<< Prvi deo: Šta drži astronaute budnim tokom noći?
Kosmički zraci
(part II)
Možda je ovo trebalo da bude Part I, ali nema veze. Tema je (pre)velika i za više nastavaka, tako da nema nikakve štete. Po definiciji, kosmički zraci predstavljaju prirodno jonizujuće zračenje velike energije koji uglavnom potiču van solarnog sistema pa čak i naše galaksije. Kada ti zraci stignu do Zemlje, u sudaru sa našom atmosferom proizvode mlazove sekundarmih zračenja koji ponekada dospevAju i do površine. I pored svega što mi danas teoretišemo, njihovo poreklo je – misterija.
Pljuskovi visokoenergetskih čestica nastaju kada se kosmičko zračenje sudari sa Zemljinom atmosferom. Većinu tih zrakova čine atomska jezgra: većinom vodonična, poneki helijumov i ostalo teži elementi (do gvožđa). Mada većina kosmičkog zračenja malih energije potiče sa Sunca, poreklo onih najjačih je nepoznato i predmet je istraživanja. Na slici je vazdušni pljusak čestica visokih energija.
Skala energija izvora koji nas okružuju.
ŠTA SU TO KOSMIČKI ZRACI?
Ukratko, kosmički zraci su sačinjeni od delova atoma koji lete kosmičkim prostranstvom neverovatnom brzinom.
Ponekad pogode Zemlju, a uzput ponekad udare i svakog od nas. Zapravo oni nas bombarduju: svake sekunde kroz nas proleti prosečno 30-ak kosmičkih zrakova! Ako misliš da ti oni neopravdano narušavaju privatnost, šta onda reći za neutrine, jer kroz svakog od nas svake sekunde proleti oko 65.000.000.000 neutrina i to po kvadratnom santimetru našeg preseka. Za jednog života kroz nas proleti oko 1023 neutrina i od njih nema spasa! Ni kilometar olovnog zida ne bi promenio ove brojeve jer se oni jednostavno ne obaziru ninakoga niti na išta. Jednakom lakoćom kako prolaze kroz nas prolaze i kroz Zemlju, Saturn ili galaksiju[1] (za Čaka Norisa i Vučića nisam siguran).
Ali da razjasnim šta znači to da se kreću neverovatnom brzinom.
Mada smatramo da postoji nekoliko izvora kosmičkog zračenja (neutronske zvezde, aktivna galaktička jezgra, hipernove, kvazari, radio-galaksije, itd.), zraci najvećih energija[2] putuju brzinom od oko 99,9999999999999999999995% brzine svetlosti! To je tolika brzina da kada bi ta čestica i jedan foton svetlosti bili ispaljeni jednovremeno, foton bi uspeo da joj pobegne za dužinu od 1 cm tek posle 215.000 godina!
Sada, ovako gledano, to nam izgleda samo kao neki excentrični podatak ... ali problem je što je to brže od bilo kog procesa za koji znamo da bi mogao tako brzo da ispaljuje čestice! Šta više, to predstavlja 40 miliona više energije nego što naši najjači akceleratori čestica mogu da upakuju u atome čije čestice treba da dostignu takvu brzinu.
Ne potiču iz nuklearne fuzije na Suncu ... niti nastaju prilikom eksplozija zvezda (supernovih) ... možda iz crnih rupa ili sudara galaksija? Ali na koji način!?
Naime, prema fenomenu poznatom pod imenom GZK limit[3] koji su pre pola stoleća uočili sovjetski teoretičari, UHERC čestice kosmičkog zračenja koje nose takvu ultra-visoku energiju trebalo bi da utiču i potru se tokom dugog i dalekog putovanja sa pozadinskim kosmičkim zračenjem – dakle, ne da one ne bi trebale da postoje, već i ako postoje (a postoje!) uopšte ne bi trebali da ih vidimo!
Budući da su neki kosmički zraci toliko snažni da se suprotstavljaju objašnjenju, postoje brojne spekulacije o tome odakle stižu. Neka svežija istraživanja sugerišu da kosmičko zračenje ne dotiče ravnomerno iz kosmosa. Stoga misle da možda dolazi iz nečega u obližnjim galaksijama, verovatno od nekog zasad nepoznatog nasilnog događaja u ili u blizini supermasivnih crnih rupa u središtima nekih od njih.
No tu je i GZK limit: on kaže da zračenje ne može da stiže sa daljina većih od 30 miliona svetlosnih godina i sugeriše suprotno, da visokoenergetski zraci dolaze iz neke obližnje ili čak i iz naše galaksije ... ali šta je onda njihov izvor? Možda GRZ limit nije apsolutan? Ipak, najenergetskiji kosmički zraci su izuzetno retki – samo 1 po km2 po stoleću.
Za sada nema odgovora.
Brzina svetlosti u vakuumu (c) iznosi 299.792.458 m/s. Sledi lista brzina pojedinih čestica u različitim akceleratorima i u kosmosu. Zanimljivo je radi poređenja:
- 980 GeV: najbrži Fermilabov proton, 0,99999954c, 299.792.320 m/s.
- 6,5 TeV: najbrži LHC proton, 0,9999999896c, 299.792.455 m/s.
- 104,5 GeV: najbrži LEP elektron (najbrži akcelerator na svetu), 0,999999999988c, 299.792.457,9964 m/s.
- 5 x 1019 eV: kosmički zrak sa javećom zabeleženom energijom (predpostavlja se da je bio proton), 0,99999999999999999999999513c, 299.792.457,999999999999918 m/s.
 |
 |
Udar kosmičkog zraka u internacionalnu opservatoriju Pierre Auger u Argentini koja detektuje UHERC čestice energije do 1018 eV. Detekciona površina opservatorije je oko 3.000 km2!
ŠTA SE DEŠAVA KADA KOSMIČKI ZRACI POGODE ZEMLJU?
Kosmičke zrake možemo da podelimo u dve vrste: galaktičke kosmičke zrake (GCR), visokoenergetske čestice koje potiču van solarnog sistema, i solarne energetske čestice, visokoenergetske čestice (uglavnom protoni) emitovani sa Sunca. Međutim, kada kažemo 'kosmičko zračenje' uvek mislimo isključivo na GCR fluks.
Kada zraci dolaze iz kosmosa, nazivamo ih primarnim kosmičkim zracima, koji nastaju u astrofizičkim procesima o kojima ne znamo ništa. Primarno zračenje uglavnom čine jezgra vodonika, tj. protoni. Zadivljujuće je da su u kosmičkim zracima zastupljeni svi elementi periodnog sistema u približno istom procentu u kome su zastupljeni i u Sunčevom sistemu. Oko 90% zračenja čine protoni, a ostalo su α-čestice, odn. jezgra helijuma (9%), dok su ostatak jezgra litijuma, berilijuma, bora, ugljenika, azota i kiseonika (~1%), uz ekstreno mali procenat pozitrona i antiprotona.
Formiranje vazdušnog pljuska ('air shower') u atmosferi. Prvi proton se sudara sa česticama u vazduhu i stvara pione. Nastaju i kaoni i barioni, ali su oni nestabilni i raspadaju se u druge čestice. Pioni se raspadaju dalje u fotone, itd.
Kada kosmički zrak velike energije pogodi Zemlju, to nismo u stanju da detektujemo direktno, već uočavamo nešto što nazivamo mlazom ('vazdušnim pljuskom') kosmičkog zračenja. Mlaz zapravo predstavlja kaskade sekundarnih čestica koje se stvaraju prilikom sudara protona iz kosmičkog zračenja sa molekulima gornjih slojeva atmosfere na visinama od preko 35 km. Kada te snažne čestice udare u vazduh, u stanju su da se raspu i do 40 km u širinu i da u vidu milijardi sekundarnih čestice stignu do površine Zemlje. Energetski relativno slabi kosmički zraci sa Sunca (tzv. solarni vetar) odgovorni su za pojavu polarne svetlosti ('aurore') na Zemljinim polovima, a ima naučnika koji smatraju da postoji veza između kosmičkog zračenja i pojava munja na nebu!
Simulacija mlaza kosmičkog zračenja sačinjenog od protona velike energije koji pogađaju detektorsko polje Opservatorije Pierre Auger iz Mendoze. Opservatorija je veličine Luksemburga i to je najveća opservatorija za kosmičke zrake u svetu.
Aurora se smatra jednim od najlepših fenomena na planeti, ne samo Zemlji! One zavise od Sunca, a ono se menja u ciklusima od 11 godina.
Interaksijom primarnog kosmičkog zračenja sa atomima naše atmosfere nastaje tzv. sekundarno zračenje. Njega možemo da podelimo na tvrdo i meko. Tvrdu komponentu čine mioni, koji nastaju u gornjim slojevima atmosfere prilikom raspada piona. Ti pioni su jako prodorni, tako da ih ni olovo debljine zida kuće ne može da zaustavi. Meka komponenta se sastoji od lavine elektronsko-pozitronskih parova i fotona koji se pojavljaju kao rezultat raspada neutralnih piona i zaustavljanja brzih elektrona. Njih lao zaustavlja (apsorbuje) olovo debljine telefonskog imenika.
Kosmičko zračenje koje dolazi van solarnog sistema nazivamo galaktičkim zračenjem, i ono je najvećim delom davno lansirano u procesima udaljenih eksplozija zvezda. Do Zemlje zračenje dospeva ravnomerno iz svih pravaca, a njegova jačina ne zavisi od toga da li je dan ili noć, da li je leto ili zima. Tipična energija od 100 do 10.000 MeV isključuje mogućnost da potiče izvan naše galaksije, mada jedan mali postotak zračenja predstavlja izuzetke. Ali većina tog zračenja nikad ne dospe do nas. Veliki procenat biva odbačen heliosheathom[4] našeg Sunca, potom sledeći dobar deo odbija Zemljino magnetno polje, i na kraju deo preostalog zračenja ipak nema dovoljno energije da probije 100 km atmosfere i pogodi nas na površini.
 |
 |
ASTRONAUTI I KOSMIČKI ZRACI
Situacija je malo drugačija ako se nalazimo u kosmosu, i o tome sam nedavno napisao priču №1 'Šta drži astronaute budnim tokom noći?' (Pozdrav Bojanu!)
Za vreme misije 'Apolla 11' 1969. godine (prva misija ljudi na Mesec), članovi posade su prijavili nešto neobično dok su bili u orbiti: svetlosne bljeskove u mraku – čak i kada su čvrsto žmurili!
I kasnije misije 'Apolla' potvrđivale su opisani fenomen, a kasniji testovi na Zemlji su to dokazali. Kao što i pretpostavljaš, astronauti su bili svedoci prolaska kosmičkih protona ili sličnih težih subatomskih čestica kroz očne jabučice (ili čak mozgove!).
Ako si ovo do sada shvatio, onda možeš da pretpostaviš i ovo: potoci visokoenergetskih čestica koji nas obasipaju nisu baš najzdraviji po nas!
Poređenje doza zračenja, uključujući količinu detektovanu tokom dvogodišnjeg putovanja rovera 'Curiosityja' od Zemlje do Marsa (2011-2013).
Stoga su svemirske agencije otišle daleko u zaštiti kosmičkih kabina od kosmičkog zračenja, razvijajući kroz proučavanje dugoročnig efekata sve bolju strategiju zaštite. Osim toga, nisu samo astronauti ti koji treba da brinu u kosmosu, već i elektronika i oprema: prema Nasi, 'samo jedan kosmički zrak može da onesposobi satelit ili sondu ako pogodi nesrećno integralno kolo.' Čak sam čitao da postoje predlozi da se budući brodovi za Mars prave od plastike, jer polietilen predstavlja 50% bolju zaštitu od solarnih baklji od aluminijuma i 15% bolji štit od kosmičkog zračenja. U svim studijama, visokoenergetsko kosmičko zračenje predstavlja za sada ponajveći rizik za oštećenje mozgova budućih putnika na Mars, ili negde drugde u deep-space misije.
Samo u Americi na vratima lifta koji nosi putnike na Mesec može da piše No Smoking!
Sećam se da je skoro svaka međuplanetna sonda do sada imala neki veći ili manji problem sa kosmičkim projektilima: dok je 2007. proletao iznad Japetusa i slikao ga, 'Cassini' je bio pogođen zrakom, što ga je prebacilo u sigurnosni režima rada i isključilo kamere, ali su inženjeri hitro (posle 12 sati!) ipak locirali i popravili kvar. Slično je bilo 2014. i sa sondom 'Dawn' kada je jedan zrak onesposobio elektroniku jonskih motora, iako je sve bilo propisno zaštićeno baš od takvog zračenja. U vreme kada je pao 'Fobos-grunt', jedan od mogućih tajanstvenih i nenadanih uzroka katastrofe je bio i hitac kosmičkog zraka velike energije. Ima toga još...
Akceleratori na Zemlji, kao što je LHC iz CERN-a, može da ubrza čestice vrlo blizu brzine svetlosti. Ipak, kosmički zraci su brži od bilo čega što mi možemo da postignemo.
KORIST OD KOSMIČKIH ZRAKA
U maju 2011. američki astronauti su uz pomoć šatla instalirali na Međunarodnu stanicu projekat Nobelovca S. Tinga Alpha Magnetic Spectrometer' (AMS-02). U suštini, AMS-02 je bio detektor kosmičkog zračenja koji je koštao $2 milijardu.
Zbog čega je bio tako važan?
Zato što detektor kosmičkog zračenja u kosmosu može da nam kaže sve o česticama koje Zemljina atmosfera normalno apsorbuje i mi ih nikada ne vidimo. Posle dve godine je objavljeno da je 500 Nasinih naučnika koji su radili na ovom kriogenom detektoru otkrilo, između ostalog, preko 6,8×106 pozitrona i elektrona snage do 350 GeV.
Pošto će da radi najmanje 10-15 godina, pored kosmičkih zrakova AMS-02 pokušava da otkrije antimateriju (koja je nekako nestala iz univerzuma), koja možda ima veze sa tamnom materijom, i hipotetičke čestice koje bi mogle da nam daju uvid u prirodu realnosti i našeg postojanja.
Interesantno je da su tokom poslednjih 100.000 godina kosmički zraci držali nivo ugljenika-14 u atmosferi praktično konstantnim (~70 tona). To je bilo tako sve do nadzemnih nuklearnih proba atomskog oružja koje je započeto posle II svetskog rata. To je bitan podatak kada se u arheologiji koristi metod datiranja ugljenikom C-14.
Položaj detektora AMS-02. Ima težinu 8,5 tona. Registruje oko 1000 zrakova u sekundi, što je GB/sec podataka.
Detektor će pokušati da da odgovore na pitanja tipa 'Od čega se sastoji nevidljiva masa univerzuma?' ili ' Šta se dogodilosa primordijalnom antimaterijom?' Klikni da se poveća!
MATERIJA I ANTIMATERIJA
Po teoriji, kada je u prvih tri minuta posle Velikog praska stvorena materija stvorena je i antimaterija. Zašto danas imamo kosmos materije a antimaterija je negde na samim marginama – nikom nije jasno. Teorijska fizika nudi objašnjena, ali treba biti teorijski fizičar kao dr Jelena Maljković i to razumeti. Recimo, vidi ovo: ako bi sliku materije u ogledalu ponovo posmatrao u ogledalu, to ne bi bila početna materija! Njena bi svojstva na subatomskom nivou bila 'drugojačija', kako kažu drugosrbijanci.
Pogledaj kratku priči o antimateriji.
METODE DETEKCIJE
Trenutno, na Zemlji postoji nekoliko metoda za detekciju kosmičkog zračenja. Prvi metod su vazdušni (jer postoje i vodeni detektori) Čerenkovljevi teleskopi, konstruisani za detekciju kosmičkog zračenja male energije (ispod 200 GeV) analiziranjem Čerenkovljevog zračenja koje emituju kosmički i gama zraci koji putuju kroz atmosferu brže od svetlosti kroz taj medijum. Zbog svoje ekstremne osetljivoti, ovi teleskopi mogu da se koriste samo tokom vedrih noći bez Mesečine, imaju vrlo malo vidno polje i aktivni su samo par procenata vremena. Drugi tip Čerenkovljevih teleskopa koriste vodu kao medijum kroz koje prolaze čestice i u njoj proizvode tragove koje je moguće posmatratai.
Prototip Čerenkovljevog teleskopa u Americi
Teleskop MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes) u Opservatorio del Roque de Los Muchachos na Kanarskim ostrvima. Prečnik primarnog ogledala je 17 m, i sve do izgradnje teleskopa H.E.S.S. II. bio je najveći na svetu.
Teleskop FAST takođe sa Kanara, ima ukupno 33 ogledala. Krajnje desno je kamera (beli valjak), dok se u sredini, gde nedostaje jedan segment, nalazi pulser svetlosti i video-kamera.
Opservatorija VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) sa četiri 12-metarska optička reflektora energetskog raspona 50 GeV-50 TeV. Nalaze se od 2004. u Arizoni.
Druga metoda se naziva EAS (Extensive Air Shower) i meri naelektrisane čestice koje prolaze kroz mrežu detektora. Prednost je što mogu da mere veće energije od Čerenkovljevih teleskopa, osmatraju veliki delovi neba i aktivne su 90% vremena. Nažalost, mana im je što teško razlikuju kosmičko zračenje od pozadinskog zračenja.
Sledeća metoda se sastoji iz upotrebe balona koji na velike visine nose jako tanke ploče 'Lexana' u kojima kosmičko zračenje izaziva jonizaciju. Tu je i metod detekcije fluorescentne svetlosti koju izaziva pobuđenje azota u atmosferi usled mlaza čestica koji se kreće atmosferom. Ovaj metod je odličan za utvrđivanje pravca iz kojeg kosmičko zračenje dolazi.
Šematski prikaz mreže detektora EAS u Šeferovom institutu u Jakucku, u sibirskoj Rusiji.
NAPRAVI SVOJ DETEKTOR
Znaš li da je moguće napraviti sopstveni detektor?
Ja nisam stručnjak, a nisam ni probao, ali verovatno uz nečiju malu pomoć to može da se izgura, bar tako kažu na tjubu.
Detektori prikazuju bilo kakve ionizujuće čestice koje reaguju u vazduhu, uključujući i one od radioaktivnog raspada.
https://youtu.be/Efgy1bV2aQo
(You can see other DIY detectors here and here). Pogledaj i ovo – interesantno je.
[1] E jesu ti neutrini fantomske čestice! U mojoj drugoj knjizi 'Molim te objasni mi' čitavu jednu priči sam posvetio njima. Dugo se verovalo da ne poseduju masu već da samo lete brzinom svetlosti, ali izgleda da ta masa jeste mala ali nije 0! Kada bi sabrali mase svih neutrina koji su proleteli kroz sve ljude tokom njihovog života od kad ljudi postoje dobili bi ogromnu masu – samo 0,15 grama!
[2] To su tzv. UHECR čestice (Ultra-High-Energy Cosmic Ray) sa kinetičkom energijom većom od 1×1018 eV, daleko više od energija tipičnih za ostale kosmičke čestice. Postoje i EECR (Extreme-Energy Cosmic Ray) koje imaju 50 puta veću energiju (maksimalno do Greisen–Zacepin–Kuzmin limita): radi se 'poglavito' o protonima koji prevaljuju preko 160 mil. sv. godina (!) dok ostali protoni vremenom gube energiju.
[3] Sovjeti su izračunali da postoji teorijska gornja granica (limit) energije protona kosmičkog zračenja koji putuju kroz međugalaktički prostor do naše galaksije. Granica iznosi 5×1019 eV, ili oko 8 džula. Do danas, najjači zabeleženi fermionski kosmički zrak je imao energiju od 3,12×1020 eV (48 džula). Nazvan je Oh-My-God i uhvaćen je 1991. a snaga mu je bila ekvivalentna bejzbol lopti (142 gr) koja leti brzinom od 95 km/h.
[4] Nažalost, ne znam kako se ovo prevodi kod nas, ali to je zona na oko 100 AJ od Sunca gde solarni vetar usporava i počinje da se meša sa međuzvezdanim medijumom. Smatra se da je oblika suze, sa repom koji prati Sunčevu putanju kroz prostor. Treba ovo razlikovati od helipauze, koja je granica dejstva solarnog vetra.
<< Prvi deo: Šta drži astronaute budnim tokom noći?
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
