Kosmische Strahlung

Aus allen Richtungen des Kosmos wird auf uns geschossen! Zu jeder Zeit werden wir mit hochenergetischen Protonen, Neutrinos, α- Teilchen (Heliumkerne) und schwereren Kernen sowie Elektronen bombardiert. Diese Teilchen stammen sehr wahrscheinlich aus unserer Galaxis.

Entdeckt wurde die kosmische Strahlung bereits 1912 von dem österreichischen Physiker Prof. Viktor Hess. Die Radioaktivität war bereits bekannt und man glaubte, dass die gemessene ionisierende Strahlung aus der Erde selbst emittiert wurde. Hess stieg jedoch mit einem Ballon bis auf 5 [km] Höhe und stellte dabei ein stetiges Ansteigen der Intensität mit der Höhe fest. Er schloss daraus, dass die Strahlung aus dem Weltraum kommen musste. Wenn die hochenergetischen Teilchen mit den Atomkernen der Erdatmosphäre zusammenprallen, werden bei diesen Kollisionen Schauer von vielen Sekundärteilchen erzeugt. Nachweisen konnte man diese schon 1927 mit einer Nebelkammer.

Im Mittel treffen rund 1000 Teilchen pro m2 und Sekunde die obere Erdatmosphäre. Überwiegend sind das Protonen (etwa 87%), rund 12% α- Teilchen (Heliumkerne) sowie 1% schwerere Kerne, wobei fast alle bekannten chemischen Elemente nachgewiesen wurden. Die Teilchen weisen Energien zwischen 107 und 1020 [eV] (Elektronenvolt, Erläuterung siehe unten) auf. Dabei gilt, dass mit zunehmender Energie die Teilchenhäufigkeit abnimmt, die hochenergetischen Teilchen sind also eher selten. Letztere weist man mit großflächigen Detektoren in Langzeitmessungen indirekt durch Erfassung der Sekundärstrahlung auf der Erde nach. Bei Energien bis zu 1015 [eV] werden Instrumente wie Ionisationskammern, Zählrohre und Kernspurplatten mit Ballonen in die oberste Atmosphäre gebracht, oder sie sind in Satelliten (z.B. ISS) installiert.

Die kosmische Strahlung kommt gleichmäßig verteilt aus allen Richtungen des Weltraums. Verschiedene Quellen kommen dafür in Betracht:

Wahrscheinlich sind aber Supernovae die hauptsächlichen Verursacher der Strahlung. Bei diesen Explosionen werden große Materiemengen ins All gestoßen, wobei die Materie Magnetfelder mit sich führt. Entlang der Magnetfeldlinien beschleunigen die Teilchen der kosmischen Strahlung bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit. Diesen Vorgang hat bereits 1949 Enrico Fermi beschrieben. Unterstützt wird seine Theorie von der Elementverteilung der kosmischen Strahlung, die identisch ist mit derjenigen des Sonnensystems. Das ist ja ebenfalls aus den Auswürfen von Supernovaexplosionen aufgebaut.

Vor dem Auftreffen auf die Erde werden die Teilchen von interstellaren Magnetfeldern abgelenkt und auch durch das Magnetfeld der Erde (van Allen- Gürtel) beeinflusst. Auch der Sonnenwind mit seinen Magnetfeldern schirmt den inneren Bereich des Sonnensystems vor niederenergetischen Teilchen ab. Daher kann man nicht aus der Einfallsrichtung auf die Quelle schließen, vielmehr breitet sich die kosmische Strahlung gleichmäßig in unserer Galaxis aus. Das kann durch die Altersbestimmung von radioaktiven Nukliden belegt werden, wonach die Teilchen beim Auftreffen auf die Erde bis zu 10 Millionen Jahre unterwegs waren. Da sie sich mit fast Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, müssen sie größere Entfernungen als den Durchmesser der Milchstraße zurückgelegt haben. Daher wird die kosmische Strahlung vielfach gestreut oder abgelenkt sein und auf unregelmäßigen Bahnen die Galaxie durchqueren.

Wenn auch der Einfluss der natürlichen kosmischen Strahlung am Erdboden eher gering ist, so stellt sie doch eine nicht zu vernachlässigende Wirkung auf Flugzeugpersonal dar, das sich ja regelmäßig in großen Höhen aufhält.

Auch wenn der Raum zwischen den Sternen ein fast perfektes Vakuum darstellt, so ist er doch überall durchzogen von Teilchenstrahlungen und elektromagnetischen Wellen und verschiedenen Feldern. Es gibt wohl keinen Ort im ganzen Kosmos, von dem man sagen könnte, er wäre ein absolutes Vakuum!

Elektronvolt (eV)

Ein Elektronvolt bezeichnet die kinetische Energie, die ein Elektron gewinnt aus dem Durchlaufen einer Potentialdifferenz von 1 Volt (im Vakuum).

1 [eV] = 1,602 189 x 10-19 [J] (1 [J], Joule, = 1 [Nm], Newtonmeter, = [m2 kg s-2])

Um mit größeren Einheiten leichter umgehen zu können, hat man das Kiloelektronvolt [keV] = 103 [eV], das Megaelektronvolt [MeV] = 106 [eV], das Gigaelektronvolt [GeV] =109 [eV] sowie das Teraelektronvolt [TeV] = 1012 [eV] für höchstenergetische Teilchen eingeführt.