Yli 100-vuotias arvoitus

UV-teleskooppi sijoitetaan ISS:lle
havaitsemaan ilmakehässä
esiintyvää Cherenkovin säteilyä,
joka syntyy kosmisen säteilyn
törmätessä ilmakehän atomeihin.
Kuva JEM-EUSO. 

Tieteen historia tuntee sitkeitä arvoituksia, joiden ratkeamista saadaan odottaa pitkään. Yksi näistä on kosminen hiukkassäteily [1], jonka havaitsi ensimmäisenä itävaltalainen fyysikko Victor Hess vuonna 1912. Hän teki mittauksia kuuden tunnin ilmapallolennolla ja havaitsi hiukkassäteilyn intensiteetin kasvavan korkeuden myötä.

Kaksi tunnettua kosmisen säteilyn tutkijaa vaikutti 1900-luvun alkupuolella. Robert A. Millikan’in mielestä säteily oli ”kovaa” gammasäteilyä ja hänen kilpailijansa Arthur H. Compton puolestaan piti sitä hiukkassäteilynä. Historia osoitti Comptonin olleen oikeassa. Millikan kuitenkin piti kiinni näkemyksestään.

Aluksi kosmista säteilyä tutkineet tiedemiehet olivat hiukkasfyysikkoja. Tilanne kuitenkin muuttui merkittävästi, kun 1950-luvulla käynnistettiin ensimmäisten hiukkaskiihdyttimien rakentaminen. Vaikka vielä nykyisinkin hiukkaskiihdyttimien energiat jäävät paljon kosmisten hiukkasten energian alapuolelle, astro- ja hiukkasfyysikot ovat jälleen lähentymässä toisiaan.

Tästä lähentymisestä on hyvä esimerkki Chicagon yliopistossa työskentelevän astrofyysikko ja professori Angela Olinto’n johtama projekti, jossa Kansainväliselle avaruusasemalle ollaan rakentamassa isoa uv-teleskooppia [2]. Teleskoopin pitäisi aloittaa toimintansa vuonna 2017. Teleskooppi suunnataan – hieman tavallisuudesta poiketen – maapallonilmakehään ja sillä havaitaan kosmisen hiukkassäteilyn ilmakehässä aikaansaamia vyörypurkauksia. Hankkeessa on mukana tutkijoita ja tutkimuslaitoksia useista USAn tutkimuslaitoksista ja Nasa on tukenut sitä 4,4 miljoonan dollarilla.

Victor Hess ilmapallon korissa.

Kosmisen säteilyhiukkasen energia vastaa helposti hyvin nopeasti (~ 70 m/s) kiitävän tennispallon energiaa[3]. Hiukkasen törmätessä maapallon ilmakehään, ne aiheuttavat kymmenien miljardien alkeishiukkasten vyöryn, joita pystytään havaitsemaan uv-säteilyn aallonpituudella. Jo parin vuosikymmenen ajan tutkijat ovat havainneet ilmakehän hiukkasvyöryjä maanpinnalta, mutta nyt siis ensimmäistä kertaa niitä pyritään havaitsemaan avaruudesta.

Vaikka kosmisen säteilyn energeettiset hiukkaset eivät pysty läpäisemään ilmakehää, vyörypurkausten sekundääriset hiukkaset voivat tuottaa myös terveydellistä haittaa ihmisille. Suurimmassa vaarassa ovat yli 10 kilometrin korkeudella lentävien lentokoneiden miehistöt, sillä he joutuvat jokaisella työvuorollaan kosmisen säteilyn vaikutuksille alttiiksi. Lentomatkustajat saavat kyllä osansa säteilystä, mutta heille säteilyannokset tulevat huomattavasti harvemmin kuin lentohenkilökunnalle.

Myös Kansainvälisellä avaruusasemalla työskentelevät astronautit altistuvat säteilylle. Osa hiukkassäteilystä läpäisee aseman seinämät sellaisenaan ja osa puolestaan saa aikaan sekundäärisen hiukkasryöpyn. Vaikka maapallon magneettikenttä suojaakin osalta säteilyltä, aivan kaikkea se ei kuitenkaan pysty poistamaan. Kuuhun ja Marsiin matkustaminen lisäisi kosmisensäteilyn annoksia merkittävästi ja tällä hetkellä säteilysuojien puute tai niiden massiivisuus on suurin tekninen ongelma pitkille avaruuslennoille ja tutkimusasemien perustamiselle [4]. Ilman suojausta astronautit tuskin selviäisivät hengissä muutamaa kuukautta pitempään.

Ei ainoastaan ihmiset, vaan myös elektroniikka on erittäin herkkää kosmiselle säteilylle. Ilmakehässä syntyvän vyörypurkauksen sekundääriset hiukkaset saavat aikaa helposti häiriöitä heikosti suojatun elektroniikan toimintaa maanpinnalla. Avaruuteen vietävät laitteistojen suojauksiin kiinnitetään paljon suurempaa huomiota ja niitä ”karaistaan” kestämää hiukkaspommitus. Näistä varotoimenpiteistä huolimatta hiukkassäteily saa aikaan avaruuslaitteissa häiriöitä ja vaurioita, joiden korjaaminen on mahdotonta. Vuosittain menetetään useita satelliitteja tästä syystä.

Huomautukset

[1] Kosmisen hiukkassäteilyn alkuperää ei ole täysin varmasti pystytty osoittamaan. Syy tähän on se, että hiukkaset ovat sähköisesti varautuneita hiukkasia (useimmiten protoneja mutta joukossa on myös raskaampia atomiytimiä), joten niiden rata tähtien ja galaksienvälisessä avaruudessa muokkaantuu magneettikenttien vaikutuksesta. Erityisesti Auringon magneettikenttä muuttaa kosmisen säteilyn ratoja aurinkokunnan sisällä, joten säteilylähde on ”sumean ikkunan” takana.

Kosminen säteily saa aikaan
selundääristen hiukkasten
vyörypurkauksen. Kuva JEM-EUSO.

[2] Extreme Universe Space Observatory -teleskoopin kooksi on suunniteltu 2,5 metriä. Sen objektiivina tulee olemaan fresnel-linssi, jonka etuja ovat pieni massa ja vähäinen tilantarve. Lisäksi linssiä käyttämällä saavutetaan laaja kuvakulma (60°), joten havaintoja voidaan tehdä paljon laajemmalta alueelta kuin maanpinnalta. UV-säteily (aallonpituusalueella 330–400 nm) syntyy sekundäärishiukkasten aiheuttamasta Cherenkovin säteilystä, jota syntyy noin 45 km korkeudelta alkaen ja se suuntautuu hiukkasen liikesuuntaan poiketen siitä enintään 1,3°. Syntyneet uv-fotonit siroavat ilmakehän molekyyleistä (ja aerosoleista), joten niitä voidaan havaita muualtakin kuin vyörypurkauksen suunnasta.  Säteilyn voimakkuus on verrannollinen alkuperäisen kosmisen säteilyhiukkasen energiaan.

Ilmakehässä syntyvät
sekundääriset hiukkaset
ovat pioneja, myoneja,
elektroneja ja neutriinoja.
Lisäksi vapautuu energiaa
uv-säteilynä. Kuva JEM-EUSO.

 [3] Jopa E > 5×10¹⁹ eV. Tällä hetkellä tutkijat uskovat kaikkein energeettisimmän kosmisen säteilyn energian olevan peräisin mustien aukkojen syntyessä vapautuneesta energiasta. Kosmista säteilyä näyttäisi tulevan myös galaksien, esimerkiksi Linnunradan, ytimistä.  Suuri energisyys selittyy hiukkasten suurella, lähes valonnopeutta lähentelevällä vauhdilla. Oman osansa kosmiseen hiukkassäteilyyn antaa meidän Aurinkomme, josta merkittävä osa maapallolle saapuva hiukkasäteily on peräisin.

[4] Kts. http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2013/05/sateily-huomattava-terveysriski.html

Lisää tietoa kosmisesta säteilystä tästä blogista löytyy hakusanalla ”kosminen säteily”.