Najogólniej mówiąc, promienie kosmiczne odnoszą się do każdego promieniowania falowego lub korpuskularnego, które pochodzi spoza Ziemi. W zastosowaniach naukowych najczęściej jednak rozumie się je pod węższym terminem – promieniowanie kosmiczne. Jest to zawarte w szerszym pojęciu, plus tło reliktowe w paśmie radiowym i kilka innych promieni. W segmencie anglojęzycznym cosmic rays i cosmic radiation są identyczne, więc i my zastosujemy takie podejście.
Historia odkrycia promieni kosmicznych
Na początku XX wieku wielu fizyków badało spontaniczną jonizację gazu przez promieniowanie. Skąd brał się prąd w komorach gazowych, których ściany miały pół metra grubości ołowiu? Próbowali wyjaśnić taki mechanizm wpływem rozpadu promieniotwórczego we wnętrzu Ziemi i przez pewien czas hipoteza ta się sprawdzała.
Jednak w 1912 roku badacz Hess przeprowadził eksperyment z komorami balonowymi. Stwierdził on, że spontaniczna jonizacja gazu wzrasta wraz z wysokością. Czyli im dalej od Ziemi, tym większe promieniowanie. Potem nie było już większych wątpliwości, że mamy do czynienia z jakimś promieniowaniem z kosmosu.
Amerykański fizyk Milliken jako pierwszy nazwał je promieniami kosmicznymi. Określił też przybliżone natężenie i energię promieniowania, porównując je z promieniowaniem gamma jąder atomowych. W 1932 roku Anderson odkrył pozytony w promieniach kosmicznych, a w 1955 roku odkrył miony i mezony. W 1958 roku Van Allen odkrył tzw. pasy radiacyjne wokół Ziemi, które są tworzone przez wysokoenergetyczne cząstki promieniowania galaktycznego.
Natura i rodzaje promieniowania kosmicznego
Wszystkie promienie kosmiczne dzielą się na podgatunek pierwotny – pochodzący bezpośrednio z kosmosu – oraz podgatunek wtórny, który powstaje w ziemskiej magnetosferze. Z podstawowych podgatunków zacznijmy od galaktycznych promieni kosmicznych (GCR).
GCR docierają do nas spoza Układu Słonecznego, z różnych punktów Drogi Mlecznej i właściwie dlatego tak się nazywają. Składają się one z jąder litu, berylu i boru, wzmocnionych do energii 10-20 megaelektronowoltów, a także wysokoenergetycznych elektronów i pozytonów. Hipotez pochodzenia GCR jest wiele, ale najbardziej realne są supernowe gwiazd, lub kolapsary – magnetary, pulsary. Mogą one przyspieszać cząstki do gigantycznych prędkości i energii poprzez swoje potężne pola magnetyczne.
Oczywiście kolejnym aktywnym źródłem promieni kosmicznych musi być nasze Słońce. Ten typ nazywany jest słonecznym promieniowaniem kosmicznym (SCR). Mogą one zawierać elektrony, protony i jądra wielu pierwiastków chemicznych, głównie helu. Cząstki te rodzą się, gdy nasza luminacja rozbłyska.
Następnie mamy ekstremalny typ CL, wybuchy promieniowania gamma. Po raz pierwszy zostały wykryte w 1967 roku przez amerykańskiego satelitę wojskowego przeznaczonego do śledzenia wybuchów jądrowych. Te promienie gamma docierają do nas z obiektów oddalonych o miliardy lat świetlnych, można powiedzieć, że z drugiej strony wszechświata. Ponadto jest ona tak wysokoenergetyczna, że gdyby taki wybuch miał miejsce w naszej galaktyce – całe życie na Ziemi by wymarło (istnieje hipoteza, że wymarcie trylobitów w okresie ordowiku było spowodowane wybuchem gamma). Na szczęście takie zdarzenia są rzadkie i wąsko skupione – w Drodze Mlecznej uważa się, że występują raz na milion lat.
Co zatem powoduje tak gigantyczną emisję energii? Nie ma jednej odpowiedzi, ale najprawdopodobniej są one związane albo z łączeniem się zwartych obiektów relatywistycznych (gwiazd neutronowych, czarnych dziur), albo z zapadaniem się pewnych (szybko rotujących) typów supernowych. W ułamku sekundy taki obiekt emituje strumień (jet) promieni gamma o energii, jaką Słońce emituje w ciągu milionów lat. A potem ten wąski “promień śmierci” leci przez wszechświat.
Kolejny rodzaj promieni kosmicznych również można zaliczyć do zjawisk rzadkich i ekstremalnych. Mówimy o cząstkach o ultrawysokiej energii (promienie Oh-My-God). Są to energie 20 milionów razy większe niż te osiągane za pomocą akceleratorów cząstek. Po raz pierwszy wykryto je w 1991 roku i od tego czasu odnotowano je tylko do 100 razy (czyli jest to zjawisko bardzo rzadkie). Ich źródło nie zostało jeszcze zidentyfikowane i jest dyskusyjne w środowisku naukowym.
Wszystkie te typy są pierwotne, teraz rozważmy wtórne promienie kosmiczne. Są to cząstki (głównie protony i elektrony), które są wychwytywane przez pole magnetyczne Ziemi i krążą na pewnych wysokościach. Istnieją dwa pasy promieniowania Van Allena – dolny, na wysokości 4000 km, i górny, 17000 km.
Wpływ na ludzi i społeczeństwo
Promieniowanie kosmiczne nie ma zauważalnego wpływu w pobliżu powierzchni Ziemi, nie ma też negatywnego wpływu na zdrowie człowieka. Wynika to z faktu, że atmosfera i magnetosfera planety neutralizują wszelkiego rodzaju promienie korpuskularne. Oczywiście nie mówimy tu o wybuchach promieniowania gamma, a jedynie o cząstkach galaktycznych i słonecznych.