Kosminen säteily

Kosminen säteily on yleisnimi Maahan osuville ulkoavaruudesta tuleville suurienergisille hiukkasille, jotka pommittavat maapalloa joka suunnalta. Kosmisista hiukkasista noin 90 % on protoneja, 9 % alfa-hiukkasia ja 1 % beta-hiukkasia ja raskaampien atomien ytimiä.
Osa kosmisesta säteilystä on peräisin Auringosta, mutta suurienergisin osa tulee kauempaa, muun muassa supernovaräjähdyksistä. Auringon säteily aiheuttaa revontulia tullessaan Maan ilmakehään napojen lähistöllä Maan magneettikentän ohjaamana. Maan magneettikenttä ja ilmakehä suojaavat hyvin kosmiselta säteilyltä, joten kosmisesta säteilystä ei ole haittaa ihmisille maan pinnalla, mutta avaruudessa kosmiselta säteilyltä täytyisi suojautua voimakkaan magneettikentän puuttuessa.

Ilmasuihku

Kosmisen säteilyn tutkimuksessa käytetään termejä primäärinen ja sekundaarinen kosminen säteily. Primäärinen säteily tarkoittaa alkuperäisiä kosmisia hiukkasia, jotka saapuvat Maapallon ulkopuolelta. Maapallon ilmakehään osuu noin 1 000 kosmista hiukkasta sekunnissa neliömetriä kohden.
Primaarinen hiukkanen törmää ilmakehämolekyylin (esim. happi tai typpi) kanssa, jolloin vuorovaikutuksessa syntyy paljon pioneita ja kaoneita. Kun törmäyksessä syntyneet hiukkaset hajoavat edelleen muiksi hiukkasiksi, syntyy Maata kohti kiitävä sekundaarihiukkasten ryöppy, jota kutsutaan ilmasuihkuksi. Maan pinnalle saapuvat hiukkaset ovat nimenomaan sekundaarihiukkasia. Ilmasuihkun hiukkaset voidaan jakaa kolmeen osaan: myoniseen, hadroniseen ja sähkömagneettiseen komponenttiin. Merenpinnan tason saavuttavista varatuista sekundaarihiukkasista noin 80% on myoneita.

Alkuperä ja energia

Kosmiset hiukkaset voidaan jaotella alkuperän perusteella kolmeen osaan: solaariset, galaktiset ja extragalaktiset kosmiset hiukkaset. Solaariset hiukkaset ovat syntyneet Auringossamme, galaktiset ovat saaneet alkunsa galaksissamme ja extragalaktiset hiukkaset ovat peräisin galaksimme ulkopuolelta.
Kosmisen säteilyn syntymekanismeja ei täysin tunneta. Kosmisten hiukkasten alkuperän uskotaan yleensä kuitenkin olevan yhteydessä tähtien muodostumiseen, niiden evoluutioon, supernovaräjähdyksiin ja tähtien väliseen materiaaliin. Nykyisen käsityksen mukaan suurin osa galaktisista kosmisista hiukkasista on peräisin supernovaräjähdyksistä, joita tapahtuu keskimäärin noin 50 vuoden välein.

Energiaspektri

Kosmisten hiukkasten alkuperä ja energiaspektrin muoto ovat merkittävimpiä ratkaisemattomista ongelmista kosmisen säteilyn tutkimuksessa. Hiukkaset, joiden energia yltää ainakin arvoon 10¹⁵ eV, ovat todennäköisesti galaktisia kosmisia hiukkasia ja niiden ajatellaan syntyneen supernovan jäännöksistä. Energia-alueen 10¹⁵ eV – 10¹⁸ eV hiukkasten myös uskotaan mahdollisesti olevan peräisin galaksistamme, mutta niiden ei oleteta syntyneen supernovista eikä niiden syntymekanismia tunneta. Sen sijaan pidetään todennäköisenä, että hiukkaset, joiden mitattu energia on yli 10¹⁸ eV, ovat syntyneet galaksimme ulkopuolella.
Edellämainittua energia-aluetta 10¹⁵ eV kutsutaan polveksi, sillä kosmisten hiukkasten energiaspektrin kulmakerroin jyrkkenee kyseisellä energia-alueella. Koska kosmisen säteilyn alkuperää ja kiihdytysmekanismeja ei täysin tunneta, ei myöskään polven aiheuttavasta ilmiöstä olla yksimielisiä. Polvikohtaa ollaan kuitenkin yritetty selittää erilaisilla malleilla.

Suora havaitseminen

Primaarisista kosmisista hiukkasista voidaan tehdä suoria havaintoja ilmakehän ulkolaidalla, esimerkiksi sijoittamalla ilmaisimia satelliitteihin, kuumailmapalloihin ja avaruusaluksiin. Tällöin mittauksia haittaavat pieni ilmaisinpinta-ala ja rajattu mittausaika. Suoria kosmisen säteilyn mittauksia ollaan suoritettu energia-alueen 10⁹ eV – 10¹⁴ eV hiukkasille. Energian 10¹⁴ eV ylittävät hiukkaset saapuvat niin pienellä vuolla, että niiden suora havainnointi ilmakehän yläpuolella rajallisilla ilmaisinkokonaisuuksilla olisi hankalaa.

Epäsuora havaitseminen

Kosmisia hiukkasia voidaan tutkia myös epäsuorasti havaitsemalla maan pinnalla ilmasuihkun hiukkasia, jotka ovat syntyneet primäärisen kosmisen hiukkasen törmätessä ilmakehän molekyyliin. Syntyneet hiukkaset ovat pääasiassa protoneita, neutroneita, pioneita ja myoneita, jotka kulkevat suunnilleen samaan suuntaan kuin hajonnut kosminen hiukkanen. Maan pinnalla sijaitsevien ilmaisimien etuna on mahdollisuus suorittaa ajallisesti pitkiä mittauksia ja eikä ilmaisimien koko ole rajoitettu, toisin kuin kosmisen säteilyn mittauksissa kuumailmapalloissa ja satelliiteissa.
Sekundaarisia kosmisia hiukkasia on mahdollista havaita myös maan alla. Ilmasuihkuhiukkasista vain myoneilla ja neutriinoilla on riittävästi energiaa Maapallon pinnan läpäisemiseksi. Maanalaisissa myonikokeissa kalliokerros suodattaa ilmasuihkusta häiritsevät hiukkaset ja ilmaisimelle päätyy pääasiassa korkeaenergisiä myoneita.

Ilmiön löytäminen

Kosmisen säteilyn löytäjänä pidetään Victor Hessiä. Hän havainnoi ionisoivaa säteilyä kuumailmapallosta vuosina 1911–1913 ja totesi sen olevan peräisin ilmakehän ulkopuolelta. Hän tutki säteilyä elektrometrillä ja huomasi säteilyn alkavan merkittävästi kasvaa yli kilometrin korkeudella, viiden kilometrin korkeudella säteily oli jo 3–5 kertaa voimakkaampaa kuin maanpinnalla.

Käytännön vaikutukset

Syöpäriskin kasvu etenkin paljon lentävillä kuten lentohenkilökunnalla. Muistivirheitä ram-muistissa ja vastaavat häiriöt mm. prosessorien laskennassa. Heikentää sähköverkon luotettavuutta. Aiheuttaa joidenkin materiaalien vanhenemista.

Hyötykäyttöä

Hiukkassuihkun myoneita on ehkä mahdollista käyttää läpivalaisuun eli myoniradiografiaan. Koska säteilynlähde olisi tällöin luonnollinen, olisi suurienkin kappaleiden läpivalaisu mahdollista. Myoneita on suunniteltu käytettävän mm. kuljetuskonttien läpivalaisuun.