Wat is kosmische straling?

Kosmische straling
Artist impression van kosmische straling die de Aarde raakt. Credit: NSF/J. Yang

Kosmische straling zijn fragmenten van atomen die van buiten het zonnestelsel op Aarde regenen. Ze reizen met de snelheid van het licht en ze worden verantwoordelijk gehouden voor elektronische problemen met satellieten en andere apparaten.

Kosmische straling is in 1912 ontdekt maar nu meer dan een eeuw later zijn er nog steeds heel veel dingen onbekend. Een belangrijke vraag is waar kosmische straling vandaan komt. Veel wetenschappers denken dat hun oorsprong is gerelateerd aan supernova-explosies maar de grote uitdaging is dat men al vele jaren deze kosmische straling overal gelijkmatig verdeeld in het heelal kan meten.

In 2017 werd een grote sprong voorwaarts gemaakt toen de Pierre Auger sterrenwacht in Argentinië (die een oppervlakte beslaat van 3000 vierkante kilometer) de baan van 30.000 kosmische deeltjes bestudeerde. Uit die waarnemingen werd zichtbaar dat de hoeveelheid kosmische straling die ons bereikt afhankelijk is van in welke richting je kijkt. De oorsprong is nog steeds in nevelen gehuld maar voor astronomen is het een eerste stap.

Kosmische stralen kunnen ook buiten de sterrenkunde worden gebruikt. In 2017 ontdekte een team van geologen met behulp van kosmische straling een leegte in de Grote Piramide van Gizeh die omstreeks 2560 voor Christus is gebouwd. De onderzoekers gebruikten muon tomografie en die techniek onderzoekt kosmische straling en hun indringing in vaste objecten.

Geschiedenis

Ondanks dat kosmische straling pas in het begin van de 20ste eeuw werd ontdekt wisten wetenschappers omstreeks 1780 al dat er wat aan de hand was. De Franse natuurkundige Charles-Augustin de Coulomb, de bekend is omdat de eenheid van elektrische lading naar hem is vernoemd, nam waar dat een elektrisch geladen bol plotseling en onverklaarbaar was ontladen.

Men dacht in die tijd dat lucht een isolator was en geen elektrische geleider maar later ontdekten wetenschappers dat lucht elektriciteit kan geleiden als de moleculen geladen en geïoniseerd zijn. Dit zou hoogstwaarschijnlijk gebeuren als moleculen reageren met geladen deeltjes of röntgenstraling.

Maar waar die geladen deeltjes dan vandaan zouden moeten komen was een raadsel. Zelfs pogingen om de lading met grote hoeveelheden lood af te schermen werkten niet. Op 9 augustus 1912 vloog de natuurkundige Victor Hess op grote hoogte met een ballon (5300 meter). Hij ontdekte drie keer meer geïoniseerde straling dan aan de grond en dat betekende dat die straling uit de ruimte moest komen.

Maar het duurde meer dan een eeuw om de herkomst van die straling te herleiden. In 2013 deed de Fermi Space Telescope van de NASA (Fermi neemt gammastraling waar) waarnemingen aan twee overblijfselen van supernova’s in ons sterrenstelsel: IC 433 en W44

Onder de producten van deze sterexplosies bevinden zich fotonen van gammastraling die, anders dan kosmische straling niet door elektrische velden worden beïnvloed. De waargenomen gammastraling had dezelfde energiesignatuur als de subatomaire deeltjes die neutrale pionen worden genoemd. Pionen ontstaan als protonen in een magneetveld binnen in de schokgolf van een supernova terechtkomen en met elkaar botsen.

Met andere woorden, de overeenkomstige energiesignaturen tonen aan dat protonen in een supernova snel genoeg kunnen bewegen om kosmische straling op te wekken.

Huidige wetenschap

Tegenwoordig weten we dat galactische kosmische straling bestaat uit fragmenten van atomen zoals protonen (positief geladen deeltjes), elektronen (negatief geladen deeltjes) en atoomkernen. We weten dat ze kunnen ontstaan in supernova’s maar er zijn wellicht nog meer bronnen beschikbaar die kosmische straling kunnen maken. Ook is nog niet bekend hoe supernova’s in staat zijn om zo snel kosmische stralen te maken.

Kosmische stralen komen als een constante regen neer op Aarde. Hoogenergetische “primaire” stralen botsen met atomen in de bovenste lagen van de aardse atmosfeer en halen zelden de grond maar ‘secundaire” deeltjes worden bij deze botsingen weggeschoten en bereiken ons aan de grond.

Tegen de tijd dat deze kosmische stralen de Aarde bereiken is het onmogelijk te achterhalen waar ze vandaan komt. Dat heeft te maken met het feit dat hun baan is gewijzigd omdat ze door verschillende magneetvelden zijn gereisd (het magneetveld van ons sterrenstelsel, dat van ons zonnestelsel en dat van de Aarde zelf).

Wetenschappers proberen de oorsprong van kosmische straling te achterhalen door te kijken waar ze van is gemaakt. Ze kunnen dit doen door naar de spectroscopische signatuur te kijken die iedere kern als straling afgeeft. Ook kunnen ze de verschillende isotopen van de elementen wegen die de detectoren van kosmische straling raken.

Het resultaat toont, volgens de NASA, hele gewone elementen in het heelal. Ongeveer 90% van de kernen van kosmisch stralen zijn waterstof (protonen) en 9% zijn helium (alpha deeltjes). Waterstof en helium zijn de meest voorkomende elementen in het heelal en zijn het beginpunt van sterren, sterrenstelsels en andere grote structuren. De resterende 1% zijn alle andere elementen en het is die ene procent die wetenschappers het beste kunnen onderzoeken op zeldzame elementen om zo vergelijkingen te maken tussen de verschillende vormen van kosmische straling. De Pierre Auger sterrenwacht vond in 2017 enige variaties in de richtingen van waar kosmische straling vandaan komt en dat geeft enige aanwijzingen omtrent de herkomst.

Wetenschappers zijn ook in staat om kosmische straling te dateren. Dat kunnen ze doen aan de hand van de vervaltijd van radioactieve kernen. Het bepalen van de halfwaardetijd van iedere kern levert een schatting op hoe lag deze kosmische straling in de ruimte is geweest.

In 2016 ontdekte een ruimtesonde van de NASA kosmische straling die vermoedelijk afkomstig was van relatief nabije clusters van zware sterren. De Advanced Composition Explorer (ACE) detecteerde kosmische straling met een radioactieve vorm van ijzer, bekend als ijzer-60. Omdat deze vorm van kosmische straling na verloop van tijd vervalt konden wetenschappers berekenen dat de bron niet verder dan 30.000 lichtjaar van de Aarde verwijderd kon zijn. Dat komt overeen met de breedte van de lokale spiraalarm van ons sterrenstelsel.

In 2017 werd ISS-CREAM (Cosmic Ray Energetics and Mass) naar het internationale ruimtestation ISS gelanceerd. Het moet daar drie jaar gaan functioneren en antwoorden geven op vragen als waarom supernova’s de meeste kosmische stralingsdeeltjes genereren, waar kosmische stralingsdeeltjes vandaan komen en of alle energiespectra die we voor kosmische straling waarnemen door een enkel mechanisme verklaart kunnen worden. Ook CALET (CALorimetric Electron Telescope) is sinds 2015 gekoppeld aan het ISS. Deze telescoop zoekt naar de hoogste energiesoorten van kosmische straling.

Ook met behulp van ballonnen kunnen we naar kosmische straling zoeken. De Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER) heeft tussen december 2012 en januari 2013 verschillende keren boven Antarctica gevlogen.

Ook gewone burgers kunnen deelnemen aan de zoektocht naar kosmische straling door zich te registreren op de website crayfis.io. Daar zullen ze het CRAYFIS-experiment ondersteunen dat het Laboratory of Methods for Big Data Analysis (LAMBDA) van de National Research University Higher School of Economics in Rusland is opgezet. Onderzoekers van dit instituut onderzoeken ultrahoge energetische kosmische straling met behulp van mobiele telefoons.

Zorgen over straling uit de ruimte

Het magneetveld van de Aarde en onze atmosfeer beschermen ons voor 99,9% van de straling uit de ruimte. Echter voor mensen voorbij de bescherming van het aardmagnetisch veld geldt dat niet en is straling uit de ruimte een serieus gevaar. Een instrument aan boord van de Curiosity Mars rover heeft aangetoond dat de stralingsdosis die een astronaut ontvangt zelf bij een kort retourtje Aarde-Mars al ongeveer 0,66 sievert is. Dat komt overeen met iedere vijf of zes dagen een CT-scan van het volledige lichaam.

Een dosis van 1 sievert komt overeen met een toename van 5,5% om fatale kankers te ontwikkelen. De normale dagelijkse dosis die een bemiddeld persoon op Aarde ontvangt is 10 microsievert.

De Maan heeft geen atmosfeer en een erg zwak magneetveld. Astronauten die daar leven zouden zichzelf moeten beschermen voor bijvoorbeeld een ondergrondse verblijfplaats te bouwen.

Mars heeft geen planeet omvattend magneetveld. Deeltjes van de Zon hebben het merendeel van de atmosfeer van mars doen verdwijnen en dat resulteert in een erg slechte bescherming tegen kosmische straling aan het oppervlak. De hoogte luchtdruk op Mars is gelijk aan de luchtdruk op Aarde op een hoogte van 35 kilometer. Op lagere hoogtes is de bescherming tegen kosmische straling iets beter maar nog altijd heel gevaarlijk voor astronauten.

 

Eerste publicatie: 19 september 2018