קרניים קוסמיות

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

קרניים קוסמיות (באנגלית: Cosmic Rays) הם חלקיקים אנרגטים (שאינם פוטונים, כלומר לא קרינה אלקטרומגנטית) שנוצרים מחוץ לכדור הארץ. חלקיקים אלו עשויים להתנגש עם מולקולות האוויר באטמוספירה של כדור הארץ וכן בחומר הבין כוכבי. כ 90% מחלקיקי הקרינה הקוסמית הם פרוטונים, כ- 9% מהם גרעני הליום הנקראים גם חלקיקי אלפא, המורכבים משני פרוטונים ושני ניוטרונים, וכ 1% מהם הם אלקטרונים. כאמור הקרינה הקוסמית, למרות שמה אינה קרינה אלקטרומגנטית, כי אם מורכבת מחלקיקים בעלי מסת מנוחה השונה מאפס, הנעים במהירויות הקרובות למהירות האור. קרניים קוסמיות התגלו לראשונה ע"י וייקטור הס (Victor Hess) בשנת 1912, בעת שהוא ביצע ניסוי אשר מדד קצב היווצרות יונים במיכל אטום בכדור פורח בגובה 3500 מטרים מעל פני הקרקע. הס מצא כי קצב הינון עולה ככל שעולים בגובה מעל פני הקרקע. מסקנותיו מן הניסוי היו כי קיימת קרינה שמקורה בחלל ואשר חודרת את האטמוספירה של כדור הארץ. הס קיבל פרס נובל בשנת 1936 על תגלית זו, ונתן לה את הכינוי קרניים קוסמיות.

שרשרת התפרקות של פרוטון באטמוספירה

האנרגיה הקינטית של קריניים קוסמיות, כלומר האנרגיה הקשורה בתנועתם, פרוסה על פני 14 סדרי גודל. החלקיקים הכי אנרגטים נקראים "חלקיקים אולטרה-אנרגטים" (Ultra-high-energy cosmic ray) והם בעלי אנרגיה הגבוהה מ- 3x1018 eV. אנרגיה זו שקולה לאנרגיה הקינטית של כדור טניס הנע במהירות של כ 100 ק"מ בשעה. כאשר קרניים קוסמיות פוגעות באטמוספירה של כדור הארץ, המורכבת בעיקר ממולקולות של חנקן וחמצן, החלקיקים האנרגטים מבצעים אינטראקציה עם המלקולות באטמוספירה ונוצרים חלקיקם קלים יותר. תהליך זה נקרא שרשרת/כסקדה (cascade) לחלקיקים קלים. בסירטוט משמאל ניתן לראות פרוטון ואת המסלולים האפשריים להתפרקות שלו. לדוגמא פרוטון באנטראקציה עם גרעין של חמצן יכול להתפרק לניוטרון ופיון. פיון יכול להתפרק למיואון וניוטרינו. מיואון יכול להתפרק לאלקטרון ולניוטרינו ואנטי ניוטרינו. בדוגמא זו תיארנו את המסלול הכי שמאלי בסירטוט.

השטף של הקרניים הקוסמיות בכדור הארץ

מחלקים את חלקיקי הקרניים הקוסמיות לשני סוגים, עיקריים ומשניים. כאשר עיקריים נוצרו מחוץ למערכת השמש ומשניים הם חלקיקים אשר נוצרו בעיקבות אינטראקציה בין חלקיקים עיקריים לחומר הבין כוכבי או מולקולות באטמוספרה של כדור הארץ. שטף החלקיקים על פני כדור הארץ מתאפיין ע"י מספר חוקי חזקה פשוטים (ראה סירטוט). משמעות המושג שטף היא זרם החלקיקים על פני משטח. בסירטוט מתואר שטף החלקיקים על פני כדור הארץ כתלות באנרגיה שלהם. ניתן לראות כי חוק החזקה אינו קבוע עם אנרגית החלקיקים, כי אם נשבר ומתחלף בחוק חזקה אחר ב 2 מקומות. השבירה הראשונה מתרחשת באנרגיה של כ 3x1015 eV ונקראת הברך (knee) והשבירה השנייה נקראת העקב (ankle) ומתרחשת באנרגיות של כ 3x1018 eV. ככל הנראה הצורה של שטף הקרינה כתלות באנרגיה מקורו במנגנוני האצת החלקיקים הגורמים לקרינה הקוסמית (ראו טקסט בהמשך).

מקורות של קרניים קוסמיות:

קרניים קוסמיות, קרי, חלקיקים טעונים ואנרגטים, נוצרים במקורות שונים, מחוץ ומתוך הגלקסיה שלנו. המקור העיקרי לקרניים קוסמיות איננו ידוע וקיימות מספר אפשריות תאורטיות לגבי מקורן.

קרניים קוסמיות מן השמש (Solar cosmic rays):

השמש שלנו, מייצרת חלקיקים טעונים בטווח אנרגיות נמוך יחסית: 10-100 eV. שטף החלקיקים הנפלטים מהשמש עולה בזמן התפרציות שמש (solar flares). בנוסף עליה בעוצמת הקרניים הקוסמיות מן השמש בדרך כלל מתאפינת בירידה בעוצמת שאר הקרניים הקוסמיות. ירידה זו מתרחשת בזכות רוח השמש אשר באמצעות השדה המגנטי שלה מסיטה את הקרניים הקוסמיות הגלקטיות רחק מכדור הארץ. חשוב לציין כי קרניים קוסמיות הנובעות מן השמש שלנו מאופיינים ע"י גרעינים קלים. אפקט תצפיטי הנובע בעיקר מחלקיקים אילו הינו הזוהר הצפוני (ראה למטה).

בסרטון שניתן להוריד: מדיה:SolarFlare_SOHO.avi נראית התפרצות שמש, כפי שצולמה ע"י הלווין SOHO, של מנהלת החלל והתעופה הלאומיים של ארה"ב. מיד לאחר ההתפרצות ניתן להבחין ברעש רב על גבי המצלמה, הנראה בתור פסים ונקודות לבנות. הרעש הנ"ל נגרם כתוצאה מפגיעה של חלקיקים טעונים (קרינה קוסמית) שהשתחררו בעת ההתפרצות ופגעו בגלאי במצלמה של הלווין.

התפרצות שמש כפי שוצלמה באמצעות קורונוגרף על גבי הלויין SOHO של מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב. לצפיה בסרטון: מדיה:SolarFlare_SOHO.avi - מיד לאחר ההתפרצות הניראת בסרטון ניתן להבחין ברעש רב על גבי המצלמה, הנראה בתור פסים ונקודות לבנות. הרעש הנ"ל נגרם כתוצאה מפגיעה של חלקיקים טעונים (קרינה קוסמית) שהשתחררו בעת ההתפרצות ופגעו בגלאי במצלמה של הלווין.

קרניים קוסמיות גלקטיות (Galactic cosmic rays):

האצת קרניים קוסמיות ממקורות גלקטים. בתמונה ניראים האצת חלקיקים טעונים ע"ׁ שדה מגנטי. האצה כזו נקאת האצת פרמי

הכוונה היא במקורות מחוץ למערכת השמש שלנו אך בתוך הגלקסיה שלנו לדוגמא כוכבי ניוטרונים מסתובבים, סופרנובות, חורים שחורים (כמובן שלא החורים השחורים עצמם, אם כי בתהליכים המתרחשים בקרבת החור השחור) מקורות אילו מהווים הסבר לחלקיקים עד סף אנרגטי של 1x1015 eV . התאוריה גורסת כי חלקיקים אילו מואצים ע"י מנגנון הנקרא האצת פרמי ( Fermi acceleration ) . במנגנון זה חלקיקים טעונים "מתנגשים" בשדה מגנטי ומואצים. שדות מגנטים אילו יכולים להיות גלי הלם של סופר נובה או ענני גז אנרגטים בעלי שדה מגנטי חזק. למעשה מה שמתרחש בהאצה ע"י גל הלם סופרנובי הוא שחלקיק טעון "נכנס ויוצא" מחזית ההלם בעיקבות שדה מגנטי וע"י כך מואץ. ראה סירטוט. בסירטוט מודגשת חזית ההלם. ובנוסף נראה חלקיק טעון (העיגול הכחול) שנע בעיקבות קו שדה מגנטי (הקו המסולסל הירוק). כשהחלקיקי יוצא מחזית ההלם הוא נע מהר יותר מאשר המהירות ההתחלתית שלו. קרניים קוסמיות ממקורות בתוך הגלקסיה שלנו מתאפיינים בגרענים כבדים כמו גליום או ברזל.

חשוב לציין כי חלקיקים עד תחום אנרגיות של 1x1015 eV נכלאים ע"י השדה המגנטי של הגלקסיה, כלומר הסיכוי שלהם לצאת מהגלקסיה קטן מאוד. על כן המסקנה היא שקרניים קוסמיות עד תחום אנרגיות זה הוא ממקור גלקטי (קרי, הגלקסיה שלנו) ולא מגלקסיה אחרת. הסיבה לכך היא ששחלקיקים טעונים בתחום אנרגיות זה הנוצרים בגלקסיה רחוקה, יכלאו ע"י השדות המגנטים של הגלקסיה בה נוצרו ולא יגיעו אלינו. תצפיות של קרניים קוסמיות עד כ- 1x1015 eV הינן איזוטרופיות קרי, השטף הנראה זהה בכל הכיוונים. חשוב לציין כי סיבה זו אינה קשורה להתפלגות מרחבית של המקורות, כי כפי שאמרנו המקורות הם מתוך הגלקסיה שלנו וכייון שמערכת השמש נמצאת באחת מהזרועות הספירליות, נראה כביכול כי אין סיבה לאיזוטרופיה הזו. אך למעשה, הגורם לאיזוטרופיה היא השדות המגנטים של הגלקסיה שלנו, היות וחלקיקים אילו "נלכדים" ע"י שדות אילו, כלומר הם עוקבים אחרי קווי השדה. התאוריה המקובלת גורסת כי קווי שדה אילו מצומדים למבנה הספירלי של הגלקסיה שלנו.

מקורות חוץ גלקטים (Extragalactic cosmic rays):

מקורות חוץ גלקטים אפשריים הם גלקסיות רדיו, קוואזרים, צבירי גלקסיות ומתפרצי קרינת גמא. תחום אנרגית החלקיקים המגיעים ממקורות חוץ גלקטים נעה בין 1x0115 eV ועד כ 3x1018 eV - בין הברך לעקב. מנגנון האצת החלקיקים בתחום אנרגיות זה עדין נתון לדיון מדעי. ישנם כמה תשובות אפשריות - בינהן, האצה דיפוזיונית של חלקיקים בדומה לסירטוט למעלה, רק שעתה לא מדובר בחזית הלם של סופרנובה אם כי גלי הלם חזקים יותר אולי בין גלקטים, או הגלקסיות עצמן. השטף של חלקיקים אילו נמוך בהרבה משטף הקרנים הקוסמיות המגעים מן הגלקסיה שלנו. על כן שרשרת החלקיקים הנגרמת בעיקבות אינטראקציה של חלקיקים אלו עם מלקולות באטמוספירה תהייה יותר קטנה, יחסית לחלקיקם אנרגטיים יותר. ישנו קשר ישיר בין החלקיקי הראשוני שפוגע (העיקרי) לשבין גודל שרשת, ואנרגית החלקיקים הקלים יותר שנוצרים (המשניים). ככל שהחלקיק העיקרי שפוגע אנרגטי יותר כך שרשרת האינטראקציות תהיה גדולה יותר. ע"י גילוי החלקיקים המשניים ניתן לדעת מה היתה האנרגיה של החלקיקי הראשוני.

חלקיקים אולטרה-אנרגטים (Ultra-high energy cosmic rays)

הכוונה היא בחלקיקים מעבר לסף האנרגיה 3x1018 eV ,קרי מעבר לעקב. נכון להיום אין מודל שיכול לתאר באופן מדוייק את אופן הווצרתם ואת מקורם, כלומר האם מקורם הוא חוץ או תוך גלקטי. חלקיקים אלו הם אנרגטים מדי מכדי להלכד ע"י השדות המגנטים של הגלקסיה שלנו, על כן לו מקורם היה מתוך הגלקסיה שלנוף הינו יכולים לצפות לחוסר איזוטריפזציה בשטף שלהם. כלומר השטף שלהם היה גדול יותר בכיוון מרכז הגלקסיה ונמוך בכיוונים אחרים. אך לא כך הדבר, התצפיות מראות איזוטרפזיציה, כלומר השטף נראה זהה מכל הכיווינם, מה שמוביל חוקרים רבים למסקנה כי מדובר במקור חוץ גלקטי. בנוסף, ככל הנראה נצפית דעיכה בשטף שמקורה באפקט GZK (ראה בהמשך), דבר שרומז שמקור הקרניים הללו הוא במרחקים של עד כ 50 מגה-פרסק. עם זאת שאלה פתוחה בנושא היא מהוא המקור, ומה הוא מנגנון האצת חלקיקים אלו. ישנם כמה מנגנונים ידועים כיום שיכולים להאיץ חלקיקים לאנרגיות של 1x1020 eV , כגון מתפרצי קרינת גמא (GRB-Gamma ray bursts), גרעיני גלקסיות פעילים (AGN- Active Galactic Nuclei) וצבירי גלקסיות.לעומת זאת חישובים יותר מדוייקים ומפורטים התקשו מדענים להגיע לתחום אנרגיות הנדרש באופן יעיל, בעיקר כיוון שקצב איבוד האנרגיה ע"י פליטת סינכרוטרון הוא גדול לדוגמא. על כן מקורם ומנגנון האצתם של חלקיקים אילו נותר עדיין שאלה פתוחה בתחום.

הזוהר הצפוני (Aurora Borealis)

ראו ערך מורחב הזוהר הצפוני


תמונות של הזוהר הצפוני. מימין ניתן לראות תמונה שנלקחה מהחלל (ע"י מעבדת החלל של נאסא) ומשמאל תמונה שנלקחה מכדור הארץ ע"י פרופ' ניר שביב מהאוניברסיטה העברית, ברשותו. תמונה זו לקוחה מהאתר המדעי שלו: פיסות מדע (sciencebits)

אינטראציה של קרינים קוסמיות (שמקורן לרוב בשמש) והשדה המגנטי של כדור הארץ גורמים למחזות יפים קרוב לקטבים של כדור הארץ הנקראים זוהר הצפון (אף כי רואים זאת גם בדרום). האנרגיה של החלקיקים הגורמים לזוהר הצפוני צריכה להיות מספיק קטנה כך שחלקיקים אילו יכלו להיות מוסטים בעיקבות אי-אחידות בשדה המגנטי של כדור הארץ (באם האנרגיה גדולה מדי הם יחצו את השדה המגנטי ויגיעו ישירות לכדור הארץ). החלקיקים עוקבים אחרי קווי השדה, ומאחר ובקטבים קוי השדה המגנטי של כדור הארץ חוצים את האטמוספירה, אזי חלקיקים אלו מתנגשים באטמוספירה. חלקיקים אלו מיננים (מפרידים אלקטרון אחד או יותר מהאטומים באטמוספירה) ומעררים (מעלים את האלקטרונים באטומים לרמות אנרגיה גבוהות יותר) את האטומים באטמוספירה ע"י התנגשות בה הם מעבירים אנרגיה לאטומים. כאשר האטומים חוזרים לאנרגית מצב היסוד שלהם, או כאשר האטומים משתחברים מחדש נפלטת אנרגיה בצורת פוטון (חלקיק של אור) שאנו רואים כזוהר הצפוני. חלק משרשרת החלקיקים המוזכרת למעלה, כלומר הווצרות של חלקיקים קלים יותר ע"י אינטראקציה של חלקיק אנרגטי עם האטומים באטמוספירה, משחררת פוטונים שאנו יכולים לראות. כאשר מתרחשות התפרצויות שמש (solar flares) ערב רב של חלקיקים אנרגטים מגעים לכדור הארץ ורובם יכולים לגרום לזוהר הצפוני. החלקיקים הטעונים הנוצרים בשמש הם בעלי אנרגיה יחסית נמוכה בהשוואה לשאר החלקיקים המרכיבים את טווח האנרגיות של קרניים קוסמיות, על כן התפרציות שמש הם הגורם העיקרי לזוהר הצפוני. בתמונות רואים זוהר צפוני הנגרם בעיקבות קרנים קוסמיות שהוסטו בעיקבות השדה המגנטי של כדור הארץ לעבר האטמוספירה.

אפקט ה- (GZK (Greisen Zatsepin Kuzmin

אפקט זה מוכר גם בתור גבול GZK או חיתך (cutoff GZK ). אפקט זה מיוחס רק לקרניים קוסמיות אולטרה אנרגטיות, כלומר מעל אנרגיות של 3x1018 eV. בשנת 1966, לאחר גילוי קרינת הרקע הקוסמית CMB, קנט גריסן (Kenneth Greisen) , ודים קוזמין (Vadim Kuzmin) וגאורגי זטספין (Georgiy Zatspein) ניבאו אינטראקציה בין הפוטונים של קרינת הרקע הקוסמית ובין החלקיקים הטעונים של קרניים קוסמיות אנרגטיות. באינטראקציה זו פרוטונים באנרגיות של כ- eV 1019 ביחד עם פוטון מקרינת הרקע הקוסמית יצרו חלקיקים הנקראים פיונים. כפי שנראה בתאור האינטראקציות הבסיסיות, פרוטון מתנגש בפוטון ונוצר פיון. הפרוטון מצד ימין של המשוואה הוא בעל אנרגיה נמוכה מאנרגית הפרוטון בצד שמאל של המשוואה.

שרשרת האינטראקיות של אפקט GZK


בגלל האינטרקציות הנ"ל פרוטון מאוד אנרגטי (לדוגמא 1x1024 eV ) יאבד את רוב האנרגיה שלו תוך בערך 100 מגה-פרסק. כלומר התחזית המידית היא שקליטה של חלקיקים באנרגיות גבוהות מכ 1x1019 eV מחייבת מקור הנמצא ברדיוס של בערך 100 מגה-פרסק מכדור הארץ. נכון להיום אין מודל פיזיקלי שלם להאצת חלקיקים לאנרגיות כאלו. דיווח תצפיות ע"י אגאס"א (Akeno Giant Air Shower Array - AGASA), שהינו מערך לגילוי קרניים קוסמיות, הראה גילויים של חלקיקים מעבר לאנרגית הסף, בניגוד לתאוריה ובניגוד לתצפיות אחרות כולל תצפיות של היר"ס (High Resolution Fly's Eye - HIRES) אשר אישש את אפקט GZK. המחלוקת בין התצפיות השונות ידועה בכינויה פרדוקס ה- GZK החזק (The strong GZK paradox).



אפקטים חשובים בהקשר קרניים קוסמיות:

אקלים וקרניים קוסמיות

ישנם תאוריות הגורסות כי לקרניים קוסמיות יש השפעה מאוד חזקה על אקלים כדור הארץ. הקרינה הקוסמית עשויה להיות אחראית על הווצרות של ארוסלים (החלקיקים הראשונים המהווים גרעינים התעבות). יתרה מזו פרופ' ניר שביב מהאוניברסטה העיברית הציע כי יש קשר ישר בין שטף קרניים קוסמיות לבין עידני קרח על כדור הארץ. קשר זה מתואם עם מעבר מערכת השמש, ועל כן כדור הארץ, בזרועות הספירליות של הגלקסיה שלנו. במעבר בזרוע ספירלית שטף הקרניים הקוסמיות גדל, ותוצאה ישירה מהתאוריה של פרופ' שביב היא שעידן קרח יווצר על פני כדור הארץ. לפירוט ראו:שביל החלב וקרניים קוסמיות (באנגלית) וגם: דיון על אפקטים של קרניים קוסמיות על האקלים בכדור הארץ (באנגלית).

קרניים קוסמיות ומסע בחלל

קרניים קוסמיות הינם חלקיקים טעונים ומאוד אנרגטים. חלקיקים אלו, כשאר פוגעים ב DNA עלולות לגרום לו נזק - דבר המגביר את הסיכוי למחלות סרטניות, או לגרום להפרעות נורולוגיות. בעלי חיים על כדור הארץ מוגנים ע"י האטמוספרה של כדור הארץ ועל כן אינם חשופים לסכנות אלו. לעומת זאת אסטרונאוטים השוהים מחוץ לאטמוספרה של כדור הארץ פגיעים הרבה יותר לנזקי הקרינה הקוסמית. על כן שהות ארוכה בחלל עלולה להיות קטלנית לגוף האדם.

אסטרונאוטים השוהים בחלל מדווחים לעיתים על הבזקי אור המופיעים בגלגל העין שלהם. התופעה מתרחשת כתוצאה מכניסה של חלקיקי קרינה קוסמית (לא מאד אנרגטיים) לגלגל העין ופליטת קרינת צ'רנקוב הנראת כהבזק אור.

ראו גם

הרצאות וידאו

קישורים חיצוניים

ספרות מקצועית

מחברים


סמדר נאוז, משה נאוז