Kosmische Strahlung, Teil 1 von 2

Ich bin noch nicht ganz fertig mit dem Beitrag gewesen und etwas Audiovisuelles in ca. 42 Minuten Länge soll noch für YouTube kommen, da habe ich an frühere Zeiten von GSA gedacht und einfach beschlossen, dass ich nun erst den ersten Teil herausgebe und in wenigen Tagen den zweiten Teil und danach dann alles zusammen.

Ja, nun sind wir bei einem der großen Gebiete der Astroteilchenphysik, die aus Astro- und Teilchenphysik besteht, angekommen. Es ist ziemlich umfassend und ich habe daraus eine Präsentation gemacht, die ich hier auf YouTube noch darstellen werde. Anhand dieser Präsentation werde ich nun das Thema als GSA-Artikel verfassen.

Das Titelbild

Im Titelbild sehen wir 6 verschiedene Bilder, die alle etwas mit der kosmischen Strahlung zu tun haben. Im Hintergrund haben wir die Milchstraße als Sternenkarte der Gaia-Weltraumteleskop-Mission, oben rechts haben wir den Krebsnebel, der Supernova-Überrest, der auch Messier 1 heißt. Unten rechts haben wir die Sonne im Röntgenspektrum vermutlich und sehen, wie sie ihre Protuberanzen herausschleudert aufgrund von Magnetfeldkurzschlüsse. Unten links sehen wir das Sternbild Orion mit prächtigen Farben und Strukturen, die unser bloßes Auge so nicht sehen könnte und Oben links/mittig das Herz der Milchstraße zusammengelegt aus Röntgenaufnahmen, Aufnahmen des Infrarot- und sichtbaren Lichts. Oben mittig ca. sehen wir das Hubble Ultra Deep Field, eine Bildgebung aus Tausenden Sterneninseln, auch genannt Galaxien. Der Begriff Sterneninsel soll auf die äußerst große Anzahl der Sterne in einer Galaxie hinweisen.

Sie alle strahlen Kosmische Strahlung ab, so wollen wir also wissen, was Kosmische Strahlung denn eigentlich ist. Klar, es ist eine Strahlung und es kommt aus dem Kosmos, aber was steckt denn nun genau dahinter?

Was ist Kosmische Strahlung, aus was besteht sie?

Kosmische Strahlung ist plump gesagt eine Teilchenstrahlung, also eine Korpuskularstrahlung, aber auch Elektromagnetische Strahlung. Genauer betrachtet sind es aber viele verschiedene Teilchen. Teilchen, die man in jedem Atom und Atomkern findet, oder auch exotischere Materie. Aber zurück zum Einfachen.

Die Kosmische Strahlung kann aus Neutronen, Protonen und Elektronen, Neutrinos und Alphateilchen (Helium-4-Kern: 2 Protonen und 2 Neutronen zusammen) bestehen. Diese sind auch demnach elektrisch geladen und können verschiedene Energien neben ihre eigenen Ruheenergien, welche aber immer gleich sind, haben. Das wäre dann z.B. eine Geschwindigkeit, Druck bei Gas oder auch als Temperatur.

Diese Teilchen kommen aus verschiedenen Prozessen, z.B. aus radioaktiven Zerfällen. Da gibt grundsätzlich drei Varianten: Den α-Zerfall, bei diesem Zerfall wird ein Helium-4-Kern von einem Ausgangskern abgespalten und verlässt dann als Alphateilchen den Mutterkern, wobei der Mutterkern sich ebenfalls physikalisch und chemisch verändert. Es gibt auch zwei verschiedene β-Zerfälle, nämlich Beta-Minus und Beta-Plus. Bei einem Zerfall (Beta-Minus) wird ein Neutron in ein Proton, Elektron und Antielektronneutrino umgewandelt und beim Beta-Plus-Zerfall ein Proton in ein Neutron, Positron und ein Elektronneutrino. Schwerere Atome kommen aus der sogenannten spontanen Kernspaltung zustande, also wenn ein Neutron bewirkt, dass ein großes Atom aus Hunderten von Nukleonen (Teilchen im Atomkern) in zwei ungefähr gleichgroße mittelgroße Atome, sowie zwei oder drei Neutronen, gespalten werden.

Die Kosmische Strahlung oder deren Bestandteile können auch abgelenkt werden, z.B. Alphakerne, die ja doppelt positiv sind, werden von elektromagnetischen Feldern stärker angezogen als bloße Protonen, die nur einfach positiv sind. Auch Photonen also Licht können von Gravitationsfeldern durch ihre bloße Geschwindigkeit und die Raumzeit leicht abgelenkt werden.

Die Energie der einzelnen Teilchen wird oft mit der Einheit Elektronvolt gemessen, seine Abkürzung hierfür ist eV. Definiert ist sie nach der Energie, die ein Elektron bekommt, nachdem es mit einem Volt Beschleunigungsspannung beschleunigt wird. Die Umrechnung hierfür ist: 1 Joule (1 J) ist äquivalent zu etwa 1,6 × 1019 eV, also Elektronvolt. (Rund 160,2 EeV, bzw. Exaelektronvolt wären ein Joule).

Woher kommt die Kosmische Strahlung?

Wir wissen jetzt grob was die kosmische Strahlung ist und wissen aber noch nicht wirklich woher unsere Strahlung kommt. Wenn wir jetzt so nachdenken, was alles diese Protonen und Neutronen und den anderen Sermon freilässt, auf was könnten wir denn so kommen?

Genau! Unsere Sonne zum Beispiel erzeugt durch ihre Fusion eine Strahlung und dessen Material kann auch in der Photosphäre, die Oberfläche der Sonne, sich in den Magnetfeldlinien bewegen. Wenn die Magnetfeldlinien durch einen Kurzschluss sich von der Sonne abstoßen, kann eine große Wolke an Plasma von bevorzugt Wasserstoff und Helium entweichen. Dass sich die Magnetfeldlinien überhaupt kurzschließen können, liegt u.a. an der verschieden großen Rotation der Sonne, die am Äquator stärker als an den Polen ist, welche die Magnetfeldlinien dann mit sich herzieht, weil das Material als Plasma in der Sonne elektromagnetisch geladen ist. Dadurch verändern sich dort fortwährend die Magnetfelder und die Linien können sich so verändern. Das Material, und auch generell Material, was von der Sonne abstrahlt, wird kurz in der Korona der Sonne beschleunigt und kommt so frei. Das ist auch bekannt als Sonnenwind. Weil dies andere Sterne auch tun, ja die Sonne ist auch nur ein Stern, nennt man es generell Sternenwind. Schon haben wir die erste und auch die wichtigste Quelle der kosmischen Strahlung ausfindig gemacht: Es gibt ungefähr 300 Milliarden Sterne in dieser Galaxie, Galaxien sind Sterneninseln mit vielen Milliarden Sternen. Von den Galaxien gibt es wiederum auch so geschätzte 100 Milliarden bis einer Billionen Galaxien, womit wir insgesamt wohl bei um die 100 Trilliarden Sterne wären. Und wie man sich vorstellen kann, kommen da viele Aberillarden von Teilchen zustande.

Weitere Punkte sind Sternexplosionen und Sternimplosionen, wie Supernovae und Kilonovae (und allgemein Novae). In den wenigen Sekunden, für die sie einen solchen Zustand haben, produzieren sie dafür allerdings sehr viel Energie und damit auch viele auswärts wandernde Teilchen.

Auch sogar noch vom Urknall gibt es freie Teilchen, besonders die Neutrinos, denn sie haben im Vergleich zu ihrer Ruhenergie (ihre Teilchenmasse) sehr viel Energie und reagieren damit auch kaum mit gewöhnlicher Materie. Von ihnen sind etwa 343 Stück auf jedem Kubikzentimeter erhalten. Hört sich erstmal nicht sehr viel an, aber im Volumen der Erde befindet sich wiederum etwa 3,7 × 1029 Neutrinos, was viel mehr ist, als die Erde an Masse in Kilogramm besitzt.

Ferner sind auch Planeten Quellen von Kosmischer Strahlung. In ihren Planetenkernen befindet sich radioaktives Material, welches strahlt und damit ebenso Teilchen freisetzt. Hier sind die Energien und die Teilchenraten im Gesamtüberblick ein Witz und wird somit meist gar nicht beachtet.

Quellen:

Bildnachweis (gilt auch für den noch kommenden zweiten Teil):

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