Eine neue Studie deckt das Verhalten der kosmischen Strahlung in der Heliosphäre auf
Die kosmische Strahlung, die 1912 von dem Physiker Victor Hess nach einer Ballonfahrt in großer Höhe entdeckt wurde, bombardiert permanent die Erdatmosphäre und erzeugt Schauer von Sekundärteilchen, die manchmal sogar die Erdoberfläche erreichen. Kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus hochenergetischen Teilchen wie Protonen oder Elektronen. Dank detaillierter und kontinuierlicher Messungen der kosmischen Strahlung können Forscher nun erkennen, dass sich der kosmische Strahlungsfluss über relativ kurze Zeitskalen ändert. Vom Sonnenwinde verweht Bei Reisen in die Heliosphäre – eine blasenartige Region des Weltraums, die von der Sonne dominiert wird und in der sich auch das Sonnensystem befindet – wird die kosmische Strahlung durch die turbulenten Magnetfelder der Sonne und den ausströmenden Sonnenwind abgelenkt und abgebremst. Diese integrierte Abschirmung durch die Sonne verringert den kosmischen Strahlungsfluss, der die Erde erreicht. „Sie ist jedoch nicht stationär. Stattdessen ändert sie sich periodisch mit dem elfjährigen magnetischen Aktivitätszyklus der Sonne. Die sichtbare Änderung des kosmischen Strahlungsflusses wird zusammen mit der magnetischen Aktivität der Sonne als solare Modulation des kosmischen Strahlungsflusses auf der Erde bezeichnet“, bemerkt Prof. Bruna Bertucci, die für die EU-finanzierte Marie-Skłodowska-Curie-Einzelstipendienförderung namens Projekt MAtISSE verantwortlich ist. Die Forscher bildeten die solare Modulation nach, um den Prozess besser zu verstehen, durch den die sich verändernde Aktivität der Sonne den kosmischen Strahlungsfluss beeinflusst, der die Erde erreicht. Randbegrenzungen Die Forscher haben Zeit und Mühe investiert, um einen allgemeinen Rahmen für die Interpretation verschiedener Arten von Daten zu erstellen, die in der Physik normalerweise getrennt analysiert werden. „Wir sind der Meinung, dass der Fortschritt auf dem Gebiet der solaren Modulation in großem Maße von der Zusammenführung von Fachwissen aus verschiedenen Bereichen abhängt. Verschiedene Feldaktivitäten umfassen direkte Messungen an hochenergetischen Teilchen, die im Weltraum gesammelt wurden, Zählraten von bodengebundenen Neutronenmonitoren und Beobachtungen der magnetischen Aktivität der Sonne, die von Weltraumsonden oder Sonnenobservatorien betrieben wurden“, betont Prof. Bertucci. Lange Zeit wurde die Untersuchung der solaren Modulation durch die Knappheit von kosmischen Strahlungsdaten eingeschränkt. „Heutzutage bietet das Alpha-Magnetspektrometer (AMS) – ein Experiment-Modul im Bereich der Teilchenphysik, das auf der Internationalen Raumstation montiert wurde, die in den letzten sieben Jahren das Auftreffen von kosmischer Strahlung beobachtete – Forschern die Möglichkeit, substanzielle Fortschritte auf diesem Gebiet zu machen“, stellt Prof. Bertucci fest. Die Daten des AMS sind hoch geschätzt, da sie das Verhalten sämtlicher kosmischen Strahlungsarten über ein breites Energieintervall und einen längeren Zeitraum hinweg genau messen. Vor seiner Installation waren die Forscher auf Datensätze von einigen wenigen Partikelarten mit höheren Fehlerraten angewiesen, die entweder zeitlich oder energetisch begrenzt waren. Komplexe zeitabhängige Verhaltensweisen In Zusammenarbeit mit Forschern, die am AMS arbeiten, hat MAtISSE zur Messung der zeitlichen Schwankungen der Protonen-, Helium-, Elektronen- und Positronenflüsse in Bezug auf ihre kosmische Strahlung beigetragen. Die Forscher berichteten, dass die Protonen- und Heliumflussdichten, die jeden Monat die Erde erreichen, mit niedriger Sonnenaktivität zunehmen – genau wie nach dem Sonnenmaximum im Jahr 2014. Wenn die Ergebnisse auf einer jährlichen Zeitskala betrachtet werden, zeigt das Verhältnis zwischen Protonen- und Heliumflüssen eine bemerkenswerte langfristige Beziehung. Dieses rätselhafte Verhalten spiegelt grundlegende Eigenschaften des kosmischen Strahlungstransports in der Heliosphäre wider und wird nun weiter untersucht. Schutz vor kosmischer Strahlung Durch die Modellierung grundlegender Transportprozesse in der Heliosphäre untersuchte das Team die zeitliche Verzögerung zwischen den Veränderungen der Sonnenaktivität und den entsprechenden Änderungen des kosmischen Strahlenflusses im Weltraum. Sie verglichen die Ergebnisse ihres Modulationsmodells für kosmische Strahlung mit der großen Anzahl von Beobachtungen über kosmische Protonenflüsse im Laufe der Zeit. Dies half ihnen zu beweisen, dass die beste Anpassung an ihre gemessenen Daten mit einer achtmonatigen Verzögerung zwischen dem Sonnenzyklus und der Schwankung des kosmischen Strahlungsflusses einhergeht. Die Projektergebnisse sind von äußerster Bedeutung, da uns das Wissen über die aktuelle Sonnenaktivität erlauben würde, die solare Modulation, die in acht Monaten stattfinden wird, genau vorherzusagen. „Bei bemannten Missionen stellt die kosmische Strahlungsbelastung einen wichtigen Risikofaktor dar, der quantitativ angegangen werden muss. Wenn dieses Modell stimmt, können wir in Zukunft sicherere interplanetare Weltraummissionen planen“, so Prof. Bertucci.
Schlüsselbegriffe
MAtISSE, kosmische Strahlung, kosmischer Strahlungsfluss, solare Modulation, Heliosphäre, Alpha-Magnetspektrometer (AMS), Sonnenaktivität, Sonnenwind, Hochenergie-Astrophysik, Sonnensystemforschung