100 χρόνια από την ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας από τον Victor Hess

Ο Victor Hess την ώρα του μαθήματος στο Πανεπιστήμιο.

Το 2012 συμπληρώνονται εκατό χρόνια από την ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα,οι οποίες προέρχoνται από τα βάθη του διαστήματος. Ο αυστριακός φυσικός Victor Hess (1883-1964), που έκανε την ανακάλυψη βραβεύθηκε με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1936. Το έργο του θα εορταστεί με μια σειρά συναντήσεων σε όλο τον κόσμο.

Ο Victor Hess απέδειξε ότι η η κοσμική ακτινοβολία είναι μια ακτινοβολία που προκαλεί τον ιονισμό του αέρα. Στα πειράματα που έκανε την διετία 1911-1912, ο Hess, με αερόστατα γεμάτα πειραματικά όργανα και σε ύψος 5.000 μέτρων, ανακάλυψε πως η ένταση της άγνωστης ακτινοβολίας αυξάνεται σημαντικά με το ύψος και διατηρούσε την ίδια περίπου ένταση ημέρα και νύχτα. Αφού απέκλεισε το ενδεχόμενο να προέρχεται η κοσμική ακτινοβολία από τον ήλιο, τα πειράματα τον οδήγησαν αφ’ ενός στον εντοπισμό των σωματιδίων που την συνθέτουν και αφ’ ετέρου στον τρόπο που η ύλη καταστρέφεται και δημιουργείται.

Από την ιστορία της φυσικής: η κοσμική ακτινοβολία

Όπως γνωρίζουμε με ένα ηλεκτροσκόπιο μπορούμε να ανιχνεύσουμε και να μετρήσουμε ηλεκτρικά φορτία. Τα φύλλα, που περιέχουν ομώνυμα φορτία, απωθούνται λόγω των απωστικών δυνάμεων. Είναι όμως δυνατόν, να εκφορτιστούν τα φύλλα αν μέσα στο δοχείο εισέλθει μια ακτινοβολία που παράγει ιόντα. Αυτά τα ιόντα απομακρύνουν το ηλεκτρικό φορτίο και έτσι τα φύλλα, σταδιακά, πλησιάζουν και πάλι.

Οι φυσικοί λοιπόν είχαν παρατηρήσει, στις αρχές του αιώνα μας, ότι αν έχουμε ένα ηλεκτροσκόπιο φύλλων χρυσού (μέσα σε ένα ερμητικά κλειστό δοχείο) και τα φορτίσουμε, είναι αδύνατο να παραμείνουν τα φύλλα του χρυσού μονίμως διαχωρισμένα, ακόμη και όταν δεν υπήρχε στο περιβάλλον καμία γνωστή πηγή ακτινοβολίας. Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι στο περιβάλλον υπήρχε κάποια κρυφή ακτινοβολία που προερχόταν από μια άγνωστη πηγή.

Ο Victor Franz Hess στην αρχή πίστευε ότι η πηγή αυτή πρέπει να βρίσκεται κάπου στο έδαφος. Έτσι, το 1911, τοποθέτησε ηλεκτροσκόπια σε αερόστατα, με σκοπό να τα απομακρύνει από την ακτίνα δράσεως της άγνωστης πηγής.

Ερεύνησε λοιπόν λεπτομερώς τον τρόπο με τον οποίο τέτοιες ακτίνες εξασθενίζουν όταν διέρχονται μέσω πυκνών στρωμάτων του αέρα. Με την πειραματική ικανότητα του ο Hess τελειοποίησε τον πειραματικό του εξοπλισμό, ώστε να μειώσει τα σφάλματά του. Έκανε λοιπόν ο Hess μετρήσεις σε διάφορα ύψη, με μπαλόνια το 1911 και 1912, μέχρι και 5.300 μ.

Οι συστηματικές μετρήσεις του εμφάνιζαν μια μείωση στον ιονισμό μέχρι τα 1.000 μ, αλλά κατόπιν η ακτινοβολία αυξανόταν, έτσι ώστε στα 5.000 μ η ακτινοβολία ήταν δύο φορές μεγαλύτερης έντασης απ’ ό,τι στη γήινη επιφάνεια. Μάλιστα μια μέτρηση, που έγινε από άλλους φυσικούς, έδειξε ότι σε ύψος 9.300 μ η ακτινοβολία είναι περίπου 40 φορές μεγαλύτερης έντασης απ’ ό,τι στη γη.

Πραγματοποίησε δέκα τέτοιες πτήσεις και κατάλαβε τελικά, προς μεγάλη του έκπληξη, ότι στα μεγάλα ύψη, τα φύλλα του χρυσού στα ηλεκτροσκόπια ενώνονται οκτώ φορές πιο γρήγορα από ό, τι στο έδαφος. Το πείραμα αυτό έδειχνε ότι η ακτινοβολία, τελικά, έρχεται από ψηλά, από το διάστημα ή από το Σύμπαν εξαιρετικά διεισδυτική, που προέρχεται από το διάστημα και εισέρχεται στη γήινη ατμόσφαιρα. Αυτή η ακτινοβολία που έχει βρεθεί να προέρχεται από όλες τις πλευρές του διαστήματος έχει ονομαστεί κοσμική ακτινοβολία από τον Ρόμπερτ Μίλλικαν (1868-1953).

Οι νέες ακτίνες ξεπέρασαν σε ισχύ έντασης και διείσδυσης όλες τις μέχρι τότε γνωστές ακτίνες. Διαπερνούσαν πλάκες μολύβδου πάχους μέχρι κι ένα μέτρο. Ανιχνεύθηκαν δε στο πυθμένα των λιμνών βάθους 500 μ.

Το ζήτημα όμως που απασχολούσε τους φυσικούς ήταν: Από πού προέρχεται αυτή η ακτινοβολία;

Κατά τη διάρκεια των πρώτων μετρήσεων με μπαλόνια ο Hess παρατήρησε ότι δεν υπήρχε καμία ιδιαίτερη διαφορά μεταξύ νύχτας και μέρας, και καμία ειδική επίδραση δεν ανιχνεύθηκε κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης. Επομένως η κοσμική ακτινοβολία δεν θα μπορούσε να δημιουργηθεί από τον ήλιο.

Αργότερα ο Hess έκανε εξαιρετικά ευαίσθητες συστηματικές μετρήσεις των ακτίνων και βρήκε ότι ποίκιλαν στην ίδια τοποθεσία κατά τη διάρκεια της καθημερινής περιστροφής της Γης, σε σχέση όμως με κάποια σταθερή θέση στον ουρανό. Η μεταβολή ήταν πολύ μικρή, μόνο 0.1%,

Εν τω μεταξύ, ο Compton (Nobel φυσικής 1927) έδειξε θεωρητικά ότι αυτή η αλλαγή μπορεί να  οφειλόταν στην κίνηση του ήλιου και επομένως και της Γης μέσα στο διάστημα. Όντας μέρος του Γαλαξία, το ηλιακό μας σύστημα κι αυτό στην περιστροφή του Γαλαξία. Έτσι και η Γη συμμετέχει σε αυτή την κίνηση με ταχύτητα περίπου 300 km/sec. Η γήινη κίνηση οδηγεί προφανώς σε μια αύξηση στην κοσμική ακτινοβολία που δέχεται, από την πλευρά προς την οποία η Γη κινείται, και σε μια εξασθένιση από την άλλη πλευρά. Οι υπολογισμοί  του Compton ήταν σωστοί, ο οποίος έτσι συμπέρανε ότι η κοσμική ακτινοβολία δεν προέρχεται από το Γαλαξία μας, αλλά από αστρικά συστήματα αρκετά πέραν αυτού.

Έτσι, το 1912 χάρις στις εργασίες του Hess, κατόρθωσαν οι φυσικοί να ξεχωρίσουν τον ιονισμό που προκαλούσαν στον αέρα διάφορα ραδιενεργά υλικά, και τα οποία υπάρχουν στη Γη, από εκείνον που προκαλούσαν διεισδυτικές ακτινοβολίες εξωγήινης προέλευσης.

Συγχρόνως με τις εργασίες αυτές, άλλες εργασίες στη Φυσική και τη Γεωφυσική βοήθησαν να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι το Σύμπαν ολόκληρο ήταν «διαποτισμένο» από μία ισοτροπική ακτινοβολία, για την οποία υπήρχαν υπόνοιες ότι αποτελείται από ηλεκτρόνια και ακτίνες-γ με μεγάλη ενέργεια.

Την επόμενη δεκαετία, 1920-1930, ο Robert Millikan, απέδειξε πως η ατμόσφαιρα απορροφά τις πρωτογενείς κοσμικές ακτίνες (που σήμερα γνωρίζουμε πως αποτελούνται από πρωτόνια και άλλους γυμνούς πυρήνες στοιχείων, λίγα ηλεκτρόνια και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ευρείας περιοχής του Η/Μ φάσματος. Οι αντιδράσεις των σωματιδίων αυτών με τα άτομα και ιόντα του αέρα παράγουν δευτερογενή ακτινοβολία με πολύ μικρότερη ενέργεια όμως και διαφορετική σύνθεση, κυρίως σωματίδια παράξενα, άγνωστα στους περισσότερους, πχ βραχύβια υποατομικά σωματίδια, που μετατρέπονται σε άλλα πάλι βραχύβια σωματίδια, πχ μεσόνια, πιόνια, μιόνια κλπ. Με την ανακάλυψη πως πολλά μεσόνια π+, π- και π0 , παράγονται σε πυρηνικές κρούσεις υψηλής ενέργειας βρέθηκε ο χαμένος κρίκος για την ερμηνεία της μεγάλης ροής των φωτονίων και ηλεκτρονίων της ατμόσφαιρας.

Είχαμε έτσι την ευκαιρία να παρατηρήσουμε άγνωστα σωματίδια, στο πρώτο ‘εργοστάσιο’ υποατομικών σωματιδίων, προτού φτιάξουμε το CERN, το Fermilab και άλλους επιταχυντές υποατομικών σωματιδίων.

Αργότερα ανακαλύφθηκε πως στον γήινο ισημερινό, η ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας ήταν μικρότερη από την περιοχή των πόλων, λόγω της δυσκολίας που συναντούν τα φορτισμένα άτομα από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Ως γνωστόν στους Πόλους το μαγνητικό πεδίο είναι μικρότερο από τον Ισημερινό, και εισέρχονται πιο εύκολα.

Κατά την δεκαετία του 1930 ανακάλυψαν οι φυσικοί μια «μαλακή» και μια «σκληρή» συνιστώσα των ακτίνων. Οι ‘σκληρές’ συνιστώσες έχουν ενέργεια μέχρι και 1016 eV. Η ύπαρξη των σωματιδίων αυτών, υπονοεί πως κάπου στο σύμπαν, υπάρχουν δυνάμεις που μπορούν να μεταδώσουν σε ένα απλό πρωτόνιο 100 εκατομμύρια φορές την ενέργεια, που μπορεί να επιτευχθεί στον πιο ισχυρό επιταχυντή της Γης.

Μετά το 1950, ο κόσμος εισήλθε στην διαστημική εποχή, την εποχή του Σπούτνικ, των Pioneer, Mariner, Mars, Venera κλπ. Οι φυσικοί είχαν λοιπόν την ευκαιρία, να παρατηρήσουν την πρωτογενή κοσμική ακτινοβολία, χωρίς τις επιδράσεις της ατμόσφαιρας.

Το 1961, πριν περίπου πενήντα χρόνια, βρέθηκαν στην κοσμική ακτινοβολία ηλεκτρόνια, σε αναλογία 2 προς 100 πρωτόνια, κι έτσι επιβεβαιώθηκαν οι θεωρίες για την ύπαρξη τους. Μετά βρέθηκε πως η ποσότητα των ηλεκτρονίων περιέχει και ποζιτρόνια σε αναλογία 10%, που παράγονται από τις συγκρούσεις πρωτονίων υψηλής ενέργειας και πυρήνων υδρογόνου. Η μαρτυρία όμως για τα ηλεκτρόνια είχε προκύψει από την παρατήρηση της ακτινοβολίας ραδιοκυμάτων που προερχόταν από ολόκληρο το Γαλαξία.

Τα ραδιοκύματα αυτά ερμηνεύτηκαν με την παραδοχή πως ταχέως κινούμενα ηλεκτρόνια, πλησίον της ταχύτητας του φωτός, μέσα σε μαγνητικά πεδία του Γαλαξία μας, παράγουν την παρατηρούμενη ακτινοβολία ραδιοκυμάτων που αποτελούν την γνωστή ακτινοβολία «σύγχροτρον».

Πηγή: physics4u.wordpress.com