Kosmische Strahlung

Weitere Wissenschaftler folgten Viktor Hess bei der Erforschung der damals neuartigen Strahlung. Mit einer Nebelkammer konnte Dimitry Skobelzyn 1927 zum ersten Mal Sekundärteilchen, die von der kosmischen Strahlung in der Erdatmosphäre erzeugt werden fotografieren. Beim Eintritt der hochenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung in die Erdatmosphäre führen diese Kernstöße mit den Atomkernen der Luft durch, dabei entsteht eine Vielzahl von Sekundärteilchen. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden in diesen Sekundärteilchen zuvor unbekannte Teilchen wie Positronen, Myonen und Pionen entdeckt.
    
Ab etwa 1950 können solche Teilchen auch an künstlichen Beschleunigern in großen Forschungseinrichtungen erzeugt werden, davor stellte die kosmische Strahlung die einzige Möglichkeit dar, die Eigenschaften von Elementarteilchen bei hohen Energien zu untersuchen.

Unter kosmischer Strahlung versteht man heute geladene Teilchen die die Erde aus dem Weltall treffen. Die kosmische Strahlung besteht zu etwa 98% aus Atomkernen und zu 2% aus Elektronen. Die Kerne teilen sich auf in 87% Wasserstoffkerne, d.h. Protonen, 12% Heliumkerne, und etwa 1% schwere Kerne, dabei wurden alle Elemente des Periodensystems von Wasserstoff bis zu den Aktiniden nachgewiesen. Die in der kosmischen Strahlung vorkommenden Energien überstreichen einen Bereich von einigen 1000 eV bis zu über 1020 eV (1020=100.000.000.000.000.000.000; 1 eV =1,6*10-19 Joule).

 
Trägt man die Zahl der Teilchen einer gewissen Energie in Abhängigkeit ihrer Energie auf, so erhält man das Energiespektrum der kosmischen Strahlung wie in der Abbildung gezeigt. Es fällt sehr steil ab, d.h. mit zunehmender Energie werden die Teilchen viel seltener, bei einer 10-mal höheren Energie nimmt der Fluss der Teilchen um etwa einen Faktor 1000 ab. Bei Energien um 1012 eV werden etwa 10 Teilchen pro Quadratmeter und Minute gemessen, bei 1020 eV nur noch etwa 1 Teilchen pro Quadratkilometer in 200 Jahren. In der Abbildung sind zusätzlich die Energien des zur Zeit größten künstlichen Teilchenbeschleunigers der Welt, dem TEVATRON am Fermilab in den USA und einem voraussichtlich ab 2005 am CERN in Genf betriebenen noch stärkeren Beschleuniger LHC eingetragen. Die in der kosmischen Strahlung vorkommenden Energien übersteigen die von Menschenhand erreichbaren Energien noch um viele Größenordnungen, sodass auf absehbare Zeit die Quellen der kosmischen Strahlung den größten Beschleuniger im Universum darstellen werden. Auch in Zukunft wird die Untersuchung der kosmischen Strahlung in Ergänzung zu Experimenten an künstlichen Beschleunigern wichtige Erkenntnisse über die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen liefern.           

Die Existenz der hochenergetischen Teilchen wirft eine Reihe von wissenschaftlichen Fragen auf. Woher kommt diese Strahlung? Was sind ihre Quellen und wie werden die Elementarteilchen zu solch hohen Energien beschleunigt? Wie breitet sich die kosmische Strahlung durch das interstellare Medium bis zur Erde aus? Werden die Eigenschaften der Strahlung dabei verändert? Was sind die höchsten in der kosmischen Strahlung vorkommenden Energien?

Zur Beantwortung dieser Fragen werden weltweit verschiedene Experimente durchgeführt. Dabei werden unterschiedliche experimentelle Techniken zum Nachweis der Teilchenstrahlung eingesetzt. Bei Energien bis zu 1015 eV kann die kosmische Strahlung direkt mit Detektoren an hochfliegenden Ballonen am oberen Rand der Atmosphäre (ca. 40 km Höhe) oder mit weltraumgestützten Experimenten (Space Shuttle, Satelliten) nachgewiesen werden. Bei höheren Energien wird der Teilchenfluss so klein, dass man sehr große Nachweisflächen und lange Messzeiten benötigt. Solche Detektoranlagen lassen sich nur am Erdboden realisieren. In diesen Experimenten wird die kosmische Strahlung indirekt durch Nachweis der in der Erdatmosphäre entstehenden Sekundärteilchen gemessen.

Die geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung werden in interstellaren Magnetfeldern vielfach abgelenkt und treffen daher isotrop auf die Erde, d.h. aus der Einfallsrichtung der Teilchen kann nicht auf ihre Quellen zurückgeschlossen werden. Informationen über ihren Ursprung bieten aber die Elementzusammensetzung und das Energiespektrum der kosmischen Strahlung.

Heutzutage geht man davon aus, dass ein Großteil der Teilchen der kosmischen Strahlung in Supernovaexplosionen beschleunigt wird. Supernovaexplosionen sind Explosionen von Sternen am Ende ihrer Entwicklung bei denen gewaltige Energiemengen freigesetzt werden. In diesen Supernovaexplosionen breiten sich große Mengen Materials in einer Art Stoßwelle aus. Die sich ausbreitende Materie führt Magnetfelder mit an denen die geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung beschleunigt werden. Dieser Mechanismus wurde vom italienisch/amerikanischen Physiker Enrico Fermi im Jahre 1949 zur Erklärung der Beschleunigung vorgeschlagen und wird deshalb auch als Fermibeschleunigung bezeichnet. Diese Theorie wird durch die Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung gestützt, welche der Zusammensetzung des Materials in unserem Sonnensystem sehr ähnlich ist und daher auf einen gemeinsamen Ursprung hindeutet.            

Auch die im Sonnensystem vorkommenden Elemente sind durch Kernfusion in Sternen und Supernovaexplosionen entstanden. Nach ihrer Beschleunigung breiten sich die Teilchen der kosmischen Strahlung in der Galaxis aus, bis einige davon zufällig die Erde erreichen. Die Zeit, die die Teilchen hierfür benötigen kann durch radioaktive Nuklide in der kosmischen Strahlung bestimmt werden. Diese zerfallen im Laufe der Zeit während der Ausbreitung und aus dem Verhältnis von bestimmten stabilen zu instabilen Nukliden kann die mittlere Verweildauer der Teilchen der kosmischen Strahlung zu etwa 107 Jahre abgeschätzt werden. Da sich die Teilchen mit annähernder Lichtgeschwindigkeit bewegen legen sie dabei gewaltige Wegstrecken zurück. Diese sind viel größer als der Durchmesser der Galaxis und man geht deshalb davon aus, dass sie sich in ungeordneten Bahnen, vielfach durch Magnetfelder abgelenkt bewegen und dabei die gesamte Galaxis erfüllen.

Quelle: Pierre Auger Observatory