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 normaalioloissa, joten kosmisesta säteilystä ei normaalisti ole haittaa ihmisille maan pinnalla, mutta avaruudessa kosmiselta säteilyltä täytyy 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.

Edellä mainittua 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.

Nimityksiä 
Ultra-high-energy cosmic ray (UHECR) -hiukkasten energia on suurempi kuin 1 EeV (1018 elektronivolttia, noin 0,16 joulea). Vapaa suomennos on ultra suuren energian kosminen säteily.

Extreme-energy cosmic ray (EECR) -hiukkasten energia on suurempi kuin 50 EeV (5×1019 eV, noin 8 J), eli yli niin kutsutun Greisen–Zatsepin–Kuzmin rajan (GZK-raja). Vapaa suomennos on äärimmäisen suuren energian kosminen säteily.

Kosmisen säteilyn havaitseminen

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.

Hiukkasilmaisimet kosmisen säteilyn tutkimuksessa
Sekundaaristen kosmisten hiukkasten rypästä eli ilmasuihkuhiukkasia voidaan havaita ilmasuihkuilmaisimilla. Ilmasuihkuilmaisimet voidaan jakaa kolmeen luokkaan: Cherenkov-ilmaisimet, fluoresenssi-teleskoopit ja ilmasuihkuilmaisinasemat.
 Cherenkov-ilmaisimilla havaitaan ilmasuihkun varattujen hiukkasten emittoimaa Tšerenkovin säteilyä.
 Fluoresenssi-teleskoopeilla havaitaan ilmasuihkuhiukkasen virittämän typpiatomin purkautumisessa lähetettyä fluoresenssia.
 Ilmasuihkuilmaisinasemat koostuvat useammasta laajalle asetellusta ilmaisimesta, ja niillä voidaan tutkia ilmasuihkun kokoa sekä sekundaarihiukkasten jakaumaa.

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
Säteily kasvattaa syöpäriskiä etenkin paljon lentävillä kuten lentohenkilökunnalla. Säteily heikentää sähköverkon luotettavuutta. Säteily myös aiheuttaa joidenkin materiaalien vanhenemista.

Tietokoneen muistissa esiintyvät toimintahäiriöt sekä suorittimien toiminnassa esiintyvät virheet. 
Vaikutuksien minimoiseksi eräistä suorittimista valmistetaan säteilysuojattuja versioita kuten RAD6000.

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.

Katso myös 
 Kosminen taustasäteily

Lähteet

Aiheesta muualla

Kosminen säteily on noussut ennätyksellisen korkeaksi Tekniikka & Talous 5.10.2009

Kosminen säteily
Seulonnan keskeiset artikkelit