Promieniowanie kosmiczne: Miliardy cząstek z nieba

Jest 774 rok naszej ery. Europa jest areną krwawych walk i budowania podwalin nowej władzy: król Franków Karol Wielki podbija państwo Longobardów, a cesarz bizantyński Konstantyn V walczy z pogańskimi Bułgarami. Sprawy toczą się zatem swoim zwykłym, krwawym trybem, jak to we wczesnośredniowiecznej Europie. W roku tym wydarza się jednak coś, co wielu ludzi w owym czasie potrafi wytłumaczyć sobie tylko działaniem siły wyższej: niebo rozświetla niezwykłe czerwone zjawisko, kilka źródeł mówi nawet o krucyfiksie.

Dopiero ponad dwanaście wieków później naukowcom udało się wyjaśnić ten fakt na podstawie badań prastarych cedrów rosnących w Japonii. Na Uniwersytecie w Nagoi stwierdzono, że zawartość izotopu węgla 14C w słojach tych drzew wzrosła o dwanaście promili właśnie w roku 774.

Trzeba wiedzieć, że izotop ten powstaje, gdy naładowane energią cząstki promieniowania kosmicznego napotkają w atmosferze atomy azotu i przekształcą je w węgiel. Ten z kolei jest absorbowany przez rośliny, które wbudowują go w swoje tkanki. Wynikiem jest zachowany w nich przez stulecia zapis kosmicznego zdarzenia, które było na tyle gwałtowne, że ilość promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi wzrosła dwudziestokrotnie.

Skąd jednak pochodzi ten nieprzerwany strumień? To niewidoczni posłańcy z głębi galaktyki, przemierzający wszechświat przez wiele tryliardów kilometrów. Użycie słowa "promieniowanie" nie jest tutaj zresztą najwłaściwsze, gdyż mówimy o poruszających się cząstkach.

Większość z nich stanowią protony, czyli cząstki naładowane dodatnio. - W ubiegłym stuleciu dużo się dowiedzieliśmy o promieniowaniu kosmicznym - mówi Stefan Funk, astrofizyk na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii. Faktycznie: w roku 1912 fizyk Victor Hess stwierdził w trakcie lotu balonem po raz pierwszy istnienie, jak to nazwał, promieniowania wysokościowego.

Dla misji kosmicznych jest ono skrajnie szkodliwe,  Załoga Międzynarodowej Stacji Kosmicznej jest narażona na promieniowanie 200-300 razy intensywniejsze niż to, które działa na ludzi przebywających na Ziemi. Nasza planeta doskonale wie, jak się bronić przed takimi intruzami. Wokół naszego globu niczym gigantyczny parasol ochronny rozciąga się pole magnetyczne, zmieniające kierunek przepływu większości znajdujących się w obszarze jego oddziaływania cząstek.

W strefie równikowej ochrona ta działa najlepiej, ponieważ linie pola magnetycznego przebiegają tam prawie równolegle do powierzchni planety. Na biegunach natomiast wnikają one w Ziemię i dlatego pole magnetyczne jest tu o wiele bardziej przepuszczalne. Jeśli zatem polecimy trasą "polarną" do Nowego Jorku, będziemy narażeni na promieniowanie niemal trzy razy silniejsze niż podczas podróży samolotem z Polski do Republiki Południowej Afryki.

Niektórym cząstkom promieniowania kosmicznego udaje się pokonać pole magnetyczne. Dwadzieścia kilometrów nad nami w metr kwadratowy atmosfery ziemskiej w ciągu sekundy uderza ich około 1000, wchodząc w reakcje z cząsteczkami powietrza. Tylko niewielka ich część - około 200 na minutę - osiąga następnie w stanie niezmienionym powierzchnię Ziemi, przenikając niepostrzeżenie przez nasze ciała. Stały ostrzał cząstkami elementarnymi może uszkodzić materiał genetyczny człowieka.

Promienie kosmiczne są bardzo trudne do zbadania, ponieważ nie poruszają się prostą drogą, lecz po niemal nieprzewidywalnych, zygzakowatych torach. Kierunek ich ruchu ciągle zmieniają pola magnetyczne gwiazd, planet i innych ciał niebieskich, dlatego też miejsce pochodzenia mikroskopijnych wędrowców jest dla obserwujących ich naukowców niezwykle trudne do ustalenia.

Podobnie jak odpowiedź na podstawowe dla badań nad tym fenomenem pytanie: dlaczego energia promieniowania kosmicznego kilkadziesiąt milionów razy przewyższa to, co udaje się nam uzyskać w największym akceleratorze cząstek na Ziemi, Wielkim Zderzaczu Hadronów ze szwajcarskiego instytutu CERN. Co może wyzwalać tak potężne siły?

Zespół badaczy kierowany przez Stefana Funka postanowił rozwiązać tę zagadkę w następujący sposób: jeśli poszukujemy cząstek, których pochodzenia nie da się ustalić na skutek oddziaływań z polami magnetycznymi różnych obiektów w kosmosie, lepiej szukać ich tam, gdzie przyczyna i skutek są znane.

Ujmując rzecz prościej: należy przyjrzeć się dokładnie zdarzeniu kosmicznemu o stosunkowo dużej skali - wybuchowi supernowej - i zbadać jego pozostałości (wysokoenergetyczne promieniowanie gamma) pod kątem śladów fragmentów atomów. Ten plan zadziałał: w potężnej fali uderzeniowej wybuchów dwóch gwiazd teleskop Fermiego zarejestrował promienie gamma, których specyficzny skład można wytłumaczyć tylko obecnością poszukiwanych cząstek. Z pozoru brzmi to zawile, ale mówi wiele o źródle promieniowania kosmicznego.

- W naszej galaktyce w ciągu stu lat wybuchają 2-3 supernowe - tłumaczy Stefan Funk. Ale potężna eksplozja wcale nie oznacza końca tego fascynującego zjawiska. - Jej fale uderzeniowe mkną przez wszechświat jeszcze przez 50 tysięcy lat, nadając w tym czasie cząstkom promieniowania kosmicznego coraz większą prędkość - mówi astronom.

Wypływający z tego wniosek jest niesamowity: w każdej chwili bombardują nas cząstki promieniowania kosmicznego pochodzące z kosmicznych "akceleratorów" praktycznie całej Drogi Mlecznej. A sprawa dotyczy nie tylko spektakularnych wybuchów gwiazd. Ten sam efekt daje także kolizja dwóch słońc - to właśnie takie zdarzenie zostawiło ślad 1200 lat temu w słojach japońskich cedrów...