sunnuntai 1. lokakuuta 2017

Energeettinen kosmisen säteily tulee Linnunradan ulkopuolelta

Kosminen säteily aiheutta ilmasuihkuksi sanotun sekundääristen
hiukkasten ryöpyn, jonka perusteella tutkijat pystyvät
havaitsemaan kosmista säteilyä.
Kuva A. Chantelauze, S. Staffi, L. Bret.
Kosminen säteily löydettiin jo yli sata vuotta sitten. Silloin (1912) tutkija nimeltään Victor Hess nosti säteilymittarin ilmapallolla ilmakehän yläosaan ja totesi säteilyn voimistuvan mitä ylemmäksi pallo nousi. Viiden kilometrin korkeudessa säteilyn voimakkuus (vuon tiheys) on noin viisinkertainen merenpinnan tasoon verrattuna. Säteilymittarina Hess käytti hyvin alkeellista elektrometriä, jolla säteilyvuon tiheyden mittaus ei ole kovinkaan tarkkaa.

Parisen vuota myöhemmin Werner Kolhörster vahvisti Hessin havainnon ja totesi, että säteilyvoimakkuus oli vielä suurempi noin 9 km korkeudella. Hänen teoriansa mukaan säteilyn alkuperä oli ilmakehän ulkopuolella, mutta tarkempaa arviota säteilylähteestä ei pystytty päättelemään.

Energeettinen kosminen sätely näyttää tulevan
Linnunradan ulkopuolelta.
Kuva The Pierre Auger Collaboration.
Säteilylähde pysyi salaisuutena aivan meidän päiviimme asti. Parhaina säteilylähteinä pidettiin Aurinkoa ja Linnunradassa esiintyneitä supernovia. Niistä tuleva säteily onkin todettu olevan matala- ja keskienergistä mutta suurienenergisen säteilyn lähde on pysynyt aivan tähän päivään asti salaisuutena. Paras selitys on että se tulee Linnunratamme ulkopuolelta galaktisesta lähteistä mutta sen tarkemmin säteilylähdettä ei ole pystytty selvittämään.

Kosminen säteilyn on hyvin suurella nopeudella, melkein valonopeudella etenevää hiukkassäteilyä, joka koostuu suurimmaksi osaksi (90 %) vety-ytimistä eli protoneista. Noin 9 % on alfahiukkasia (ionisoituneita heliumytimiä) ja loput raskaampien alkuaineiden ytimiä. Kaikkein energeettisimpien hiukkasten energia on 3×1020 eV mikä vastaa 40 miljoona-kertaisesti energia, joka voidaan saavuttaa LHC-törmäyttimessä Cernissä. Suurimmat energiat ovat samaa luokkaa kuin noin 25 m/s nopeudella lentävän baseball-pelissä käytetyn pallon energia on.

Kosminen sätely tulee Linnunradan ekvaatorin eteläpuolelta.
Kuva Wikimedia Commons, Kari A. Kuure
.
Kosmisen säteilyn uusin tutkimustulos tulee Pierre Auger observatoriosta (Pampas, Argentina), jolla on käytössään yli 3000 neliökilometrin alueelle 1600 ilmaisinta, jotka havaitsevat kosmisen säteilyn aiheuttamia ilmasuihkuja. Kosmisen säteilyn hiukkaset törmäävät ilmakehään ja aiheuttavat sekundääristen hiukkasten suihkun. Ilmaisina käytetään 12 tonnin puhdasvesisäiliöitä, joissa sekundäärissäteilyn hiukkaset aiheuttavat Cherenkovin säteilynä tunnetun valoilmiön. Lyhytaikaiset valonvälähdykset havaitaan valovahvistimilla. Vesisäiliöiden käyttäminen ei ole ainoa mahdollisuus, sillä erittäin pimeän taivaan alla voidaan havaita myös ilmakehässä syntyviä Cherenkovin säteilyn aiheuttamia valonvälähdyksiä.

Auger observatorion tutkijat ovat koonneet aineistoa ilmasuihkujen aiheuttamista yli kymmenestä miljardista sekundäärisestä hiukkasesta. Hiukkaset ovat olleet elektroneja, fotoneita ja myoneita. Tutkimukseen otettiin mukaan noin 30 000 korkeaenergistä (> 8×1018 eV =EeV)kosmisen hiukkasen ilmasuihkua, jolloin ne voitiin erottaa Auringosta ja Linnunradan supernovista tulevista hiukkasista. Onneksi korkeaenergiset kosmiset hiukkaset eivät ole aivan yhtä herkkiä avaruuden erilaisten magneettikenttien vaikutukselle kuin matalaenergiset hiukkaset. Matalaenergisiä hiukkasia näyttää tulevan joka puolelta, mutta uusimman tutkimustuloksen mukaan suurienergiset hiukkaset tulevat selkeästi yhdestä lähteestä.

Kosminen sätely näyttää tulevan alueelta, jonka kosminen
mikroaaltosätely on voimakkainta.
Kuva Wimedia Commons, Kari A. Kuure.
Kosmisen säteilyn lähde ei ole Linnunradan massiivinen musta aukko, sillä säteily näyttää tulevan noin 120 asteen etäisyydestä siitä. Toisin sanoen säteilyn lähde on Linnunradan ulkopuolella[1]. Valitettavasti havainnot eivät vielä riitä säteilylähteen aivan tarkan paikan määrittämiseen mutta 95 % tarkkuudella säteilylähde sijaitsee noin 15–20 astetta eteläisellä pallonpuoliskolla galaksisessa järjestelmässä ja noin 120 asteen etäisyydellä itään Linnunradan keskustasta.



Huomautukset

[1] Kosmisia säteitä tutkineen professori Bruce Dawsonin (University of Adelaide's High Energy Physics Group) mukaan.