Kosmische Strahlung: Hochenergetische Teilchen aus dem Universum

Was ist ein energetisches Teilchen?

In unserem täglichem Leben messen wir Energien in Einheiten von Joule. Intuitiver ist uns allerdings die Einheit Watt, die Einheit für die Leistung, d.h. der Gewinn oder der Verlust von Energie pro Zeiteinheit. Die Einheiten Joule und Watt erweisen sich nicht als nützlich, wenn wir über Teilchen mit kleinen Massen wie Protonen, Elektronen und Ionen sprechen.

Teilchenphysiker und Physiker, die an kosmischer Strahlung interessiert sind, brauchen die Energieeinheit Elektronenvolt (eV). 1 eV ist diejenige Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es es einen Potentialunterschied von 1 Volt durchläuft. Wenn wir beispielsweise im Vakuum ein Proton zwischen die Pole einer 4.5 Volt Batterie setzen, so wird das Proton durch die Spannung der Batterie beschleunigt und gewinnt dabei eine Energie von 4.5 eV.

Dies ist keine hohe Energie. Schauen wir uns die Elektronen und Protonen in der heißen Sonnenkorona an, wo die Temperaturen bei ca. 1 Millionen Grad Celsius liegen, haben die Teilchen eine durchschnittliche Energie von 100 eV. Wenn wir uns allerdings über kosmische Strahlung unterhalten, so sind dies Teilchen mit sehr viel höheren Energien. Damit kosmische Strahlungsteilchen auf dem Erdboden nachgewiesen werden können, muß das kosmische Strahlungsteilchen, das auf die Erdatmosphäre trifft, eine minimale Energie von ungefähr 450 Millionen eV (Abkürzung: 450 MeV für Mega Elektronen Volt) haben.

Kosmische Strahlung

Von der kosmischen Strahlung, die auf die Erde trifft, kennen wir die Intensität und das Energiespektrum aus verschiedenen Messungen. Die nebenstehende Grafik zeigt eine Zusammenstellung der gemessenen Daten über einen großen Energiebereich der Teilchen (aus http://astroparticle.uchicago.edu/cosmic_ray_spectrum_picture.htm) Die höchsten Teilchenenergien liegen bei über 100 Milliarden Milliarden eV (1020 eV)! Dies ist vergleichbar mit der Energie eines Tennisballs, der sich mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h bewegt, allerdings steckt die Energie im Falle der hochenergetischen kosmischen Strahlung in einem sehr kleinen Teilchen! Der Durchmesser eines kosmischen Strahlungsteilchen ist etwa 1013 kleiner als derjenige eines Tennisballs.

Diese Teilchen haben verschiedene Quellen:

  • Kosmische Strahlung mit Energien bis wenige Milliarden eV (109 eV, Abkürzung: GeV=Giga Elektronen Volt) kommt von verschiedenen Quellen innerhalb unserer Galaxie (Milchstraße), gelegentlich auch von unserer Sonne. Das Energiespektrum der kosmischen Strahlung im interstellaren Raum in diesem Energiebereich ist nicht direkt aus Messungen bestimmbar. Das liegt daran, daß der Einfall energetischer Teilchen von außerhalb unseres Sonnensystems durch das Magnetfeld der Sonne reduziert wird.

  • Der andauernde Fluß der kosmischen Strahlung kommt von Quellen in unserer Galaxie oder sogar auch von Außerhalb (Extragalaktisch). Bei Energien von über 10 GeV wird die kosmische Strahlung nur unbedeutend durch das Magnetfeld der Sonne beeinflußt. Das Energiespektrum dieser Teilchen kann in der Graphik durch eine Gerade dargestellt werden. Der Plot hat eine so genannte log-log Darstellung, d.h. sowohl vom Teilchenfluß als auch von der Teilchenenergie ist der Logarithmus aufgetragen. In diesem Energiebereich kann das Spektrum mit einer Potenzfunktion beschrieben werden: F(E) ~E-p.

  • Bei näherer Betrachtung fällt auf, daß die Kurve kleine Knicke aufweist. Beispielsweise in der Nähe von 3x1015 eV (durch kosmische Strahlungspyhsiker das "Knie" genannt) und nahe 1020 eV (der “Knöchel”). Diese Knicke weisen höchstwahrscheinlich auf unterschiedliche Quellen der kosmischen Strahlung hin. Protonen mit Energien von über 1015 eV und Ionen mit mehr als 1018 eV werden Quellen außerhalb unserer Milchstraße zugeordnet.