קרניים קוסמיות: המטיילים המהירים ביקום

קרניים קוסמיות נשמעות כמו סוג של איום מדעי-בדיוני מהחלל החיצון. מסתבר, שכמויות מספיק גבוהות. מצד שני, קרניים קוסמיות עוברות בנו כל יום בלי לעשות הרבה (אם יש נזק). אז, מה הם הקטעים המסתוריים האלה של אנרגיה קוסמית?

המונח "קרנה קוסמית" מתייחס לחלקיקים במהירות גבוהה הנוסעים את היקום. הם נמצאים בכל מקום. רוב הסיכויים שקרניים קוסמיות עברו בגוף של כולם בזמן כזה או אחר, במיוחד אם הם גרים בגובה רב או טסו במטוס. כדור הארץ מוגן היטב מפני כולם מלבד האנרגטיים מבין הקרניים הללו, כך שהם לא באמת מהווים סכנה לנו בחיי היומיום שלנו.

קרניים קוסמיות מספקות רמזים מרתקים לחפצים ואירועים במקומות אחרים ביקום, כמו מותם של כוכבים מאסיביים (הנקראים פיצוצי סופרנובה) ופעילות בשמש, כך שאסטרונומים לומדים אותם באמצעות בלונים בגובה רב ובמכשירים מבוססי חלל. מחקר זה מספק תובנה חדשה ומרתקת לגבי מקורם והתפתחותם של כוכבים וגלקסיות ביקום.

קרניים קוסמיות הן חלקיקים טעונים במיוחד באנרגיה (בדרך כלל פרוטונים) שנעים כמעט ליד מהירות האור. חלקם באים מהשמש (בצורה של חלקיקים אנרגטיים סולאריים), ואילו אחרים נפלטים מפיצוצים של סופרנובה ואירועים אנרגטיים אחרים במרחב הבין-כוכבי (והאינטגלקטי). כאשר קרניים קוסמיות מתנגשות באטמוספירה של כדור הארץ הם מייצרים מקלחות של מה שמכונה "חלקיקים משניים".

קיומם של קרניים קוסמיות ידוע כבר למעלה ממאה שנה. הם נמצאו לראשונה על ידי הפיזיקאי ויקטור הס. הוא השיק אלקטרומטרים ברמת דיוק גבוהה על סיפון בלוני מזג האוויר בשנת 1912 כדי למדוד את קצב היינון של האטומים (כלומר, כמה מהר ובאיזו תדירות מופעלים אטומים) בתוך שכבות עליונות באטמוספירה של כדור הארץ. מה שגילה הוא ששיעור היינון גדול הרבה יותר ככל שעולים באווירה - תגלית שלשמה זכה אחר כך בפרס נובל.

זה טס לנוכח החוכמה המקובלת. האינסטינקט הראשון שלו כיצד להסביר זאת היה שתופעה סולארית כלשהי יוצרת את האפקט הזה. עם זאת, לאחר שחזר על הניסויים שלו במהלך ליקוי חמה קרוב, הוא השיג את אותן תוצאות, ובכך למעשה פסק כל מקור שמש ל, לכן הוא הגיע למסקנה כי בטח יש איזשהו שדה חשמלי מהותי באטמוספרה שיוצר את היינון הנצפה, אם כי הוא לא יכול היה להסיק מה מקור השדה יהיה.

זה היה יותר מעשור לאחר מכן שהפיזיקאי רוברט מיליקאן הצליח להוכיח שהשדה החשמלי באטמוספרה שנצפתה על ידי הס הוא במקום שטף של פוטונים ואלקטרונים. הוא כינה תופעה זו "קרניים קוסמיות" והם זרמו דרך האווירה שלנו. הוא גם קבע כי חלקיקים אלה אינם מכדור הארץ או מהסביבה הקרובה לכדור הארץ, אלא באו מהחלל העמוק. האתגר הבא היה להבין אילו תהליכים או אובייקטים היו יכולים ליצור אותם.

מאז אותה תקופה, המשיכו המדענים להשתמש בבלונים בעלי עף גבוה כדי להתעלות מעל האטמוספרה ולדגום יותר מחלקיקים מהירים אלה. האזור שמעל אנטרטיקה בקוטב הדרומי הוא נקודת שיגור מועדפת, ומספר משימות אספו מידע נוסף על קרניים קוסמיות. שם, מתקן הבלונים הלאומי למדע הוא בית למספר טיסות עמוסות מכשירים מדי שנה. "מוני הקרינה הקוסמית" שהם נושאים מודדים את האנרגיה של קרניים קוסמיות, כמו גם את כיוונם ועוצמתם.

ה תחנת חלל בינלאומיתמכיל גם מכשירים החוקרים את המאפיינים של קרניים קוסמיות, כולל ניסוי קרני אנרגטי וקוסמיקה (CREAM). הותקן בשנת 2017, יש לו משימה של שלוש שנים לאסוף כמה שיותר נתונים על החלקיקים הנעים במהירות. CREAM למעשה החל כניסוי בלון, והוא טס שבע פעמים בין 2004 ל 2016.

מכיוון שקרניים קוסמיות מורכבות מחלקיקים טעונים, ניתן לשנות את דרכיהם על ידי כל שדה מגנטי שהוא בא במגע איתו. באופן טבעי, לאובייקטים כמו כוכבים וכוכבי לכת יש שדות מגנטיים, אך קיימים גם שדות מגנטיים בין כוכבים. זה גורם לחיזוי היכן (וכמה חזקים) שדות מגנטיים קשים ביותר. ומכיוון ששדות מגנטיים אלה נמשכים בכל החלל, הם מופיעים לכל כיוון. לכן אין זה מפתיע שמנקודת התצפית שלנו כאן על פני כדור הארץ נראה כי קרניים קוסמיות אינן מגיעות משום נקודה אחת במרחב.

קביעת מקור הקרניים הקוסמיות הייתה קשה במשך שנים רבות. עם זאת, ישנן כמה הנחות שניתן להניח. ראשית, טבען של קרניים קוסמיות כחלקיקים טעונים באנרגיה גבוהה במיוחד מרמז כי הם מופקים על ידי פעילויות חזקות למדי. אז אירועים כמו סופרנובות או אזורים סביב חורים שחורים נראו ככל הנראה כמועמדים. השמש פולט משהו הדומה לקרניים קוסמיות בצורה של חלקיקים אנרגטיים ביותר.

בשנת 1949 הציע הפיזיקאי אנריקו פרמי כי קרניים קוסמיות היו פשוט חלקיקים המואצים על ידי שדות מגנטיים בענני גז בין-כוכביים. ומכיוון שאתה זקוק לשדה די גדול כדי ליצור קרניים קוסמיות בעלות האנרגיה הגבוהה ביותר, מדענים החלו להסתכל על שרידי סופרנובה (ושאר אובייקטים גדולים בחלל) כמקור הסביר.

ביוני 2008 השיקה נאס"א טלסקופ קרני גאמה המכונה פרמי - על שם אנריקו פרמי. בזמן פרמי הוא טלסקופ קרני גאמה, אחת ממטרותיו המדעיות העיקריות הייתה לקבוע את מקורות הקרניים הקוסמיות. יחד עם מחקרים אחרים על קרניים קוסמיות על ידי בלונים וכלים מבוססי חלל, האסטרונומים נראים כעת לשרידי סופרנובה, וחפצים אקזוטיים כאלה כמו חורים שחורים סופר-מסיביים כמקורות לקרניים הקוסמיות האנרגטיות ביותר שהתגלו כאן כדור הארץ.

• קרניים קוסמיות מגיעות מרחבי היקום ויכולות להיווצר על ידי אירועים כמו פיצוצים של סופרנובה.
• חלקיקים במהירות גבוהה נוצרים גם באירועים אנרגטיים אחרים כמו פעילויות קוואזאר.
• השמש שולחת גם קרניים קוסמיות בצורה או חלקיקים אנרגטיים סולאריים.
• ניתן לאתר קרניים קוסמיות על פני כדור הארץ בדרכים שונות. בחלק מהמוזיאונים יש גלאי קרניים קוסמיים כתערוכות.

• "חשיפה לקרניים קוסמיות." רדיואקטיביות: יוד 131, www.radioactivity.eu.com/site/pages/Dose_Cosmic.htm.
• נאס"א, נאס"א, דמיין.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/cosmic_rays1.html.
• RSS, www.ep.ph.bham.ac.uk/general/outreach/SparkChamber/text2h.html.

נערך ועודכן על ידי קרולין קולינס פיטרסן.