer héchstens ëm de Faktor zwee geännert huet.

Wiesselwierkung mat der Äerdatmosphär

Deelchenschauer

Kosmesch Deelchenschauer

Beim Antrieden an d'Äerdatmosphär op enger Héicht ëm 20 km iwwer der _Uewerfläch produzéiert déi kosmesch Stralung Deelchenschauer. Aus emgem Energieproton vun 10¹⁵ eV entstinn méi wéi eng Millioun Sekundärdeelercher. Nëmmen e klengen Deel vun hinnen erreecht och d'Äerduewerfläch.

Duerch Spallatioun vu Stéckstoff- a Sauerstoffatomen entstinn Neutronen, Protonen, gelueden (π⁺, π^-), an neutral (π⁰) Pionen. Déi neutral Pionen zerstralen, déi gelueden zerfalen a Myonen:

${\displaystyle \pi ^{0}\rightarrow \gamma +\gamma }$

${\displaystyle \pi ^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }}$

${\displaystyle \pi ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }}$

D'Myone sinn och onstabil an zerfalen an Elektronen an Neutrinos:

${\displaystyle \mu ^{+}\rightarrow e^{+}+\nu _{e}+{\bar {\nu }}_{\mu }}$

${\displaystyle \mu ^{-}\rightarrow e^{-}+\nu _{\mu }+{\bar {\nu }}_{e}}$

Eng Schauer huet

• eng mëll elektromagnéitesch Komponent, ënner anerem duerch den Zerfall vun π⁰ an der Zerstralung vu Positron-Elektronen-Koppelen
• emg haart myonesch an
• eng hadronesch Komponent, déi haaptsächlech Protonen an Neutronen huet.

D'Komponente loosse sech onofhängeg vuneneen op der Äerd registréieren an hëllefe beim Nowäis vun der kosmescher Stralung.

Déi kosmesch Stralung an hir Zerfallprodukter droen zu der Entwécklung vu kosmogeene Radionukliden an der Äerdatmosphär an an der Äerdkuuscht bäi. Dacks ass d'Produktioun duerch déi kosmesch Stralung déi gréisst natierlech Quell fir dës Radionuklide, wat eng Rei vun Uwendunge fir d'Isotopenënnersich bréngt. Zu dëse kosmogeene Radionuklide gehéieren zum Beispill ¹⁴C, ³H, ¹⁰Be, ²⁶Al a ³⁶Cl.

D'Méiglechkeet vun der Radiokarbonmethod berout op der kosmescher Stralung, déi Neutrone fräisetzt, déi hirersäits Stéckstoff an d'Radioisotop ¹⁴C ëmwandele kënnen. Dëst gëtt nëmme wärend dem Stoffwiessel vu liewende Planzen an dëse gebonnen, zerfällt awer mat enger Hallefwäertszäit vu 5730 Joer, soudatt no Enn vum Stoffwiessel säi Gehalt ofhëllt an aus deem Deel op den Alter organescher Substanze geschloss ka ginn.

Kuckt och

Portal Astronomie

• Stralebelaaschtung
• Äerdmagnéitfeld

Literatur

• A. Unsöld, B. Baschek: Der neue Kosmos. Springer-Verlag, ISBN 3-540-42177-7
• C. Grupen: Astroteilchenphysik. Springer-Verlag, ISBN 3-540-41542-4
• Gerhard Börner, Matthias Bartelmann: Astronomen entziffern das Buch der Schöpfung. In: Physik in unserer Zeit 33(3), 2002, S. 114–120, ISSN 0031-9252
• Werner Hofmann: Die energiereichste Strahlung im Universum. In: Physik in unserer Zeit 33(2), 2002, S. 60–67, ISSN 0031-9252
• Karl Mannheim÷ An der Quelle der kosmischen Strahlung - Beobachtungen entlarven Stoßwellen von Supernova-Überresten als effiziente Teilchenbeschleuniger, Physik Journal 12 (4), 18-19 (2013)

Um Spaweck

Commons: Kosmesch Stralung – Biller, Videoen oder Audiodateien

• Astrodeelchenphysik an Däitschland
• Helmholtz Allianz fir Astrodeelchenphysik
• Spektrum vun der kosmescher Stralung
• Kosmesch Stralung bei Welt der Physik
• Rätsel vun der anomaler kosmescher Stralung
• Terrestrial cosmic ray intensities
• EPCARD – Straleschutz fir Fluchreesender a Personal

Referenzen

1. En aktuellen Artikel an enger Fachzäitschrëft ("Physik Journal" Bd. 9, Juni 2010, S. 31–36: Johannes Blümer, Partikel in der Pampa) fënnt sech hei: pro-physik.de
2. First Observation of the Greisen-Zatsepin-Kuzmin Suppression, Abstract aus Phys. Rev. Lett. 100, 101101 (2008)