20.4: Mionzi ya Cosmic

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza rays ya cosmic na kuelezea muundo wao
• Eleza kwa nini ni vigumu kujifunza asili ya mionzi ya cosmic, na mawazo ya sasa ya kuongoza kuhusu wapi wanaweza kuja kutoka

Mbali na gesi na vumbi, darasa la tatu la chembe, linalojulikana kwa kasi ya juu ambayo husafiri, linapatikana katika nafasi ya interstellar. Mionzi ya Cosmic iligunduliwa mwaka wa 1911 na mwanafizikia wa Austria, Victor Hess, ambaye aliruka vyombo rahisi ndani ya balloons na alionyesha kuwa chembe za kasi zinawasili duniani kutoka nafasi (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Neno “cosmic ray” linapotosha, likimaanisha inaweza kuwa kama mwanga wa mwanga, lakini tunakumbwa na jina. Wao ni dhahiri chembe na kuwa na muundo sawa na gesi ya kawaida ya interstellar. Tabia zao, hata hivyo, ni tofauti kabisa na gesi tuliyojadiliwa hadi sasa.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Victor Hess (1883—1964). Manzilishi wa Cosmic-ray Victor Hess anarudi kutoka ndege ya puto ya 1912 iliyofikia urefu wa kilomita 5.3. Ilikuwa kwenye ndege za puto ambazo Hess aligundua mionzi ya cosmic.

Hali ya mionzi ya Cosmic

Mionzi ya cosmic ni zaidi ya viini vya atomiki na elektroni. Kasi sawa na 90% ya kasi ya mwanga ni ya kawaida. Karibu 90% ya mionzi ya cosmic ni nuclei ya hidrojeni (protoni) iliyovuliwa kwa elektroni yao inayo Heliamu na nuclei nzito hufanya juu ya 9% zaidi. Takriban 1% ya mionzi ya cosmic huwa na raia sawa na masi ya elektroni, na asilimia 10— 20 za hizi hubeba chaji chanya badala ya chaji hasi inayofafanua elektroni. Chembe yenye kushtakiwa vyema na wingi wa elektroni inaitwa positron na ni aina ya antimatter (tulijadili antimatter katika The Sun: Nuclear Powerhouse).

Wengi wa viini mbalimbali vya atomiki katika mionzi ya cosmic kioo wingi katika nyota na gesi ya interstellar, na ubaguzi mmoja muhimu. Mambo ya mwanga lithiamu, berylliamu, na boroni ni mengi zaidi katika mionzi ya cosmic kuliko katika Jua na nyota. Mambo haya ya mwanga hutengenezwa wakati kiini cha kasi, cha cosmic-ray cha kaboni, nitrojeni, na oksijeni kinapogongana na protoni katika nafasi ya interstellar na kuvunja mbali. (Kwa njia, kama wewe, kama wasomaji wengi, si kukariri mambo yote na unataka kuona jinsi yoyote ya wale sisi kutaja inafaa katika mlolongo wa mambo, utapata wote waliotajwa katika Kiambatisho K ili idadi ya protoni wao vyenye.)

Mionzi ya cosmic hufikia Dunia kwa idadi kubwa, na tunaweza kuamua mali zao ama kwa kuzikamata moja kwa moja au kwa kuchunguza athari zinazotokea wakati zinapogongana na atomi katika angahewa yetu. Nishati ya jumla iliyowekwa na mionzi ya cosmic katika anga ya dunia ni juu ya bilioni moja tu nishati iliyopatikana kutoka Jua, lakini inalinganishwa na nishati iliyopatikana kwa njia ya nyota. Baadhi ya mionzi ya cosmic huja duniani kutoka kwenye uso wa Jua, lakini wengi hutoka nje ya mfumo wa jua.

Wanatoka wapi?

Kuna tatizo kubwa katika kutambua chanzo cha mionzi ya cosmic. Kwa kuwa mwanga unasafiri katika mistari ya moja kwa moja, tunaweza kuwaambia wapi unatoka tu kwa kuangalia. Mionzi ya cosmic ni chembe za kushtakiwa, na mwelekeo wao wa mwendo unaweza kubadilishwa na mashamba magnetic. Njia za mionzi ya cosmic zimepigwa na mashamba ya magnetic katika nafasi ya interstellar na kwa shamba la Dunia. Mahesabu yanaonyesha kuwa mionzi ya chini ya nishati ya cosmic inaweza kuongezeka mara nyingi duniani kabla ya kuingia angahewa ambapo tunaweza kuzichunguza. Ikiwa ndege inazunguka uwanja wa ndege mara nyingi kabla ya kutua, ni vigumu kwa mwangalizi kuamua mwelekeo ambao ulitoka. Kwa hiyo, pia, baada ya mzunguko wa ray ya cosmic Dunia mara kadhaa, haiwezekani kujua wapi safari yake ilianza.

Kuna dalili chache, hata hivyo, kuhusu ambapo mionzi cosmic inaweza kuzalishwa. Tunajua, kwa mfano, kwamba mashamba magnetic katika nafasi ya interstellar ni nguvu ya kutosha kuweka wote lakini mionzi ya nguvu zaidi ya cosmic kutoka kukimbia Galaxy. Kwa hiyo inaonekana uwezekano kwamba wao ni zinazozalishwa mahali fulani ndani ya Galaxy. Mbali pekee ya uwezekano ni wale walio na nishati ya juu sana. Mionzi hiyo ya cosmic huhamia kwa kasi sana kwamba haiathiriwa sana na mashamba ya magnetic ya interstellar, na hivyo, wanaweza kuepuka Galaxy yetu. Kwa kulinganisha, wangeweza kutoroka galaxi nyingine pia, hivyo baadhi ya mionzi ya juu zaidi ya nishati ambayo tunachunguza inaweza kuwa imetengenezwa katika galaxi mbali. Hata hivyo, mionzi mingi ya cosmic lazima iwe na chanzo chake ndani ya Galaxy ya Milky Way.

Tunaweza pia kukadiria jinsi mionzi ya kawaida ya cosmic inavyosafiri kabla ya kupiga dunia. Mambo ya mwanga lithiamu, beryllium, na boroni hushikilia ufunguo. Kwa kuwa vipengele hivi hutengenezwa wakati kaboni, nitrojeni, na oksijeni hupiga protoni za interstellar, tunaweza kuhesabu muda gani, kwa wastani, mionzi ya cosmic inapaswa kusafiri kupitia nafasi ili kupata migongano ya kutosha ili kuhesabu kiasi cha lithiamu na vipengele vingine vya mwanga ambavyo vina. Inageuka kuwa umbali unaohitajika ni karibu mara 30 karibu na Galaxy. Kwa kasi karibu na kasi ya nuru, inachukua labda miaka milioni 3—10 kwa wastani wa ray cosmic kusafiri umbali huu. Hii ni sehemu ndogo tu ya umri wa Galaxy au ulimwengu, hivyo mionzi ya cosmic lazima imeundwa hivi karibuni kwa wakati wa cosmic.

Wagombea bora wa chanzo cha mionzi ya cosmic ni milipuko ya supanova, ambayo inaashiria vifo vya vurugu vya nyota fulani (na ambazo tutazungumzia katika Kifo cha Stars). Nyenzo zilizoondolewa na mlipuko hutoa wimbi la mshtuko, ambalo linasafiri kupitia katikati ya interstellar. Chembe za kushtakiwa zinaweza kuingizwa, kuzunguka na kurudi mbele ya wimbi la mshtuko mara nyingi. Kwa kila kupita kupitia mshtuko, mashamba ya magnetic ndani yake huharakisha chembe zaidi na zaidi. Hatimaye, wanasafiri karibu na kasi ya mwanga na wanaweza kutoroka kutoka mshtuko kuwa mionzi ya cosmic. Baadhi ya nyota zilizoanguka (ikiwa ni pamoja na mabaki ya nyota yaliyoachwa kutoka milipuko ya supanova) inaweza, chini ya hali nzuri, pia kutumika kama kasi ya chembe. Kwa hali yoyote, tunaona tena kwamba malighafi ya Galaxy hutajiriwa na mzunguko wa maisha ya nyota. Katika sehemu inayofuata, tutaangalia mchakato huu wa utajiri kwa undani zaidi.

Calorimetric Electron darubini (CALET) ujumbe

Unaweza kutazama video fupi kuhusu ujumbe wa Calorimetric Electron Telescope (CALET), detector ya cosmic ray katika Kituo cha Kimataifa cha Space Station. kiungo inachukua wewe NASA Johnson ya “Space Station Live: Cosmic Ray Detector kwa ISS.”

Video\(\PageIndex{1}\): Mchambuzi wa NASA Pat Ryan anazungumza na Dr. John Wefel wa Chuo Kikuu cha Jimbo la Louisiana kuhusu darubini ya Electron ya Calorimetric (CALET), ujumbe wa fizikia ambao utafuta saini za jambo la giza na kutoa vipimo vya juu vya nishati ya moja kwa moja ya wigo wa elektroni wa cosmic.

Muhtasari

Mionzi ya cosmic ni chembe zinazosafiri kupitia nafasi ya interstellar kwa kasi ya kawaida ya 90% ya kasi ya mwanga. Elementi nyingi zaidi katika mionzi ya cosmic ni nuclei ya hidrojeni na heliamu, lakini elektroni na positroni zinapatikana pia. Inawezekana kwamba mionzi mingi ya cosmic huzalishwa katika mshtuko wa supanova.

faharasa

cosmic rays

nuclei ya atomiki (hasa protoni) na elektroni ambazo zinazingatiwa kugonga anga ya Dunia na nguvu za juu sana.