Cosa sono i raggi cosmici?

I raggi cosmici sono frammenti di atomi che piovono sulla Terra dall'esterno del sistema solare. Brillano alla velocità della luce e sono stati accusati di problemi elettronici nei satelliti e in altri macchinari.

Scoperte nel 1912, molte cose sui raggi cosmici rimangono un mistero più di un secolo dopo. Un ottimo esempio è esattamente da dove provengono. La maggior parte degli scienziati sospetta che le loro origini siano legate alle supernove (esplosioni di stelle), ma la sfida è che per molti anni le origini dei raggi cosmici sono apparse uniformi agli osservatori che hanno esaminato l'intero cielo.

Un grande balzo in avanti nella scienza dei raggi cosmici è avvenuto nel 2017, quando l'Osservatorio Pierre Auger (che si estende su 3.000 chilometri quadrati, o 1.160 miglia quadrate, nell'Argentina occidentale) ha studiato le traiettorie di arrivo di 30.000 particelle cosmiche. Ha concluso che c'è una differenza nella frequenza con cui questi raggi cosmici arrivano, a seconda di dove guardi. Sebbene le loro origini siano ancora nebulose, sapere dove cercare è il primo passo per imparare da dove vengono, hanno detto i ricercatori. I risultati sono stati pubblicati su Science.

I raggi cosmici possono essere utilizzati anche per applicazioni al di fuori dell'astronomia. Nel novembre 2017, un gruppo di ricerca ha scoperto un possibile vuoto nella Grande Piramide di Giza, costruita intorno al 2560 a.C., utilizzando i raggi cosmici. I ricercatori hanno scoperto questa cavità utilizzando la tomografia a muoni, che esamina i raggi cosmici e le loro penetrazioni attraverso oggetti solidi.

Storia

Sebbene i raggi cosmici siano stati scoperti solo nel 1900, gli scienziati sapevano che qualcosa di misterioso stava accadendo già nel 1780. Fu allora che il fisico francese Charles-Augustin de Coulomb, noto per avere un'unità di carica elettrica a lui intitolata, osservò una sfera caricata elettricamente improvvisamente e misteriosamente non più caricata.

A quel tempo, si pensava che l'aria fosse un isolante e non un conduttore elettrico. Con più lavoro, tuttavia, gli scienziati hanno scoperto che l'aria può condurre elettricità se le sue molecole sono cariche o ionizzate. Ciò accadrebbe più comunemente quando le molecole interagiscono con particelle cariche o raggi X.

Ma da dove provenissero queste particelle cariche era un mistero; anche i tentativi di bloccare la carica con grandi quantità di piombo si stavano esaurendo. Il 7 agosto 1912, il fisico Victor Hess fece volare un pallone ad alta quota a 17.400 piedi (5.300 metri). Ha scoperto tre volte più radiazioni ionizzanti lì che a terra, il che significava che le radiazioni dovevano provenire dall'esterno di Questa Rete.

Ma per tracciare le "storie di origine" dei raggi cosmici ci è voluto più di un secolo. Nel 2013, Fermi Gamma-ray This Web Telescope della NASA ha rilasciato i risultati dell'osservazione di due resti di supernova nella Via Lattea: IC 433 e W44.

Tra i prodotti di queste esplosioni stellari ci sono i fotoni di raggi gamma, che (a differenza dei raggi cosmici) non sono influenzati dai campi magnetici. I raggi gamma studiati avevano la stessa firma energetica delle particelle subatomiche chiamate pioni neutri. I pioni vengono prodotti quando i protoni rimangono bloccati in un campo magnetico all'interno dell'onda d'urto della supernova e si schiantano l'uno contro l'altro.

In altre parole, le firme energetiche corrispondenti hanno mostrato che i protoni potrebbero muoversi a velocità sufficientemente elevate all'interno delle supernove per creare raggi cosmici.

Scienza attuale

Oggi sappiamo che i raggi cosmici galattici sono frammenti di atomi come protoni (particelle con carica positiva), elettroni (particelle con carica negativa) e nuclei atomici. Anche se ora sappiamo che possono essere create nelle supernove, potrebbero esserci altre fonti disponibili per la creazione di raggi cosmici. Inoltre, non è chiaro esattamente come le supernove siano in grado di produrre questi raggi cosmici così velocemente.

I raggi cosmici piovono costantemente sulla Terra, e mentre i raggi "primari" ad alta energia si scontrano con gli atomi nell'alta atmosfera terrestre e raramente riescono a raggiungere il suolo, le particelle "secondarie" vengono espulse da questa collisione e ci raggiungono sul terra.

Ma quando questi raggi cosmici arrivano sulla Terra, è impossibile risalire alla loro provenienza. Questo perché il loro percorso è stato cambiato mentre viaggiavano attraverso molteplici campi magnetici (della galassia, del sistema solare e della Terra stessa).

Gli scienziati stanno cercando di risalire alle origini dei raggi cosmici osservando di cosa sono fatti. Gli scienziati possono capirlo osservando la firma spettroscopica che ogni nucleo emette nella radiazione e anche pesando i diversi isotopi (tipi) di elementi che colpiscono i rivelatori di raggi cosmici.

Il risultato, aggiunge la NASA, mostra elementi molto comuni nell'universo. Circa il 90 percento dei nuclei dei raggi cosmici sono idrogeno (protoni) e il 9 percento sono elio (particelle alfa). L'idrogeno e l'elio sono gli elementi più abbondanti nell'universo e il punto di origine di stelle, galassie e altre grandi strutture. Il restante 1% sono tutti elementi, ed è da quell'1% che gli scienziati possono cercare al meglio elementi rari per fare confronti tra diversi tipi di raggi cosmici. La collaborazione dell'Osservatorio Pierre Auger ha riscontrato alcune variazioni nelle traiettorie di arrivo dei raggi cosmici nel 2017, fornendo alcuni suggerimenti su dove potrebbero aver avuto origine i raggi.

Gli scienziati possono anche datare i raggi cosmici osservando i nuclei radioattivi che diminuiscono nel tempo. La misurazione dell'emivita di ciascun nucleo fornisce una stima di quanto tempo il raggio cosmico è stato presente in questa rete.

Nel 2016, una NASA This Webcraft ha scoperto che la maggior parte dei raggi cosmici probabilmente provengono da (relativamente) vicini ammassi di stelle massicce. Advanced Composition Explorer (ACE) dell'agenzia Questo Webcraft ha rilevato i raggi cosmici con una forma radioattiva di ferro nota come ferro-60. Poiché questa forma di raggio cosmico si degrada nel tempo, gli scienziati stimano che debba aver avuto origine a non più di 3.000 anni luce dalla Terra, la distanza equivalente della larghezza del braccio a spirale locale nella Via Lattea.

Un esperimento chiamato ISS-CREAM (Cosmic Ray Energetics and Mass) è stato lanciato su International This Web Station nel 2017. Si prevede che funzioni per tre anni, rispondendo a domande come se le supernove generino la maggior parte delle particelle di raggi cosmici, quando si siano originate le particelle di raggi cosmici e se tutti gli spettri energetici visti per i raggi cosmici possano essere spiegati da un unico meccanismo. L'ISS ospita anche il CALorimetric Electron Telescope (CALET), che ricerca i tipi di raggi cosmici con la più alta energia. CALET è stato lanciato lì nel 2015.

I raggi cosmici possono essere rilevati anche dal pallone, ad esempio attraverso l'esperimento Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER) che include la partecipazione del Jet Propulsion Laboratory della NASA e di diverse università. Ha volato diverse volte, incluso un volo record di 55 giorni sull'Antartide tra dicembre 2012 e gennaio 2013. "Con i dati di questo volo stiamo studiando l'origine dei raggi cosmici. Nello specifico, testando il modello emergente delle origini dei raggi cosmici in Associazioni OB, nonché modelli per determinare quali particelle verranno accelerate", ha affermato il sito Web di SuperTIGER.

Gli scienziati cittadini possono anche partecipare alla ricerca dei raggi cosmici registrandosi al sito crayfis.io. Lì, si uniranno all'esperimento CRAYFIS condotto dal Laboratory of Methods for Big Data Analysis (LAMBDA) presso la National Research University Higher School of Economics in Russia. I ricercatori stanno esaminando i raggi cosmici ad altissima energia utilizzando i telefoni cellulari.

Questa radiazione Web riguarda

Il campo magnetico e l'atmosfera della Terra proteggono il pianeta dal 99,9% delle radiazioni di questo Web. Tuttavia, per le persone al di fuori della protezione del campo magnetico terrestre, questa radiazione Web diventa un serio pericolo. Uno strumento a bordo del rover Curiosity Mars durante la sua crociera di 253 giorni su Marte ha rivelato che la dose di radiazioni ricevuta da un astronauta anche nel più breve viaggio di andata e ritorno Terra-Marte sarebbe di circa 0,66 sievert. Questa quantità è come ricevere una TAC di tutto il corpo ogni cinque o sei giorni.

Una dose di 1 sievert è associata a un aumento del 5,5% del rischio di tumori fatali. La normale dose giornaliera di radiazioni ricevuta dalla persona media che vive sulla Terra è di 10 microsievert (0,00001 sievert).

La luna non ha atmosfera e un campo magnetico molto debole. Gli astronauti che vivono lì dovrebbero provvedere alla propria protezione, ad esempio seppellendo il loro habitat nel sottosuolo.

Marte non ha campo magnetico globale. Le particelle del sole hanno strappato via la maggior parte dell'atmosfera di Marte, risultando in una protezione molto scarsa contro le radiazioni in superficie. La pressione atmosferica più alta su Marte è pari a un'altitudine di 22 miglia (35 chilometri) sopra la superficie terrestre. A basse altitudini, l'atmosfera di Marte fornisce una protezione leggermente migliore dalle radiazioni di questo Web.

Nel 2017, la NASA ha apportato alcuni aggiornamenti al suo This Web Radiation Laboratory (situato presso il Brookhaven National Laboratory a New York) per fare ulteriori studi su come i raggi cosmici possono influenzare gli astronauti durante i lunghi viaggi, incluso su Marte. Questi aggiornamenti consentono ai ricercatori di alterare i tipi di ioni e l'intensità dell'energia più facilmente grazie al controllo del software.

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