Kosmilise kiirguse füüsika

Kosmiline kiir, kiire osake, kas aatomituum või elektron, mis liigub läbi kosmose. Enamik neist osakestest pärineb Linnutee galaktika allikatest ja on tuntud kui galaktilised kosmilised kiired (GCR). Ülejäänud kosmilised kiired pärinevad kas Päikesest või peaaegu kindlasti kõrgeimate energiatega osakeste puhul väljapoole Linnutee galaktikat.

Saabumine Maale

Kosmiliste kiirte osakesi Maa pinnal otseselt ei täheldata. Selle põhjuseks on asjaolu, et kosmosekiirguse “primaarid” - st Maa atmosfääri välisservale saabuvad osakesed - põrkuvad atmosfääri tuumadega kokku ja tekitavad “sekundaare”. Mõned sekundaarsed materjalid on kokkupõrgete tuumade fragmendid, sealhulgas neutronid, teised on lühiajalised osakesed, mis on loodud kokkupõrgete energiast. Teisesetel tuumadel on varsti oma kokkupõrked. Just merepinnal täheldatakse sekundaare (neutronid ja lühiajalised osakesed, näiteks kuunid). Esmaseid kohti tuleb uurida, kasutades selleks kas kõrgel asuvaid õhupalle või kosmoselaevu.

GCR-de seas varieeruvad erinevate tuumade ja elektronide suhteline arvukus energiaga. Üle ühe GeV nukleoni kohta (gigaelektronvolti või miljard elektronvolti nukleoni kohta) on proportsioonid umbes 85 protsenti prootonitest (vesinikuaatomite tuumad), umbes 13 protsendi ulatuses alfaosakestest (heeliumi tuumadest). (1 GeV energia vastab kiirustele, mis on suuremad kui umbes 87 protsenti valguse kiirusest.) Ülejäänud 2 protsenti on raskemate aatomite elektronid ja tuumad. Mitmesaja MeV energiaga nukleoni kohta (megaelektronvoltid ehk miljon elektronvolti tuuma kohta) on vastavad arvud umbes 90, 9 ja 1 protsenti.

Enamikul Maa lähedal tuvastatud GCR -idest on kineetilised energiad üle 1 GeV nukleoni kohta. Nende primaaride püsiv voog atmosfääri ülemises kihis on umbes 1500 osakest ruutmeetri kohta sekundis. Osakeste arv väheneb energia suurenemisega kiiresti, kuid on tuvastatud üksikud osakesed, mille energia on mitu korda 10 ²⁰ eV. (See energia on võrreldav pesapalli energiaga, mis visatakse kiirusel 160 km tunnis.)

Madalaima energiaga kosmosekiirguse primaaride trajektoore mõjutab tugevalt Maa magnetväli. Järelikult on energiatel, mis on väiksemad kui 1 GeV tuuma kohta, igal geomagnetilisel laiuskraadil piirväärtus, millest madalamat primaarset GCR-i ei tuvastata. Nende vähese energiakuluga osakeste voogu mõjutab päikese aktiivsus ja Maale jõudva kosmilise kiirguse hulk on pöördvõrdeliselt seotud päikesepiste arvuga 11-aastase päikesetsükli jooksul. Seda pöördkorrelatsiooni nimetatakse Forbush 'efektiks ja see ilmneb seetõttu, et maksimaalse päikese aktiivsuse korral viib päikesetuul planeetidevahelisse ruumi tugevama magnetvälja ja need väljad blokeerivad kosmilised kiired.