Ballonbasierte Forschung zu kosmischen Partikeln, die vor über einem Jahrhundert begann, wird im nächsten Jahr einen großen Schub bekommen - bis hin zur erdnahen Umlaufbahn, wenn die kosmische Strahlenergetik und -masse (CREAM) der NASA zur Raumstation geschickt wird (bist du bereit dafür?) ISS-CREME, speziell entwickelt, um kosmische Strahlen mit super hoher Energie zu erfassen und Wissenschaftlern dabei zu helfen, ihre mysteriösen Quellen zu bestimmen.
"Die Antwort ist eine, auf die die Welt seit 100 Jahren wartet", sagte der Programmwissenschaftler Vernon Jones.
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Cosmic Ray Energetics and Mass (CREAM) wird das erste Instrument für kosmische Strahlung sein, das entwickelt wurde, um in solch höheren Energiebereichen und über eine so lange Dauer im Raum zu erfassen. Wissenschaftler hoffen herauszufinden, ob kosmische Strahlen durch eine einzige Ursache beschleunigt werden, von der angenommen wird, dass es sich um Supernovae handelt. Die neue Forschung könnte auch feststellen, warum bei sehr hohen Energien weniger kosmische Strahlen detektiert werden, als theoretisch angenommen werden.
"Kosmische Strahlung sind energetische Teilchen aus dem Weltraum", sagte Eun-Suk Seo, Hauptforscher der CREAM-Studie. „Sie liefern eine direkte Materieprobe von außerhalb des Sonnensystems. Messungen haben gezeigt, dass diese Teilchen Energien von bis zu 100.000 Billionen Elektronenvolt haben können. Dies ist eine enorme Energie, die weit über jede Energie hinausgeht, die mit künstlichen Beschleunigern erzeugt werden kann, selbst mit dem Large Hadron Collider am CERN. “
Die Forscher planen auch, den Rückgang der Detektion kosmischer Strahlen zu untersuchen, der als spektrales „Knie“ bezeichnet wird und bei etwa tausend Billionen Elektronenvolt (eV) auftritt. Dies ist etwa 2 Milliarden Mal stärker als die Emissionen eines medizinischen Kernbildscans. Was auch immer kosmische Strahlen verursacht oder sie filtert, während sie sich durch die Galaxie bewegen, nimmt der Bevölkerung ab 1.000 Billionen Elektronenvolt einen Biss ab. Darüber hinaus geht das Spektrum für kosmische Strahlung weit über das hinaus, was Supernovae produzieren können.
Um diese Fragen zu beantworten, plant die NASA, CREAM an Bord der Raumstation zu bringen und ISS-CREAM zu werden. Das Instrument ist insgesamt 161 Tage lang sechsmal mit Langzeitballons geflogen, die den Südpol umkreisen, wobei die Magnetfeldlinien der Erde im Wesentlichen vertikal sind.
Die Idee von energetischen Teilchen aus dem Weltraum war 1911 unbekannt, als Victor Hess, der Nobelpreisträger für Physik von 1936, der die Entdeckung kosmischer Strahlen zugeschrieben wurde, in die Luft flog, um das Rätsel zu lösen, warum Materialien mit der Höhe elektrifizierter wurden Ionisation. Die Erwartung war, dass die Ionisation schwächer werden würde, wenn man sich weiter von der Erde entfernt. Heß entwickelte empfindliche Instrumente und nahm sie bis zu 5,3 Kilometer hoch. Er stellte fest, dass sich die Ionisation mit der Höhe, Tag und Nacht auf das Vierfache erhöhte.
Ein besseres Verständnis der kosmischen Strahlung wird den Wissenschaftlern helfen, die begonnene Arbeit zu beenden, als Hess unerwartet eine irdische Frage in ein stellares Rätsel verwandelte. Die Beantwortung dieses Rätsels wird uns helfen, eine verborgene, grundlegende Facette zu verstehen, wie unsere Galaxie und vielleicht das Universum aufgebaut sind und funktionieren.
Das Phänomen erhielt bald einen populären, aber verwirrenden Namen, kosmische Strahlung, aus einer falschen Theorie, dass es sich um Röntgen- oder Gammastrahlen handelte, die wie Licht elektromagnetische Strahlung sind. Stattdessen sind kosmische Strahlen schnelle, energiereiche Materieteilchen.
Als Teilchen können kosmische Strahlen nicht wie Licht in einem Teleskop fokussiert werden. Stattdessen erfassen Forscher kosmische Strahlen durch das Licht und die elektrischen Ladungen, die entstehen, wenn die Partikel in Materie einschlagen. Die Wissenschaftler verwenden dann Detektivarbeit, um das ursprüngliche Teilchen durch direkte Messung seiner elektrischen Ladung und seiner Energiebestimmung aus der Lawine von Trümmerteilchen zu identifizieren, wodurch ihre eigenen überlappenden Spuren entstehen.
CREAM führt diese Spurenarbeit mit einem Ionisationskalorimeter durch, mit dem kosmische Strahlen ihre Energien abgeben können. Schichten aus Kohlenstoff, Wolfram und anderen Materialien weisen bekannte Kernquerschnitte innerhalb des Stapels auf. Elektrische und optische Detektoren messen die Intensität von Ereignissen, wenn kosmische Partikel, von Wasserstoff bis Eisen, durch das Instrument krachen.
Obwohl CREAM-Ballonflüge große Höhen erreichten, blieb oben genügend Atmosphäre, um die Messungen zu stören. Der Plan, das Instrument an der Außenseite der Raumstation zu montieren, wird es über den dunklen Effekten der Atmosphäre in einer Höhe von 400 Kilometern platzieren.
"Worauf können wir jetzt hoffen, die vielen Rätsel zu lösen, die hinsichtlich des Ursprungs und der Zusammensetzung der kosmischen Strahlung noch bestehen?"
- Victor F. Hess, Nobelvorlesung, Dezember 1936
Quelle: NASA
