Kosmische stralen zijn een van onze weinige directe voorbeelden van materie van buiten het zonnestelsel. Het zijn hoogenergetische deeltjes die zich met bijna de snelheid van het licht door de ruimte bewegen. De meeste kosmische stralen zijn atoomkernen die van hun atomen zijn ontdaan, waarbij protonen (waterstofkernen) de meest voorkomende soort zijn, maar er zijn kernen gemeten van elementen zo zwaar als lood. Binnen kosmische stralen vinden we echter ook andere sub-atomaire deeltjes zoals neutronen, elektronen en neutrino’s.
Omdat kosmische stralen positief geladen protonen of kernen zijn, of negatief geladen elektronen, kunnen hun wegen door de ruimte worden afgebogen door magnetische velden (behalve voor de kosmische stralen met de hoogste energie). Op hun reis naar de aarde worden hun vluchtroutes door de magnetische velden van het melkwegstelsel, het zonnestelsel en de aarde zodanig door elkaar gehaspeld dat wij niet meer precies kunnen weten waar zij vandaan komen. Dat betekent dat we met indirecte middelen moeten bepalen waar de kosmische straling vandaan komt.
Omdat kosmische stralen elektrisch geladen zijn, verandert hun richting als ze door magnetische velden reizen. Tegen de tijd dat de deeltjes ons bereiken, zijn hun paden volledig door elkaar gehusseld, zoals te zien is aan het blauwe pad. We kunnen ze niet naar hun bron traceren. Licht reist rechtstreeks van hun bronnen naar ons, zoals het paarse pad laat zien. (Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Eén manier om meer over kosmische straling te weten te komen is door de samenstelling ervan te bestuderen. Waar zijn ze van gemaakt? Welk deel bestaat uit elektronen? protonen (vaak waterstofkernen genoemd)? heliumkernen? andere kernen van elementen uit het periodiek systeem? Het meten van de hoeveelheid van elk verschillend element is relatief eenvoudig, aangezien de verschillende ladingen van elke kern zeer verschillende signaturen geven. Moeilijker te meten, maar een betere vingerafdruk, is de isotopensamenstelling (kernen van hetzelfde element, maar met een verschillend aantal neutronen). Om de isotopen uit elkaar te houden, moet in feite elke atoomkern worden gewogen die in de kosmische-raaldetector terechtkomt.
Alle natuurlijke elementen in het periodiek systeem zijn aanwezig in kosmische straling. Dit omvat elementen lichter dan ijzer, die in sterren worden geproduceerd, en zwaardere elementen die in gewelddadige omstandigheden worden geproduceerd, zoals een supernova aan het eind van het leven van een zware ster.
De Cosmic Ray Isotope Spectrometer (CRIS – het kastje links op het ruimtevaartuig, met een geel label) op het Advanced Composition Explorer (ACE) ruimtevaartuig verricht metingen van de isotopen van galactische kosmische stralingskernen, variërend van helium tot zink. ACE is in augustus 1997 gelanceerd. (Credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)
Detailverschillen in hun abundanties kunnen ons iets vertellen over kosmische stralingsbronnen en hun reis door het melkwegstelsel. Ongeveer 90% van de kernen van kosmische stralen bestaat uit waterstof (protonen), ongeveer 9% uit helium (alfadeeltjes), en de rest van de elementen bestaat slechts uit 1%. Zelfs in deze ene procent zijn er zeer zeldzame elementen en isotopen. Elementen zwaarder dan ijzer zijn aanzienlijk zeldzamer in de kosmische-stralingsflux, maar het meten ervan levert cruciale informatie op om het bronmateriaal en de versnelling van kosmische straling te begrijpen
SuperTIGER hangt aan het lanceervoertuig vlak voor de lancering in december 2012 met Mount Erebus op de achtergrond. SuperTIGER is een kosmische-stralingsballoninstrument dat kosmische straling zwaarder dan ijzer meet om de bron van kosmische straling en hun versnellingsplaatsen te onderzoeken. De eerste vlucht van SuperTIGER duurde 55 dagen, een record in duur voor een Antarctische lange duur wetenschappelijke ballonlading. (Credit: Ryan Murphy/Washington University)
Zelfs als we kosmische straling niet direct naar een bron kunnen traceren, kunnen ze ons toch iets vertellen over kosmische objecten. De meeste galactische kosmische straling wordt waarschijnlijk versneld in de drukgolven van overblijfselen van supernova’s. De overblijfselen van de explosies die gaswolken en magnetische velden doen uitdijen, kunnen duizenden jaren blijven bestaan, en dit is waar kosmische straling wordt versneld. Door het willekeurig heen en weer stuiteren in het magnetisch veld van de overblijfselen krijgen sommige deeltjes energie, en worden kosmische stralen. Uiteindelijk krijgen ze genoeg snelheid dat het overblijfsel ze niet langer kan bevatten, en ontsnappen ze het sterrenstelsel in.
Kosmische straling die in supernovaresten wordt versneld, kan slechts een bepaalde maximale energie bereiken, die afhangt van de grootte van het versnellingsgebied en de sterkte van het magnetische veld. Er zijn echter kosmische stralen waargenomen met veel hogere energieën dan supernovarestanten kunnen genereren, en waar deze ultrahoge energieën vandaan komen is een open grote vraag in de astronomie. Misschien komen ze van buiten het melkwegstelsel, van actieve galactische kernen, quasars of uitbarstingen van gammastralen. Of misschien zijn ze wel de signatuur van een of andere exotische nieuwe fysica: superstrings, exotische donkere materie, sterk op elkaar inwerkende neutrino’s, of topologische defecten in de structuur van het heelal zelf. Vragen als deze verbinden kosmische-stralingsastrofysica met fundamentele deeltjesfysica en de fundamentele aard van het heelal.
Gevangen door een magnetisch veld in supernovaresten, bewegen hoogenergetische deeltjes willekeurig rond. Soms kruisen ze de schokgolf. Bij elke rondgang krijgen ze ongeveer 1 procent van hun oorspronkelijke energie terug. Na tientallen tot honderden kruisingen beweegt het deeltje zich in de buurt van de lichtsnelheid en is het eindelijk in staat om te ontsnappen. (Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Tekst bijgewerkt: Juli 2017