Am Montag erst habe ich über eine wissenschaftliche Arbeit berichtet in der der Einfluss kosmischer Strahlung auf die Evolution untersucht wird. Die kosmische Strahlung ist aber auch dann interessant, wenn man nicht ihre Auswirkungen betrachtet, sondern ihre Quellen. Denn da gibt es immer noch viel, das wir nicht verstehen. Eine internationale Kollaboration von Wissenschaftlern hat den offenen Fragen nun kürzlich eine weitere hinzu gefügt: Wieso gibt es am Himmel im Sternbild „Großer Bär“ eine Stelle, von der mehr hochenergetische kosmische Strahlung kommt als von anderswo?
Kosmische Strahlung besteht eigentlich aus Teilchen. Es handelt sich dabei im wesentlich aus Atomkernen, und da mehrheitlich um Protonen (also die Kerne von Wasserstoffatomen). Diese Teilchen werden aus der äußeren Atmosphäre von Sternen ins All geschleudert. Aber auch Supernova-Explosion treiben jede Menge Atomkerne durch die Gegend und die hochenergetischen Prozesse in der Umgebung der supermassereichen Löcher in den Zentren der Galaxien schleudern ebenfalls Teilchen hinaus. Die meisten Partikel der kosmischen Strahlung die hier bei uns auf der Erde ankommen, stammen von der Sonne und sind relativ langsam; haben also eine recht niedrige Energie. Es gibt aber immer wieder auch Teilchen mit enorm hohen Energien und deren Herkunft konnte bis jetzt noch nicht zweifelsfrei geklärt werden. Sie können nicht einfach durch die normale Turbulenz in einer Sternatmosphäre ins All hinaus geschleudert werden, denn das reicht nicht aus um sie mit so hohen Energien auszustatten. Auch normale Sternexplosionen sind dazu nicht in der Lage. Da muss schon etwas mit mehr Wumms passieren, zum Beispiel ein Gammablitz, also die Explosion eines wirklich großen Sterns. Sie können aber auch aus den Kernen aktiver Galaxien stammen, wo riesige schwarze Löcher große Mengen an Materie verschlucken, einen Teil aber mit ihrer Gravitationskraft auch einfach nur enorm stark beschleunigen und wieder hinaus ins All schleudern. Die hochenergetische kosmische Strahlung könnte auch bei Kollisionen zwischen Galaxien und den dabei entstehenden Schockwellen (und ja, dieses Wort existiert in der deutschen Sprache wirklich und bedeutet zumindest laut Duden das gleiche wie „Stoßwelle“) im galaktischen Gas produziert werden. Oder aber es sind irgendwelche bisher noch völlig unbekannten Prozesse, die den Teilchen eine solche hohe Energie verleihen.
Sie kommen auf jeden Fall von außerhalb unserer Milchstraße – können aber auch nicht zu weit entfernt ihren Ursprung haben, denn je weiter weg sie sind, desto größer ist die Chance dass sie unterwegs irgendwo von der überall im Universum befindlichen kosmischen Hintergrundstrahlung wechselwirken und abgeschwächt werden. Aber das lässt immer noch einen Umkreis von 300 Millionen Lichtjahre zu und es ist genug Platz für Phänomene, die ultrahochenergetische kosmische Strahlung produziert.
Es geht hier um Teilchen mit einer Energie von mindestens einer Trillion Elektronenvolt. Ok, das sind nur 0,00004 Kilokalorien und in unserem menschlichen Alltag entspricht das keiner sehr großen Energiemenge. Aber diese ganze Energie steckt in einem einzigen Proton, das sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegt. Würde man so ein Ding an den Kopf kriegen, würde sich dieses eine Proton so anfühlen wie der Treffer mit einem Baseball… Aber zum Glück sind diese ultrahochenergetischen Teilchen recht selten und außerdem schützt uns ja die Atmosphäre der Erde. Bevor sie irgendwem an den Kopf knallen können, kollidieren sie mit einem der Moleküle in der Luft und erzeugen einen Schauer anderer Teilchen, so wie bei den Experimenten in einem Teilchenbeschleuniger. Diese neu produzierten Partikel kann man dann auf der Erde in Detektoren messen und daraus berechnen, welche Energie die kosmische Strahlung ursprünglich gehabt haben muss. Andere Instrumente beobachten den Himmel und suchen dort die charakteristischen „Blitze“ die entstehen, wenn kosmische Strahlung auf Sauerstoff- oder Stickstoffatome trifft (die man mit freiem Auge aber nicht sehen kann).
Solche Messungen sind die Aufgabe des Telescope Array Projekts, bei dem sich Japan, USA, Russland, Südkorea und Belgien zusammengetan und in der Wüste von Utah diverse Messinstrumente aufgestellt haben. Der Vorläufer des Telescope Arrays hat dort 1991 auch das Teilchen mit der bisher höchsten gemessenen Energie beobachtet: 300 Trillionen Elektronenvolt. Zwischen 2008 und 2013 hat man den Himmel kontinuierlich vermessen und die Ergebnisse wurden nun publiziert („Indications of Intermediate-Scale Anisotropy of Cosmic Rays with Energy Greater Than 57 EeV in the Northern Sky Measured with the Surface Detector of the Telescope Array Experiment“). Man hat sich auf die Teilchen konzentriert, deren Energie größer als 57 Trillionen Elektronenvolt ist. Diesen großen Wert hat man gewählt, um sicherzustellen, dass die Flugbahn der Teilchen nicht durch kosmische Magnetfelder verzerrt wird, was um so wahrscheinlicher ist, je geringer ihre Energie ist. In den 5 Jahren wurden insgesamt 72 Teilchen mit solch hohen Energien registriert und eigentlich hatte man erwartet, dass sie gleichmäßig aus allen Richtungen zur Erde kommen. Das war aber nicht der Fall: 19 von ihnen kamen aus einer Region im Sternbild „Großer Bär“ (dort wo sich auch der „Große Wagen“ befinden). Das kann natürlich Zufall sein, denn bei so wenig Messungen kann es jede Menge statistische Fluktuationen geben. Die Wissenschaftler haben das nachgerechnet und kommen zu dem Schluss, dass es sich mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,986 Prozent nicht um einen Zufall handelt. Das ist überzeugend – aber auch nicht sooo überzeugend, dass man eine Fluktuation komplett ausschließen kann.
Interessant ist allerdings, dass dieser „Hotspot“ in der sogenannten supergalaktischen Ebene liegt. Unsere Galaxie gehört ja mit mehreren anderen Galaxien zu einem großen „Galaxienhaufen“ der wiederum mit anderen Galaxienhaufen Teil des Virgo-Superhaufens ist (siehe dazu auch hier). Sonne und Erde befinden sich in den äußeren Bereichen der Milchstraße und wenn wir genau in Richtung der Ebene der Galaxie blicken, dann sehen wir dort jede Menge Sterne und am Himmel das typische helle Band der Milchstraße. Genau so befindet sich unsere Galaxie aber auch am Rande des Virgo-Haufens und der Hotsport ist in etwa dort, wo sich im galaktischen Superhaufen die meisten Galaxien befinden. Die ultrahochenergetische kosmische Strahlung scheint also mit großräumigen Struktur des Universums zu korrespondieren. Das ist jetzt keine Mega-Überraschung, denn aus den Gegenden, in denen sich keine Galaxien befinden, kann auch kaum Strahlung kommen. Aber es ist trotzdem eine interessante Statistik. Und immerhin wissen wir nun, dass die kosmische Strahlung vermutlich doch durch „normale“ Prozesse verursacht wird die mit der normalen, sichtbaren Materie zu tun haben, also Sternen und Galaxien und dabei keine bisher unbekannte, exotische Physik beteiligt ist.
Die Geschichte endet so, wie viele Geschichten in der Wissenschaft endet: Es braucht mehr Daten! Man muss noch mehr ultrahochenergetische Teilchen vermessen, bessere Statistiken erstellen und größere und genauere Detektoren bauen. Und dann wird man irgendwann auch das Rätsel der kosmischen Strahlung lösen!
Bedeutet das, dass die Teilchen einfach aus „normalen“ Galaxien stammen? Stimmt die Verteilung insgesamt ungefähr mit der Materieverteilung überein? Oder braucht es da als Erklärung noche etwas unbekanntes neues wie z.B. ein Hypermassereiches schwarzes Loch im Zentrum des Galaxieclusters oder irgendwelche kosmischen Strings aus der inflationären Expansionsphase?
Ich dachte bis jetzt, dass die noch nicht soweit sind, um die Richtung der kosmischen Strahlung zu bestimmen. Und es wird ja auch gesagt, dass die Unsicherheit noch recht groß ist. Aber wie ist das mit Partikelmessung im Weltraum? Haben die nicht seit langem schon Messgeräte außenboards der ISS? Oder sind diese Messgeräte nicht fähig, die Richtung zu bestimmen (also keine Teleskope in dem Sinne)? Falls ja: gibt es Pläne, Weltraumteleskope für die Messung hochenergetischer Partikel zu bauen?
@McPomm: „Ich dachte bis jetzt, dass die noch nicht soweit sind, um die Richtung der kosmischen Strahlung zu bestimmen.“
Darum hat man wohl auch die hochenergetischen Teilchen genommen, weil die am wenigsten abgelenkt werden.
“ Haben die nicht seit langem schon Messgeräte außenboards der ISS?“
Die gibts es; sowohl an der ISS als auch im Weltraum: https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_ray#Satellite
@McPomm
Der Teilchenfluß geht für die sehr energiereichen Teilchen runter auf sehr kleine Werte. Da ist die Chance, das ein Detektor mit wenigen m³ Volumen getroffen wird einfach zu klein
Was gemacht wird ist folgendes: Das primäre Teilchen erzeugt einen Luftschauer und der kommt bis zum Boden. Da misst man die Richtung der Teilchen und die Ankunftszeiten. Stell dir eine Kugel vor, die sich ausdehnt und auf den Boden zubewegt. Außerdem wird die Luft zum leuchten angeregt, das kann (wenn es dunkel genug ist) auch gemessen werden.
Zumindest macht man das bei Auger nach diesem Prinzip.
@McPomm
Die Richtung der Teilchen kann man auch auf der Erde messen (da misst man halt die Richtung der erzeugten Teilchenkaskade in der Atmosphäre, bzw. Laufzeitunterschiede zwsichen an verschiedenen Stellen am Boden aufschlagenden Teilchen). Das Problem ist vielmehr, den Ursprung zu bestimmen, weil die Teilchen geladen sind und im Magnetfeld der Milchstraße ihre Richtung ändern. Die hochenergetischen Teilchen tun das weniger, wie Florian schreibt, aber dafür sind sie selten.
Ehrlich? Wie kommt man darauf, bzw. wie rechnet man so was? Kannst du das bitte genauer erklären?
@frantischek
Proton hat eine Ruhemasse von 1GeV, du hast einige TeV kinetische Energie, also kannst du die Ruhemasse praktisch vernachlässigen. Benutzt du $latex m_0^2c^2=\frac{E^2}{c^2}-p^2$ und löst nach p auf. Dann hast du den Impuls, der kommt etwa 10EeV raus zu 10 EeV/c, oder (in alltäglichen Einheiten) $latex p=\frac{10^{19}*1,6*10^{-19}J}{3*10^8\frac{m}{s}}=\frac{1,6}{3}*10^{-8}Ns$.
Alles unter der Annahme, das ich mich nicht verrechnet habe 😉
Gabs da nicht auch mal nen „What if?“-Artikel dazu bei xkcd?
m.E. sind die Quellen der kosmischen Strahlung noch viel interressanter als deren Auswirkungen (da wir hier auf der Erde durch Magnetfeld und Atmosphäre gut geschützt sind – allerdings wäre sie für Mond- und Marsbewohner relevanter).
In „So interessant ist Physik“ von Walter Kranzer auf S. 266 ist die Rede davon, daß japanische Physiker 1971 ein Proton mit 4*10^21 eV Energie gemessen haben (sollen); mit dieser Energie ließe sich ein 80kg-Mensch 0,8m hochheben; hätte nicht nur 1 Proton, sondern 1 Gramm Materie diese Energie, dann ließe sich damit die Erde um etwa 10km von der Sonne wegschieben, oder 95% des australischen Kontinents zum MOnd befördern; diese Energiemenge ist ebenso viel, wie die SOnne während 1s in alle Richtungen ausstrahlt oder welche die Erde in 70a von der Sonne empfängt…
Da stimmt aber irgendwas nicht, das ist etwa eine Pistolenkugel. Die Saturn-Rakete war größer und hat „nur“ 50 t bis zum Mond geschafft.
Richtungshäufung – nur genau eine Quelle ?
Wenn ich den Artikel „Eine unbekannte Quelle…“ richtig
deute, können hier sehr wohl mehrere Quellen ursächlich sein. Dafür sprechen auch die großen Richtungsunterschiede, die beobachtet werden – oder anders gefragt, was spricht dafür, dass genau eine einzige
Quelle die Richtungshäufung bewirkt ?
@Uebbing: „was spricht dafür, dass genau eine einzige Quelle die Richtungshäufung bewirkt ?“
Wer hat denn gesagt, dass es nur ein einziges Phänomen sein muss dass die Strahlung erzeugt? Die Quelle ist in dem Fall eben die supergalaktische Ebene – und die ist ziemlich groß.
@Herr Senf
Ich denke, thomas arendt meinte, wenn man ein Gramm Protonen hätte, von denen jedes die Energie von 4e21 eV gehabt hätte, dann usw….
Mal wieder was gelernt. Ich wusste bisher gar nicht, dass drei Galaxienhaufen (Virgohaufen, Großer Attraktor und Perseus-Pisces-Superhaufen) etwa eine Ebene bilden und diese sogar einen Namen (supergalaktische) und ein Koordinatensystem bekommen hat.
Hi McPomm, wieso nur „etwa“ eine Ebene?
Die bilden doch genau „diese eine“ Ebene oder?
@Senf: Naja, dass drei Punkte aufgespannt eine Ebene bilden, ist klar. Aber dadurch, dass das ja Haufen aus sehr vielen Galaxien sind, sind das wiederum keine einzelnen drei Punkte!
@Jajoha und Florian:
Irgendwie zweifel ich trotzdem daran das sich das wie ein Baseball anfühlen würde. So ein Baseball hat ja eine viel größere Oberfläche als ein Proton. Vom Baseball würde ich einen harten Schlag spüren, wom Proton wohl eher so was wie ein Brennen oder einen Nadelstich?
Oder, um das ganze ein bisschen weiter zu denken:
Sollte das nicht ähnlich ablaufen wie wenn das Proton auf die Atmosphäre trifft? Also das Proton kollidiert mit einem Teilchen meines Kopfes und löst einen Teilchenschauer aus der sich durch den Kopf fortpflanzt?
Stimmt das, und was würde das verursachen?
Uhhhh– Kopfschmerzen … (SCNR 😆 )
@frantischek
Meine Vermutung:
Entweder das Teilchen schlägt ohne großen Energieverlust durch, dann spürst Du gar nichts.
Oder es trifft auf einen Kern und löst einen Teilchenschauer aus, der als Wärme im Körper endet. Die in #10 genannten extremen 4e21 eV entsprechen 641 Joules oder 153 Kalorien an Wärmemenge, damit kann man 153 Gramm Wasser um 1° C erwärmen. Die Teilchen dürften sich auf mehr als 150 ccm verteilen, daher dürfte die Erwärmung also so gering sein, dass man sie nicht spürt. Zumal der Körper im Inneren, so viel ich weiß, nicht sehr viele Nerven hat, die überhaupt etwas spüren könnten.
Ich denke also, man spürt gar nichts.
#18 frantischek
Also wenn es sich so verhält, dass das Proton bei einer Kollision mit dem Kopf einen Teilchenschauer in selbigen auslöst, würde ich eher die Wirkung eines DumDum geschosses ewrwarten, also ein kleines Eintrittsloch, aber ein grosses Austrittsloch.
Ich glaube auch nicht, dass man etwas spüren würde.
Es gibt einen Beschleuniger-Unfall, aus dem man möglicherweise in gewissem Ausmaß Rückschlüsse ziehen kann.
https://en.wikipedia.org/wiki/Anatoli_Bugorski
Bugorski was leaning over the equipment when he stuck his head in the path of the proton beam. Reportedly, he saw a flash „brighter than a thousand suns,“ but did not feel any pain.
Wobei das aber eben ein Beam war, also ein Puls bestehend aus sehr vielen Protonen, wobei die einzelnen Teilchen jeweils „nur“ Energien im GeV-Bereich besaßen.
@frantischek
Ich hab für eine Wechselwirkung eine Massenbelegung von 250g/cm² gefunden (hier ), allerdings ist das mit Vorsicht zu genießen (der Wert ist für Luft und das wird sicher auch Energie und Teilchenabhängig sein).
Dein Kopf ist geschätzt 2 mal so dick (ganz grob), da wirst du nicht viel Schauer hinbekommen. Die Dinger sind auf reichlich Energie, da kommt man auf (grob) 2MeV/cm im Wasser (Bethe-Formel)
Also wird ein Teilchen auf dem Weg vieleicht 50-100MeV verlieren, du hast nur einen kleinen Teil der Schauerentwicklung im Kopf (ca 2 WW-Längen). Was du sehen könntest (passende Teilchenbahn vorrausgesetzt) ist ein Lichtblitz.
Alternativ schau dir die Entwicklung vom Luftschauer an und skalier die Dichte hoch. Wird aber unschön, weil die Dichte von Luft eine Funktion der Höhe ist, könnte man mit barometrischer Höhenformel vieleicht was basteln.
@Niels
… was die Chance von Kollisionen mit Atomkernen im Körper deutlich erhöht. Krasse Story. Ich dachte immer, die Protonen werden in einen Vakuumkanal geschossen, da kann man nicht aus Versehen in den Strahl geraten.
@Alderamin
Die wurden mit über 1GeV eingeschossen, da brauchst du einiges um die zu stoppen. Bei 1,5 GeV laut diesen Tabellen etwa 65 cm Eisen.
Da braucht der Strahl nur aus der Bahn geraten, das Strahlrohr schützt dich nicht wirklich.
Der CERN-Beschleuniger hat zur „Entsorgung“ schiefgelaufener 350-MJ-Protonenstrahlen einen „Beam Dump“.
Das ist ein 7 m langer wassergekühlter Graphitblock, gegen die Sekundärstrahlung sind drumrum noch 750 t Eisen.
Lokal werden 800 °C erreicht.
https://www.youtube.com/watch?v=GYu2t9GbJZA
Ich konnte einfach nicht anders; tut mir leid 🙂
jajoha, wie schreibst du solche formeln #7
ist das latex ? und interpretiert das die forumsoftware einfach so?
frag einfach mal so, ohne dass ich da selbst mal groß ohne herumexperimentiere.
@Christian der 1.
Syntax ist folgeder:
Dollarzeichen latex Leerzeichen Lormel (ganz normal Latex) Dollarzeichen
Damit sollte das funktionieren, allerdings funktioniert das nicht wenn du es mit einigen anderen Formatierungsbefehlen überlagerst, kursiv (i), fett (b) und blockquote gehen soweit ich mich erinnere nicht.
Wenn man das Leerzeichen vergisst macht das Probleme.