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Das Geheimnis der kosmischen Strahlung: Wie reisen sie durch den Weltraum?
Im riesigen Universum wandern unzählige mysteriöse Teilchen lautlos durch den Weltraum und erreichen die Erde. Diese Teilchen werden kosmische Strahlung genannt. Bei der kosmischen Strahlung handelt es sich um hochenergetische Teilchen oder Teilchenhaufen, die meist aus Protonen oder Atomkernen bestehen und sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Ihre Quellen finden sich überall in der Sonne, außerhalb unserer Galaxie und in Galaxien darüber hinaus. Wenn kosmische Strahlen auf die Erdatmosphäre treffen, erzeugen sie eine Reihe von Sekundärteilchen. Einige dieser Teilchen können die Oberfläche erreichen, obwohl die meisten durch das Erdmagnetfeld oder die Heliosphäre abgelenkt werden, bevor sie in den Boden gelangen.
Die Entdeckung der kosmischen Strahlung begann im Jahr 1912. Diese Errungenschaft wurde durch ein Ballonexperiment von Victor Hess erreicht, für das er 1936 den Nobelpreis für Physik erhielt.
Die Zusammensetzung und Eigenschaften der kosmischen Strahlung
Etwa 99 % der primären kosmischen Strahlung sind nackte Kerne, das heißt, sie haben keine Elektronenhülle. Die Zusammensetzung dieser primären kosmischen Strahlung besteht hauptsächlich aus Protonen (etwa 90 %), Alphateilchen von Heliumkernen (etwa 9 %) und Kernen anderer schwererer Elemente (etwa 1 %). Nach der Kollision mit der Atmosphäre kann die kosmische Strahlung schnell große Mengen an Sekundärteilchen wie Gluonen, Myonen und Neutrinos erzeugen. Vor allem in tieferen Höhen kann der Neutronenanteil der kosmischen Strahlung 40 bis 80 % erreichen. Es ist erwähnenswert, dass Myonen die Atmosphäre direkt zum Boden durchdringen können, was ihre Ionisierungswirkung auf die Bodenatmosphäre zu einem wichtigen Hinweis für Wissenschaftler zur Verfolgung der kosmischen Strahlung macht.
Die Energie der kosmischen Strahlung
Der Energiebereich der kosmischen Strahlung ist extrem breit und die Energie der extremsten ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung kann 3 × 10^20 eV erreichen, was 210.000 Mal höher ist als die Energie von Teilchen, die durch das Große beschleunigt werden Hadron Collider. Diese hochenergetische kosmische Strahlung stammt hauptsächlich von aktiven Galaxienkernen und Supernova-Explosionen, aber die Energieverteilung der meisten kosmischen Strahlen liegt bei etwa 300 MeV. Der Entstehungsmechanismus dieser Energien ist immer noch ein heißes Thema in der aktuellen physikalischen Forschung.
Geschichte der kosmischen Strahlung
Die Geschichte der kosmischen Strahlung reicht bis ins frühe 20. Jahrhundert zurück, als Henry Beckere radioaktive Substanzen entdeckte. Durch die Messung der Ionisationsraten in verschiedenen Höhen entdeckten Wissenschaftler nach und nach, dass die Ionisationsrate in der Atmosphäre mit der Höhe zunahm, was Hess‘ Entdeckung begünstigte. 1912 transportierte er für Experimente einen Ballon mit einem verbesserten Ionisationsmessgerät und stellte fest, dass die Strahlungsintensität in großen Höhen deutlich höher war als am Boden. Diese Entdeckung veränderte das Verständnis der Menschen über die kosmische Strahlung völlig und legte den Grundstein für die spätere Forschung.
Quellen der kosmischen Strahlung
Die Ursache der kosmischen Strahlung ist nach wie vor einer der Forschungsschwerpunkte von Wissenschaftlern. Frühe Hypothesen umfassten Supernovae, aktive Galaxienkerne, Quasare und Gammastrahlenausbrüche als mögliche Quellen. Das Verständnis der Wissenschaftler über diese Quellen hat sich in den letzten Jahren erheblich verbessert. Im Jahr 2013 zeigten Untersuchungen, dass Supernovae eine wichtige Quelle kosmischer Strahlung sind, wobei jede Explosion kosmische Strahlung im Äquivalent von 3 × 10^42 bis 3 × 10^43 Joule erzeugt. Das wahre Quellenverhältnis muss jedoch noch weiter erforscht und experimentiert werden.
Arten der kosmischen Strahlung
Kosmische Strahlung kann aufgrund ihres Ursprungs in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden: galaktische kosmische Strahlung und supergalaktische kosmische Strahlung. Die meisten kosmischen Strahlen existieren als primitive kosmische Strahlung, also als Teilchen, die hauptsächlich aus verschiedenen astrophysikalischen Prozessen stammen. Nach der Wechselwirkung mit der Erdatmosphäre entstehen Sekundärteilchen wie Photonen, Hadronen und Leptonen, die als Zweige der kosmischen Strahlung dienen und die Struktur der kosmischen Strahlung weiter bereichern.
Wie fördert die kosmologische Forschung unser Verständnis dieser mysteriösen Teilchen?
