Kosmische Strahlung

Die Kosmische Strahlung ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung aus dem Weltall. Sie wurde bereits 1912 von Victor F. Hess postuliert, um die bei einem Ballonflug gemessene höhere elektrische Leitfähigkeit der Atmosphäre mit zunehmender Höhe zu erklären. Früher wurde sie Höhenstrahlung genannt.

Die Kosmische Strahlung besteht zu 97% aus einer Nukleonenkomponente und zu 3% aus einer Elektronenkomponente. In der Nukleonenkomponten überwiegen Protonen und Alpha-Teilchen, sie enthält aber auch alle anderen schwereren Atomkerne, welche auch in der solaren Materie vorkommen. Die Häufigkeit der verschiedenen Atomkerne entspricht, mit einigen Ausnahmen, in etwa der solaren Elementhäufigkeit. Ausnahmen sind z.B. Li, Be, B, welche in der Kosmischen Strahlung, als Folge von Spallationsreaktionen beim Durchqueren galaktischer Materie, häufiger sind als in solarer Materie. Die Elektronenkomponente besteht aus Elektronen und Positronen im Verhältnis von 10 zu 1. Der Fluss der Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Energie stellt ein Potenzspektrum in Form von E^-γ dar, wobei Teilchen höherer Energie wesentlich seltener auftreten als Teilchen geringerer Energie. ( Spektrum der kosmischen Strahlung ) Bei 10 ¹⁹ eV müsste eigentlich aufgrund von Wechselwirkungen mit der kosmischen Hintergrundstrahlung der so genannte GZK-Cutoff auftreten, zu dem jedoch widersprüchliche Messdaten vorliegen.

Bereits 1949 postulierte Enrico Fermi einen möglichen Beschleunigungsmechanismus, der eine statistische Beschleunigung an magnetisiertem Plasma ("Magnetwolken") bzw. ebenen Schockfronten beinhaltet. Eine Schockfront kann zum Beispiel durch ein sich im Vergleich zur Umgebung sehr schnell propagierendes Gas gegeben sein. Schockfronten treten vor allem nach Supernovaexplosionen in der abgestoßenen Hülle der Supernova auf. Bei dieser statistischen Beschleunigung wird über längere Zeit mittels "Stößen" die Energie des Gases auf das Teilchen übertragen. Dabei entsteht ein Potenzspektrum, jedoch mit einem von den Messdaten abweichenden Spektralindex γ.

Die Kosmische Strahlung wird auch je nach ihrem Ursprung in solare und galaktische kosmische Strahlung eingeteilt. Wie Scott E. Forbush 1946 nachwies, werden bei Sonnenflares Teilchen bis in den GeV-Bereich erzeugt (engl. "solar energetic particles", SEP). Der genaue Ursprung der galaktischen kosmischen Strahlung, in der Teilchenenergien bis zu 10²⁰ eV nachgewiesen wurden, ist bisher unbekannt. Kandidaten hierfür sind unter anderem Schockfronten von Supernovaexplosionen oder kosmische Jets von schwarzen Löchern oder Pulsaren. Für Teilchenenergien < 10¹⁸ eV wird ein Ursprung innerhalb der Milchstraße angenommen, während für größere Energien auch andere Galaxien oder Quasare in Betracht kommen.

Da man in Kosmischer Strahlung keinerlei Spuren von Antimaterie nachweisen konnte, wird dies als entscheidendes Indiz angesehen, dass in unserem Universum keine natürliche Antimaterie vorkommt und es somit beim Urknall zu einer Asymmetrie von Materie und Antimaterie gekommen ist.

Kosmische Strahlung löst beim Durchdringen von Materie Spallationsreaktionen aus. Durch Messung der Häufigkeiten der Spallationsprodukte in Meteoriten kann so z. B. deren Aufenthaltsdauer im Weltall bestimmt werden (Bestrahlungsalter). Auch konnte so festgestellt werden, dass sich die mittlere Intensität der galaktischen Kosmischen Strahlung seit mindestens 100 Millionen Jahren höchstens um einen Faktor zwei geändert hat. Beim Eintreten in die Erdatmosphäre werden aufgrund von Wechselwirkungen so genannte Teilchenschauer ausgelöst, bei denen vor allem Myonen entstehen, welche auch bis zur Erdoberfläche gelangen können. Bei den ersten Wechselwirkungen entstehen meist Pionen, welche augenblicklich weiter zerfallen.

$\pi ^{0}\rightarrow \gamma +\gamma$

$\pi ^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }$

$\pi ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }$

Die beim Zerfall der Pionen entstehenden Myonen zerfallen ebenfalls weiter, wobei Elektronen und Neutrinos entstehen.

$\mu ^{+}\rightarrow e^{+}+\nu _{e}+{\bar {\nu }}_{\mu }$

$\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+\nu _{\mu }+{\bar {\nu }}_{e}$

Ein Schauer besitzt somit eine elektromagnetische sowie eine hadronische Komponente, die einzeln nachgewiesen werden können und zum Nachweis von Partikeln der kosmischen Strahlung genutzt werden. Ausgehend davon unterscheidet man auch zwischen primärer und sekundärer kosmischer Strahlung, wobei primäre Strahlung die in den Quellen beschleunigte bezeichnet, während die sekundäre Strahlung erst in Wechselwirkungen der primären kosmischen Partikel entsteht.

Zum Nachweis der kosmischen Strahlung werden unterschiedliche Ansätze verfolgt. Während der Fluss der Teilchen bei niedrigen Energien noch groß genug ist, um mit Ballon- und Satellitendetektoren Beobachtungen durchführen zu können, sind bei höheren Energien breitflächige Detektorarrays zum Nachweis nötig. Um die höchsten Energien detektieren zu können, versucht man, das bläuliche Stickstofffluoreszenzlicht, welches ein Teilchenschauer verursacht, zu beobachten. Mithilfe dieser Methode wurde 1991 vom Flye's-Eye-Teleskop in Utah (USA) die höchste bisher gemessene Teilchen-Energie beobachtet. Sie lag bei 3,2*10 ²⁰ eV. Das jüngste Vorhaben zur Detektierung und Analyse der Teilchenschauer stellt das aus vier Spiegelteleskopen bestehende H.E.S.S.-Projekt in Namibia dar, bei dem 2005 acht neue Quellen im Kosmos entdeckt wurden.

Abgesehen von der langfristigen Konstanz gibt es kurzfristige periodische und nichtperiodische Schwankungen der Intensität der Kosmischen Strahlung. So schwankt die Intensität in Abhängigkeit vom elfjährigen Sonnenfleckenzyklus; je mehr Sonnenflecken vorhanden sind,desto geringer die Intensität der GCR. Daneben gibt es noch eine 27-tägige Schwankung, die mit der Sonnenrotation verknüpft ist. Von erdgebundenen Detektoren werden auch schwache ganz- und halbtägige Schwankungen beobachtet. Sonnen-Flares oder sonstige Sonnenaktivitäten können auch plötzliche vorübergehende Intensitätsabfälle hervorrufen, welche nach ihrem Entdecker als Forbush-Ereignisse bezeichnet werden. Seltener wird auch ein plötzlicher Anstieg der Intensität beobachtet.

Wirkung auf den Menschen

Beim Menschen kann die KS auf lange Zeit gesehen Krebs verursachen. Die Erde wird durch die dichte Atmosphäre und das Magnetfeld vor der Strahlung geschützt. Im All kann man sich gegen die Strahlung durch massereiche Materie schützen und so Krebs verhindern. Die KS kann auch Mutationen hervorrufen. Manche Wissenschaftler sind der Meinung, dass man wegen der KS nie weitere Reisen ins All starten könne. Einige wenige vertreten sogar die Meinung, der Mensch sei nie auf dem Mond gewesen, weil man die KS nicht überlebt hätte. (Mondlandungslüge)

Literatur

• A. Unsöld, B. Baschek, Der neue Kosmos, Springer-Verlag, ISBN 3-540-42177-7
• C. Grupen, Astroteilchenphysik, Springer-Verlag, ISBN 3-540-41542-4
• Gerhard Börner, Matthias Bartelmann: Astronomen entziffern das Buch der Schöpfung. Physik in unserer Zeit 33(3), S. 114 - 120 (2002), ISSN 0031-9252
• Werner Hofmann: Die energiereichste Strahlung im Universum. Physik in unserer Zeit 33(2), S. 60 - 67 (2002), ISSN 0031-9252

Videos

• Real Video: Was ist kosmische Strahlung? (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)

Weblinks

• Astroteilchenphysik in Deutschland