Raze cosmice

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

În fizică , razele cosmice sunt particule energetice din spațiul cosmic [1] la care este expus Pământul și orice alt corp ceresc , precum și sateliți și astronauți pe orbita spațială. Natura lor este foarte variată ( energia cinetică a particulelor de raze cosmice este distribuită pe paisprezece ordine de mărime ), la fel ca și originea lor: Soarele , alte stele , fenomene energetice precum novae și superne , [2] până la obiecte îndepărtate precum quasarii .

Fluxul de raze cosmice în funcție de energia lor. Partea pe un fundal galben se crede că este de origine solară, partea pe un fundal albastru de origine galactică, partea cu energie superioară de origine extragalactică

Istorie

Álvarez (dreapta) și Compton (stânga)

În 1785, Charles Coulomb a observat că un electroscop s-a descărcat spontan, astfel încât aerul dintre frunzele sale metalice nu putea fi complet izolant. [3]

După descoperirea radioactivității (datorată în 1896 lui Antoine Henri Becquerel , Marie Curie și Pierre Curie ), a fost posibil să se constate efectele radiațiilor asupra proprietăților izolante ale aerului, deoarece rata de descărcare a unui electroscop a crescut semnificativ pe măsură ce sursele radioactive abordați-l, dar între 1901 și 1903, mulți cercetători au observat că electroscopurile s-au descărcat chiar dacă sunt protejate, deducând că o radiație extrem de penetrantă a contribuit la descărcarea spontană.

Originea extraterestră a unei părți a acestei radiații (așa-numitele raze cosmice) a fost descoperită mai ales datorită studiilor independente și contemporane ale austriacului Victor Franz Hess și ale italianului Domenico Pacini , acesta din urmă prin intermediul experimentelor efectuate între anii 1907 și 1911 și descris într-un memoriu publicat în Nuovo Cimento în 1912 , [4] austriacul prin experimente efectuate între 1911 și 1912 (zborul care a permis demonstrația a fost cel din 7 august 1912) și publicat în mod egal în 1912 . [5]

Pacini a făcut o măsurătoare în 1910

Pacini a reușit să excludă originea terestră a radiațiilor studiindu-le în apele marine din Livorno și în cele ale lacului Bracciano între iunie și octombrie 1911 și înregistrând scăderea intensității odată cu creșterea adâncimii; Hess înregistrează creșterea intensității cu înălțimea prin intermediul unui balon .

Hess se întorcea din zborul cu balonul în august 1912

Victor Hess a câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 1936 pentru cercetările sale de pionierat în domeniul radiațiilor cosmice (Pacini murise de doi ani și, prin urmare, nu mai era eligibil). Werner Kolhorster a efectuat măsurători suplimentare în anii următori (1911-1914), până la înălțimea de 9 km, folosind baloane și a confirmat rezultatele lui Hess îmbunătățind acuratețea lor.

Ionizare crescută cu altitudinea în măsurătorile Hess (stânga) și Kolhorster (dreapta)

După Hess, Robert Millikan , în anii 1920, a devenit interesat de această radiație și îi datorăm numele razelor cosmice : la fel ca Pacini și Hess, el credea că acestea erau compuse în principal din raze gamma . Arthur Compton a emis ipoteza în schimb că acestea sunt compuse din particule încărcate : măsurătorile ulterioare au dovedit validitatea acestei a doua ipoteze. De fapt, distribuția radiației a variat în funcție de latitudinea magnetică, așa cum se așteaptă de la particulele încărcate sub influența câmpului geomagnetic al Pământului .

În 1931 , [6] fizicianul italian Bruno Rossi a remarcat că, dacă sarcina particulelor era pozitivă, acestea trebuiau să vină preferențial din vest: depindea de Álvarez și Compton [7] să demonstreze experimental corectitudinea ideii lui Rossi .

În anii 1940, Enrico Fermi [8] a explicat posibilul mecanism de accelerație al razelor cosmice, în special în resturile de supernova . Mecanismul Fermi rămâne în continuare modelul principal pentru explicarea problemei.

Astrofizicianul sovietic Nikolai Aleksandrovič Kozyrev , izolat de Cortina de fier din Sankt Petersburg în anii 1960 și, prin urmare, necunoscând multe descoperiri științifice „occidentale” despre mecanica cuantică și fizica particulelor , s-a dedicat investigațiilor din 1959 până la moartea sa, teoretică și experimentală, a razele cosmice care vin de la stele. [9] [10] [11]

La începutul anilor 1960 , fizicianul Giuseppe Cocconi , care lucra la Laboratorul Național Brookhaven , a fost primul care a emis ipoteza că razele cosmice cu energie ridicată erau de origine extragalactică , o ipoteză confirmată ulterior. Cocconi a mai emis ipoteza că emisia de raze cosmice încărcate a fost însoțită de emisia de raze gamma; această ipoteză a fost confirmată și astăzi razele gamma sunt utilizate ca urmăritori ai accelerației cosmice a particulelor.

Razele cosmice au fost, de asemenea, subiectul de studiu al fizicianului american Robert Oppenheimer .

Descriere

În medie, o particulă are impact pe fiecare centimetru pătrat al suprafeței Pământului în fiecare secundă.

Simularea roiurilor generate în interacțiunea razelor cosmice cu atmosfera Pământului

Majoritatea razelor cosmice care sosesc pe Pământ sunt un produs secundar al roiurilor formate în atmosferă de razele cosmice primare, cu interacțiuni care produc de obicei o cascadă de particule secundare dintr-o singură particulă energetică. Aceste particule pot fi observate cu echipamente speciale: pentru a evita interferențele cu mediul, multe laboratoare de fizică sunt amplasate sub pământ, cum ar fi laboratorul Gran Sasso .

Razele cosmice au ajutat la dezvoltarea fizicii particulelor : din studiul acestei radiații spațiale, particule precum pozitronul (prima particulă de antimaterie descoperită vreodată), [12] muonul și particulele ciudate au fost descoperite într-o eră în care acceleratorul tehnologia nu a fost dezvoltată. Chiar și astăzi, însă, energia razelor cosmice este de milioane de ori mai mare decât cea care poate fi obținută de la acceleratoarele Pământului.

În cazurile în care ecranul atmosferei lipsește, cum ar fi în sateliții artificiali , razele cosmice pun o problemă semnificativă: electronica de la bord trebuie întărită și protejată sub pedeapsa defecțiunilor, iar în cazul misiunilor cu echipaj, astronauții sunt supus unor efecte ionizante conferite de razele cosmice țesuturilor biologice.

Razele cosmice primare

Dincolo de atmosferă, razele cosmice sunt formate din protoni (aproximativ 90%) și nuclei de heliu (aproape 10%); cu toate acestea, electronii și alți nuclei de lumină, fotoni , neutrini și, la minimum, antimateria ( pozitroni și antiprotoni ) fac parte din razele cosmice primare . Odată ajunși în atmosfera terestră, aceste particule interacționează cu nucleele moleculelor atmosferei, formând astfel, într-un proces în cascadă (vezi figura), noi particule proiectate înainte, care iau numele de raze cosmice secundare .

Compoziția și spectrul de energie au fost studiate în detaliu pentru radiația cosmică primară. Debitul relativ la hidrogen este puțin peste 90%, puțin mai puțin de 10% pentru heliu , 7 × 10 −4 pentru elemente ușoare precum litiu , beriliu și bor , e 5 × 10 −3 pentru alte elemente de la carbon la neon .

Spectrul (numărul de raze incidente pe unitate de energie, pe unitate de timp, pe unitate de suprafață pe steradian ) a razelor cosmice primare este bine descris de o lege a puterii sub forma

cu pentru valori energetice mai mici decât . Pentru valori mai ridicate ale energiei, există o înclinare, cu care devine egal cu 3. Punctul în care are loc această schimbare de pantă se numește genunchi .

Pentru energii chiar superioare ( ), spectrul razelor cosmice devine din nou mai puțin abrupt, dând naștere la o schimbare suplimentară a pantei, numită gleznă .

Caracteristicile razelor cosmice secundare

Schema de formare a radiației cosmice secundare

Radiația secundară la nivelul mării constă din două componente (moi și dure) care au un comportament diferit atunci când traversează medii foarte dense ( fier , plumb , ...).

Componenta moale (aproximativ 30% din radiația secundară), formată din electroni și fotoni și, într-o măsură mai mică, protoni, kaoni și nuclei, este capabilă să treacă prin doar câțiva centimetri de absorbant. Componenta dură (aproximativ 70%), compusă din muoni, este capabilă să pătrundă în grosimi ale materialelor absorbante de peste un metru .

Fluxul mediu al particulelor care alcătuiesc radiația, adică numărul de particule, de energie de ordinul lui Gev, care atinge nivelul mării pe unitate de timp și suprafață este estimat a fi de ordinul

Razele cosmice au o distribuție unghiulară față de normal la suprafața Pământului, care poate fi descrisă ca o funcție a latitudinii:

Desigur, distribuția în unghiul azimutic (longitudine) este uniformă: .

Particulele care alcătuiesc radiația sunt foarte energice. Se estimează că debitul mediu la nivelul mării are o energie medie de 3 GeV .

Μ leptonul (muon) este o particulă elementară cu spin 1/2, masă (de aproximativ două sute de ori masa electronului) și durata medie de viață . Există în două stări de sarcină (pozitivă și negativă) și are două tipuri de interacțiune, pe lângă cea gravitațională : interacțiunea electromagnetică și cea slabă . După cum sa menționat în introducere, μ sunt produse în atmosfera superioară, în principal prin decăderea π încărcat:

La producție, acestea se caracterizează prin viteze relativiste și, datorită fenomenului de dilatare a timpului , reușesc să atingă nivelul mării, unde se observă că μ + sunt cu aproximativ 20% mai mult decât μ - .

Raze cosmice cu energie foarte mare

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Raze cosmice cu energie foarte mare .

Unul dintre cele mai întunecate mistere ale cosmologiei moderne sunt razele cosmice cu energii de ordinul , adică cantitatea de energie a unei mingi de tenis lovită de un profesionist (peste 100 km / h) concentrată într-o singură particulă, de obicei un proton. În schimb, masa de repaus a protonului este de aproximativ . Viteza acestor particule este mai mică de o parte în sus mai mici decât viteza luminii și, datorită împrăștierii în fundalul microundelor , acestea ar trebui să aibă o origine în termen de 200 de milioane de ani lumină de noi (altfel ar fi absorbite prin interacțiunea cu fundalul cosmic al microundelor ). Cu toate acestea, nu se cunoaște niciun obiect ceresc capabil să genereze aceste particule cu o astfel de energie în această limită. Cu câțiva ani în urmă, experimentul AGASA din Japonia semnalase existența unui flux anormal de astfel de particule enigmatice; Rezultatele AGASA, însă, nu au fost confirmate de experimentul Auger mai sensibil.

Razele cosmice galactice - noi descoperiri

În urma observațiilor Observatorului Sudic European, folosind sistemul VLT de telescop foarte mare coordonat cu observatorul spațial Chandra pentru detectarea razelor X și cu detectorii de raze gamma MAGIC , HESS , VERITAS și Fermi-GLAST , mecanismul care stă la baza accelerării particulele care alcătuiesc razele cosmice galactice (până la energia genunchiului) au fost descoperite recent.

S-a demonstrat că razele cosmice de energie intermediară (până la 10.000 TeV) care pătrund în spațiul interstelar și ne bombardează în mod constant planeta, venind din Calea Lactee, sunt accelerate în rămășițele exploziilor supernova (obiecte cu o masă egală cu o anumită masă solară ). Prin urmare, s-a văzut că energia termică totală cauzată de explozia stelelor este cheltuită în mare măsură pentru accelerarea unor particule la viteze apropiate de cele ale luminii.

Razele cosmice extragalactice - noi descoperiri

În 2004, marele detector de la sol, numit Observatorul Pierre Auger, a început să colecteze date; în prezent, eșantionează o suprafață de peste 3000 de kilometri pătrați (de aproximativ trei ori suprafața municipiului Roma) în pampa argentiniană lângă Malargue. Observatorul Auger oferă informații fundamentale despre razele cosmice, în special indicând faptul că direcția razelor cosmice cu energie extrem de mare (mai mare de câțiva jouli pe particulă, adică sute de milioane de TeV) este legată de nucleele galaxiilor din afara Lacteului. Way, [13] și în special galaxia Centaurus A a fost recunoscută ca sursă. Prin urmare, pare dovedit că originea razelor cosmice cu energie foarte mare este legată de prăbușirile gravitaționale din vecinătatea găurilor negre supermasive (cu mase mai mari de un miliard de mase solare).

Astronomia cu raze cosmice încărcate este totuși dificilă, deoarece, chiar și cu instrumente foarte mari, cum ar fi Auger, numărul evenimentelor colectate este mic (câteva zeci pe an) și nu este posibil să „îndreptăm” obiectele externe către supergrupul local. de galaxii.în jurul Căii Lactee.

Razele cosmice și activitatea solară

O altă relație importantă a fost observată între fluxul de raze cosmice care ajunge pe Pământ și creșterea sau scăderea acoperirii norilor Pământului. [ citație necesară ] La rândul său, fluxul de particule cosmice care sosesc pe Pământ variază în funcție de variația activității solare. Pe măsură ce activitatea solară crește, crește și vântul solar , un flux de particule încărcate care călătorește prin spațiu împreună cu câmpul său magnetic puternic. Dar acest câmp magnetic plasat între Soare și Pământ deviază razele cosmice, particule încărcate foarte repede provenind de la soare și din spațiul intergalactic, care, având în vedere energia lor de impact mare, au proprietatea de a ioniza atmosfera, mai ales acolo unde aceasta este mai densă ( și, prin urmare, coliziunile sunt mai numeroase) sau în partea cea mai apropiată de sol. Moleculele de aer electrificate de razele cosmice pot deveni centre de nucleație, [14] împreună cu praful atmosferic, obținând vaporii de apă din jur să se coaguleze pe sine, favorizând astfel formarea norilor în atmosfera inferioară. [ citație necesară ] La rândul său, norii joși au proprietatea de a răci Pământul [ fără sursă ] . Prin urmare când activitatea solară este mai intensă atmosfera are mai puțină acoperire de nori [ fără sursă ] de ce razele cosmice vor fi mai deviate de vântul solar, astfel încât mai multă energie să ajungă la suprafața pământului (contribuind astfel la încălzirea globală) [ fără sursă ] . Pe de altă parte, atunci când activitatea solară este mai slabă, acoperirea norilor atmosferei terestre va fi mai mare, astfel încât energia care ajunge la suprafață scade, energie respinsă de nori.

Analizând situația actuală (2014) [ este necesară citarea ] , vedem cum activitatea solară a crescut în ultimii 300 de ani și în special în ultimii 50 de ani. În ultimii 30 de ani, creșterea activității solare a ținut o mare parte din razele cosmice departe de Pământ și, prin urmare, a existat mai puțină formare de nori lângă sol și acest lucru ar putea explica, alături de alți factori, încălzirea puternică a Pământului în ultimele decenii [ este necesară citarea ] . În ultimul deceniu, însă, activitatea solară pare să fi suferit un declin lent: soarele, în ciclul său de 11 ani, după ce a atins minimul de activitate în petele solare în 2007, a dat ulterior doar semne timide de trezire. Din 2004 până în 2011, au existat 821 de zile fără pată, comparativ cu o medie de 486. [15] În ultimii 100 de ani, numai între 1911 și 1914 Soarele fusese atât de leneș. Această circumstanță ar justifica creșterea bruscă a înnorării scăzute în ultimii ani [ fără sursă ] ; un studiu din 2000 pare să fi arătat că încălzirea globală de la începutul secolului trecut ar fi putut fi cauzată de activitatea solară: autorii studiului nu exclud însă alte cauze ale încălzirii din ultimele decenii. [16]

În cultura de masă

În Marvel Comics, patru astronauți (viitorul Patru Fantastici ) câștigă superputeri în urma expunerii la razele cosmice.

Notă

  1. ^ Sharma, Atomic And Nuclear Physics , Pearson Education India, 2008, p. 478, ISBN 978-81-317-1924-4 .
  2. ^ (EN) Ginger Pinholster, dovezi arată că razele cosmice provin din stele explodante , pe aaas.org. Adus de 23 septembrie 2017.
  3. ^ CA de Coulomb, Memoires sur l'Electricite et le Magnetisme , în Mdm. de l'Acad. des Sciences , 1785, pp. 612 și următoarele.
  4. ^ D. Pacini, Radiația penetrantă la suprafață și în ape ( PDF ), în Il Nuovo Cimento , seria VI, volumul 3, 1912. Accesat la 24 iulie 2000 (arhivat din original la 26 februarie 2012) .
  5. ^ F. Hess, Uber Beobachtungen der durchdringenden Strahlung bei sieben Freiballonfahrten ( PDF ) [ legătură ruptă ] , în Physikalische Zeitschrift , XIII, 1912, pp. 1084-91.
  6. ^ B. Rossi, Măsurători privind absorbția razelor corpusculare penetrante provenite din direcții înclinate , în natură , volumul 128, numărul 3227, 1931, pp. 408 și următoarele.
  7. ^ L. Alvarez, AH Compton, O componentă încărcată pozitiv a razelor cosmice , în Physical Review , volumul 43, numărul 3227, 1933, pp. 835 și următoarele.
  8. ^ E. Fermi, Despre originea radiației cosmice , în Physical Review , volumul 75, 1949, p. 1169 și urm.
  9. ^ Akimov, AE, Shipov, GI, Câmpurile de torsiune și manifestările lor experimentale , în Proceedings of International Conference: New Ideas in Natural Science , 1996.
  10. ^ Lavrentiev, MM, Yeganova, IA, Lutset, MK & Fominykh, SF, Despre influența îndepărtată a stelelor asupra rezistorului. , în Doklady Physical Sciences , vol. 314, nr. 2, 1990, pp. 368-370.
  11. ^ Lavrentiev, MM, Yeganova, IA, Lutset, MK și Fominykh, SF, Cu privire la înregistrarea substanței răspund la un proces ireversibil extern. , în Doklady Physical Sciences , vol. 317, nr. 3, 1991, pp. 635-639.
  12. ^ C. Anderson, Electronul pozitiv , în Physical Review , volumul 43, 1933, pp. 491 și următoarele.
  13. ^ The Pierre Auger Collaboration, Corelation of the Highest-Energy Rays Cosmic Rays with Near-Extragalactic Objects ,, in Science , Volumul 318, 2007, pp. 938 și următoarele.
  14. ^ Beam Measurements of a CLOUD Arhivat 10 iulie 2007 la Internet Archive .
  15. ^ Zile fără pată.
  16. ^ Influența razelor cosmice asupra norilor terestri și a încălzirii globale

Bibliografie

  • Alessandro De Angelis, Enigma razelor cosmice , Milano: Springer, 2012.
  • Alessandro De Angelis, «Enigmele razelor cosmice», Științele n. 528 (august 2012), pp. 70-77.
  • Bruna Bertucci, «Raze cosmice», Științele n. 494 (octombrie 2009), pp. 64–71.
  • Bruno Rossi, Razele cosmice , Torino: Einaudi 1971.

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 7577 · LCCN (EN) sh85033155 · GND (DE) 4165371-3 · NDL (EN, JA) 00.574.086