Κοσμικές Ακτίνες: Σωματίδια υψηλών ενεργειων από το Σύμπαν
Τι είναι ενεργητικό σωματίδιο?
Στην καθημερινή μας ζωή μετράμε την ενέργεια σε Joule. Μια ακόμη πιο οικεία μονάδα μέτρησης είναι το Watt Με τη μονάδα αυτή μετράται η ισχύς, δηλαδή η ενέργεια ανά μονάδα χρόνου. Αλλά αυτές οι μονάδες δεν είναι κατάλληλες όταν αναφερόμαστε σε στοιχειώδη σωμάτια τα οποία έχουν πολύ μικρές μάζες, όπως τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια. Οι φυσικοί οι οποίοι μελετάνε τα σωματίδια και την κοσμική ακτινοβολία μετράνε τις ενέργειες σε electron Volt (eV). Το 1eV είναι η ενέργεια η οποία αποκτάται από ένα ηλεκτρόνιο ή πρωτόνιο το οποίο εκτίθεται σε τάση 1 Volt. Για παράδειγμα, εάν είχαμε μια μπαταρία των 4.5 V στο κενό, και τοποθετήσουμε ένα πρωτόνιο μεταξύ των πόλων της, το πρωτόνιο θα επιταχυνθεί από την τάση της μπαταρίας και αποκτά ενέργεια ίση με 4.5 eV. Αυτή δεν είναι πολύ ψηλή ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια τα οποία βρίσκονται στο στέμμα θερμών αστέρων, όπου η θερμοκρασία είναι περίπου 1 εκατομμύριο βαθμοί, αποκτούν μια μέση ενέργεια περίπου 100eV. Όταν όμως αναφερόμαστε στη κοσμική ακτινοβολία, εμπλέκονται πολύ μεγαλύτερες ενέργειες. Για να είναι η κοσμική ακτινοβολία ανιχνεύσιμη στο έδαφος, όταν προσπίπτει στην κορυφή της γήινης ατμόσφαιρας πρέπει να έχει ενέργειες περίπου 450 εκατομμυρίων eV (συντομογραφία: 450 MeV αντί του Mega electron Volt).
Κοσμικές Ακτίνες
Οι κοσμικές ακτίνες οι οποίες προσπίπτουν στη Γή έχουν καταμετρηθεί, και γνωρίζουμε τοενεργειακό φάσμα τους από διαφορετικές μετρήσεις.
Αυτό το Σχήμα δείχνει μια συλλογή παρατηρήσεων ενός μεγάλου εύρους ενεργειών σωματιδίων
(from http://astroparticle.uchicago.edu/cosmic_ray_spectrum_picture.htm ).
Οι κοσμικές ακτίνες πολύ υψηλών ενεργειών έχουν ενέργειες μεγαλύτερες από 100 δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων eV
(1020 eV)!
Αυτή είναι η ενέργεια μιας μπάλας του τένις η οποία εκτοξεύεται με ταχύτητα 100Km/h, αλλά στην περίπτωση των κοσμικών ακτίνων πολύ υψηλών ενεργειών, είναι συγκεντρωμένη σε ένα μικροσκοπικό πρωτόνιο.
Αυτά τα σωματίδια έχουν διαφορετική προέλευση:
Κοσμικές ακτίνες με ενέργειες έως και μερικά δισεκατομμύρια eV (109) eV, συντομογραφία: GeV=Giga electron Volt) προέρχονται από τον Ηλιο και άλλες πηγές του Γαλαξία μας. Το φάσμα εμφανίζει κάμψη σε αυτή τη περιοχή, επειδή η πρόσβαση των κοσμικών ακτίνων, που προέρχονται έξω από το ηλιακό σύστημα, στο εσωτερικό του είναι μειωμένη από την [δραστηριότητα του ηλιακού μαγνητικού πεδίου](../02/#μεταφορά κοσμικών ακτίνων στην ηλιοσφαιρα).
Η μόνιμη ροή των κοσμικών ακτίνων δεν προέρχεται από τον Ήλιο, αλλά από πηγές εντός του Γαλαξία μας ή και πιο πέρα από αυτόν. Για ενέργειες αρκετά πιο μεγάλες από 10 GeV, η είσοδος τους στο εσωτερικό του ηλιακού συστήματος δεν παρεμποδίζεται από το ηλιακό μαγνητικό πεδίο. Αυτά τα σωματίδια έχουν φάσμα το οποίο είναι μια ίσια γραμμή σε αυτή τη γραφική παράσταση. Επειδή η γραφική παράσταση απεικονίζει το λογάριθμο της ροής των σωματιδίων ως συνάρτηση του λογαρίθμου της ενέργειας των σωματιδίων αυτών, το φάσμα είναι στην ουσία ένας νόμος δύναμης για την ενέργεια: F(E) ~E-p
Σε έναν πιο προσεκτικό έλεγχο, κάποιος μπορεί να παρατηρήσει ότι υπάρχουν σπασίματα στο νόμο δύναμης, για παράδειγμα κοντά στα 3 x 1015 eV (σημείο το οποίο καλείται γόνατο του φασματος της κοσμικής ακτινοβολίας) και κοντά στα 1020 eV (ο αστράγαλος). Αυτά τα χαρακτηριστικά πιθανόν να διαφέρουν για κοσμικές ακτίνες διαφορετικής προέλευσης. Πρωτόνια με ενέργειες κατά πολύ μεγαλύτερες από 1015 eV και ιόντα με ενέργειες πάνω από 1018 eV θεωρούμε ότι προέρχονται έξω από τον Γαλαξία μας.