Man har kendt til den kosmiske stråling siden et berømt forsøg, foretaget af fysikeren Victor Hess i 1912, hvor han foretog målinger fra en ballon.
Han opdagede at stråling, som kunne ionisere luften, blev stærkere, efterhånden som ballonen kom højere op i atmosfæren.
\ Serie: 10 Astronomiske Mysterier
Der har altid været ubesvarede spørgsmål i astronomien, og selvom vi hele tiden bliver klogere, kommer der også hele tiden flere mysterier til.
I serien '10 Astronomiske Mysterier' vil Videnskab.dk's faste rumeksperter dykke ned i de mysterier, der i dag giver astronomerne hovedbrud.
Her kan du få en smagsprøve på serien og læse mere om baggrunden for artiklerne. Du finder en oversigt over alle de udgivne artikler i boksen under denne artikel.
Artiklerne i serien udkommer cirka med en måneds mellemrum. Vil du sikre dig ikke at gå glip af dem, så tilmeld dig vores gratis nyhedsbrev om rummet.
Målingerne kunne kun forklares ved at antage, at Jorden konstant rammes af atomare partikler med høj energi, og for denne opdagelse modtog Hess Nobelprisen i fysik i 1936.
Man begyndte systematisk at foretage målinger, og efterhånden mente man at have fået styr på både, hvilke partikler, der rammer Jorden, og partiklernes energi.
Der var dog intet, der havde forberedt fysikerne på en måling fra et observatorium i Utah i 1991, som skulle vise, hvor lidt vi stadig forstår af, hvordan den kosmiske stråling dannes.
For her målte man en partikel, sandsynligvis en proton, med en energi, der svarede til energien af en tennisbold med en fart på ikke mindre end 150 kilometer i timen.
Når man tænker på, hvor lille en proton er, så skal den have en meget høj fart på for at have så megen energi.
En beregning viser, at protonen har bevæget sig med mere end 99,99999999 procent af lysets hastighed.
På grund af relativitetsteoriens mærkelige love så går tiden på protonen meget langsommere end på Jorden.
Selv om protonen er kommet til os fra et sted mere end en milliard lysår borte, så har den kun oplevet en rejsetid på et par dage - og universet er blevet mere end en milliard år ældre under rejsen.
Vi skal senere vende tilbage til denne partikel, som nu går under navnet ’Oh-my-God partiklen’ eller bare OMG-partiklen. Navnet stammer fra fysikernes umiddelbare reaktion på den helt uventede måling.
Når strålingen rammer
Det er ikke så mærkeligt, at Jorden konstant rammes af atomare partikler, som kommer til os fra rummet.
Der foregår jo mange meget voldsomme processer i universet – bare tænk på supernovaer og sorte huller, der kan slynge partikler ud i rummet med enorm energi.
Disse partikler kommer naturligvis ikke fra selve det sorte hul, men fra stof, der suges ind i hullet.
Problemet med den kosmiske stråling er ikke så meget, at den eksisterer – det ville være mærkeligt andet – men mere præcist at forklare, hvorfra strålingen kommer, og især at forklare partikler som OMG-partiklen med en energi helt udenfor, hvad, man ville tro, er muligt.
Her er der to helt grundlæggende problemer:
- De atomare partikler, som kommer ude fra rummet, rammer ikke Jorden direkte, men Jordens atmosfære.
Hvis partiklerne har tilstrækkelig høj energi, kan de ved sammenstød med luftens atomer skabe et såkaldt 'Air Shower', der bogstavelig talt er et brusebad af partikler skabt ved sammenstød.
Det er ved at studere dette ’brusebad’ at man ved mange beregninger kan lære noget om de oprindelige partikler.
- Partiklerne i den kosmiske stråling er elektrisk ladede, og det det betyder, at de bliver afbøjet af magnetfeltet i Mælkevejen.
På grund af denne afbøjning er det umuligt at sige hvorfra partiklerne er kommet.
Det gælder dog ikke for de mest energiske partikler, der har så megen fart og energi, at Mælkevejens forholdsvis svage magnetfelt ikke kan nå at afbøje dem ret meget.
Den byge af partikler, vi modtager, kan være ganske stor og dække et område med en diameter på flere kilometer og rumme mere end 10 milliarder partikler.
Derfor er observatorierne til måling af den kosmiske stråling store, forstået på den måde, at de består af mange detektorer spredt ud over et stort areal, så man kan dække så meget som muligt af ’brusebadet’.
Et af de største er Pierre Auger Observatoriet i Argentina, opkaldt efter en af pionererne inden for feltet. Observatoriet består af 1.660 detektorer spredt ud over et areal på størrelse med Fyn i det vestlige Argentina.
Et andet er Telescope Array i staten Utah i USA, der består af 507 detektorer, som dækker et areal på 700 kvadratkilometer.
Når partiklerne rammer en detektor, som kan være fyldt med op mod 12 ton vand, efterlader de et kølvand af lys, den såkaldte Cerenkov-stråling. Denne stråling kan måles og give oplysninger om partiklerne.
Ved meget præcist at måle, hvornår partiklerne ankommer til de forskellige detektorer, er det muligt at få en vis idé om, fra hvilken retning partiklerne oprindeligt er kommet.
En anden målemetode er såkaldte scincillatorer, der udnytter, at nogle stoffer udsender et lysglimt når de rammes af en partikel.
Endelig kan man sende instrumenter højt op i atmosfæren med ballon og så håbe, at man kan fange i hvert fald nogle partikler, før de har haft sammenstød – dyrt og besværligt.
På grund af afbøjningen i magnetfeltet i Mælkevejen er præcise målinger umulige, men der synes at være en tendens til, at vi modtager mere kosmisk stråling med meget høj energi fra områder med mange galakser.
Dette kunne tyde på, at i hvert fald den mest energirige kosmiske stråling ikke kommer fra vores egen Mælkevej, men fra andre galakser.
Hvad ved vi i dag om kosmisk stråling?
Skal vi kort opsummere resultaterne af snart 100 års forskning, så er nok det vigtigste resultat, at vi nu ved, hvilke partikler der kommer til os ude fra rummet.
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De står bag bogen 'Det levende Univers' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.
Som forventet er 99 procent af partiklerne protoner og alfa-partikler, altså helium-kerner. Det passer godt med, at 99 procent af alt stof i universet er enten brint eller helium.
Den sidste procent er tungere atomkerner, men hvor man godt kan se sporene af rejsen til Jorden, som for disse partikler har været lang og farefuld.
Vi finder langt mere af de lette grundstoffer som lithium, beryllium og bor end forventet, ud fra hvor hyppige de er i universet.
Men forklaringen er simpel: Tungere atomkerner som ilt og kulstof har på deres lange rejse ikke kunnet undgå sammenstød, og det har delvist smadret dem i mindre kerner – og det er dem, vi modtager.
To typer kosmisk stråling
Man skelner meget naturligt mellem to typer af kosmisk stråling: Den, der stammer fra vores egen Mælkevej, og den, som kommer fra andre galakser.
Man mener nogenlunde at have styr på oprindelsen af den ’lokale’ kosmiske stråling fra Mælkevejen, hvor den helt dominerende kilde til strålingen er supernovaeksplosioner.
Den stråling, som har de største energier, kommer næsten helt sikkert fra andre galakser. Årsagen er, at der i fjerne galakser findes langt stærkere energikilder end i Mælkevejen.
De tre vigtigste af disse meget stærke energikilder er:
1) Sorte huller, som virkelig kan accelerere partikler, der er på vej til at falde ind i hullet. De partikler, som ikke bliver opslugt, kan opnå energier langt højere, end det er muligt fra en almindelig supernova. De partikler, som undslipper, slynges ud i mange tusinde lysår lange jetter, med hastigheder meget tæt på lysets hastighed. Jetterne udgår normalt fra aktive galakser med et sort hul, som er langt større end det, vi har i vores egen Mælkevej.
2) Gammaglimt, som er nogle af de allermest voldsomme eksplosioner, der kendes i Universet. En oplagt kilde til gammaglimt er sandsynligvis nogle ikke helt almindelige supernovaer i store galakser - en anden kilde kan være sammenstød mellem to neutronstjerner.
3) Starburst-galakser, hvor stjernedannelsen foregår i meget højt tempo – meget hurtigere end i Mælkevejen i dag. Denne meget hurtige stjernedannelse skaber mange supernovaer og dermed en meget voldsom udslyngning af gasser, der skaber, hvad man kunne kalde, en galaktisk supervind (eller måske nærmere orkan).
Men selv for meget stærke energikilder er det nødvendigt at have en proces, der kan accelerere atomare partikler op til meget høje energier.
En vigtig proces kan være, at partiklerne i den kosmiske stråling accelereres op til meget høje energier ved mødet med de gasmasser, som slynges ud ved meget voldsomme begivenheder.
Disse gasmasser bremses efterhånden ned, og der dannes chockfronter. Når de atomare partikler i den kosmiske stråling krydser en sådan chockfront, så kan den få et ordentlig skub og til sidst ende med en virkelig høj energi.
Men det er stadig kun en teori, og det er stadig meget svært at forklare de allermest energirige partikler som OMG-partiklen, vi fortalte om i indledningen.
Der er virkelig meget, vi endnu ikke forstår om den kosmiske stråling, og hvor vi må afvente ny forskning.
Derfor er kosmisk stråling vigtig
Her på Jorden skal vi ikke bekymre os meget om den kosmiske stråling. Atmosfæren beskytter os godt, så strålingen ikke udgør nogen sikkerhedsrisiko.
Problemet er straks større, hvis vi skal ud i rummet og især på rejser, der fører os uden for Jordens magnetfelt.
Efterhånden som vi får flere og bedre målinger, er man begyndt blive bekymret for at udsætte mennesker for kosmisk stråling i lang tid, som jo vil være tilfældet på eksempelvis en Marsrejse.
Den kosmiske stråling er der jo hele tiden, og her adskiller den sig fra solstorme, som godt kan være dødbringende.
Det er nemlig kun under de heldigvis kortvarige solstorme, at partikelstrålingen fra Solen kan være direkte farlig, og i denne tid kan man gemme sig i et særligt strålingsbeskyttet rum.
Det store problem er de såkaldte HZE-partikler. Det er partikler med høj (H) elektrisk ladning (Z) og energi (E).
Det er med andre ord ret tunge atomkerner som kulstof, jern og nikkel.
Der er heldigvis ikke mange af dem, men de slår hårdt, når de rammer, og de kan virkelig beskadige væv og organer, samtidig med, at de er meget svære at beskytte sig mod – her er et strålingsbeskyttet rum ikke nok.
Mars giver ingen beskyttelse
I forbindelse med en Marsrejse er det også et problem, at Mars hverken har et magnetfelt eller en atmosfære af betydning.
Det kan betyde, at man bliver nødt til at grave sig ned, hvis man vil bo på Mars i længere tid – det samme er tilfældet på Månen.
NASA regner med en strålingsdosis på 600 millisievert på en rejse til Mars og hjem igen. Til sammenligning er den årlige tilladte strålingsdosis for folk, der arbejder med stråling, 50 millisievert.
Den kosmiske stråling giver en betydelig kræftrisiko for Marsastronauter, men da det tager tid for kræft at udvikle sig, er det blevet foreslået at sende lidt ældre mennesker til Mars.
De har nemlig en lidt lavere risiko for at udvikle kræft end unge mennesker, der har mange års levetid foran sig.
Et nyt mysterium
Vi indledte med et mysterium og vil også slutte af med et.
Man taler undertiden om, at der findes et ’hav’ af kosmisk stråling i Mælkevejen, fordi de elektrisk ladede partikler jo afbøjes af Mælkevejens magnetfelt.
Partiklerne bevæger sig i alle retninger, med det resultat at hele Mælkevejen er fyldt op med partikler.
Den kosmiske stråling bliver derved nogenlunde lige stærk alle vegne i Mælkevejen.
Der er dog en enkelt undtagelse, nemlig nogle store molekylskyer nær Mælkevejens centrum, hvor intensiteten af den kosmiske stråling er markant lavere end normalt.
Det er, som om molekylskyerne virker som en barriere for den kosmiske stråling, der kommer fra Mælkevejen, men man har endnu ikke en præcis forklaring på fænomenet.
På den anden side viser målingerne også, at den kosmiske stråling, som produceres helt inde ved det sorte hul i centret, godt kan komme ud, og det gør bestemt ikke mysteriet mindre.
Man kan måle styrken af den kosmiske stråling ved hjælp af gammastråling. Når partiklerne i den kosmiske stråling støder sammen med atomer i gas og støvskyer, udsendes gammastråling, som kan observeres.
Der kommer gammastråling netop fra Mælkevejes centrum, og det er ved at måle denne stråling, at man har opdaget området med lav kosmisk stråling.
\ Læs tidligere artikler i serien '10 astronomiske mysterier'
- Indledning: Vores mystiske univers
- Nummer 10: Vores solsystem er fyldt med uopklarede mysterier
- Nummer 9: Er Solsystemet enestående?
- Nummer 8: Kan stjerner forsvinde ud i det blå?
- Nummer 7: Hvorfor er der sorte huller i galaksernes centre?
- Nummer 6: Hvor kommer den kosmiske stråling fra?
- Nummer 5: Hvorfor er der ikke antistof i universet?
- Nummer 4: Hvad består universet af?
- Nummer 3: Hvor stort er universet?
- Nummer 2: Er universet finjusteret til at kunne rumme liv?
- Nummer 1: Er vi alene i universet?
