Nowe badanie odkrywa zachowanie promieniowania kosmicznego w heliosferze
Promieniowanie kosmiczne – odkryte w 1912 roku przez fizyka Victora Hessa podczas lotu balonowego na dużej wysokości – nieustannie bombarduje atmosferę Ziemi, produkując deszcze cząstek wtórnych, które czasami docierają nawet do powierzchni Ziemi. Promieniowanie kosmiczne składa się głównie z wysokoenergetycznych cząstek, takich jak protony lub elektrony. Dzięki szczegółowym i ciągłym pomiarom promieniowania kosmicznego, naukowcy mogą teraz zobaczyć, że jego strumień zmienia się w stosunkowo krótkim czasie. Przeminęło z wiatrem słonecznym Podróżując wewnątrz heliosfery – kulistego obszaru przestrzeni zdominowanego przez Słońce, w którym znajduje się również układ słoneczny – promieniowanie kosmiczne jest odbijane i spowalniane przez turbulentne pola magnetyczne Słońca oraz przez wiejący w kierunku przeciwnym do naszej gwiazdy wiatr słoneczny. Te zapewniane przez Słońce osłony zmniejszają strumień promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi. „Osłona ta nie jest jednak nieruchoma. Zmienia się okresowo wraz z 11-letnią zmianą w cyklu aktywności magnetycznej Słońca. Zmiana ta znana jest jako słoneczna modulacja strumienia promieniowania kosmicznego na Ziemi”, tłumaczy prof. dr Bruna Bertucci, która kierowała projektem MAtISSE, finansowanym ze środków UE w ramach stypendium indywidualnego programu Marie Skłodowska-Curie. Naukowcy modelowali modulację słoneczną, aby lepiej zrozumieć proces, za sprawą którego zmiana aktywności Słońca wpływa na strumień promieniowania kosmicznego docierający do Ziemi. Zawężenie ograniczeń Naukowcy poświęcili dużo czasu i wysiłków w celu stworzenia ogólnych ram interpretacji różnych rodzajów danych, które są zazwyczaj w fizyce analizowane oddzielnie. „Uważamy, że postęp w dziedzinie modulacji słonecznej opiera się przede wszystkim na połączeniu wiedzy specjalistycznej z różnych dziedzin. Różne działania w terenie obejmują bezpośrednie pomiary wysokoenergetycznych cząstek zebranych w przestrzeni kosmicznej, liczenie za pomocą naziemnych monitorów neutronów oraz obserwacje aktywności magnetycznej Słońca przy pomocy sond kosmicznych lub obserwatoriów słonecznych”, podkreśla prof. Bertucci. Przez długi czas badania nad modulacją słoneczną ograniczał niedostatek danych z badań kosmicznych. „Teraz spektrometr Alfa Magnetic Spectrometer (AMS) – moduł do prowadzenia doświadczeń z zakresu fizyki cząstek stałych zamontowany na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, który od siedmiu lat nasłuchuje kosmicznych uderzeń promieniowania kosmicznego – daje naukowcom możliwość poczynienia znacznych postępów w tej dziedzinie”, zauważa profesor Bertucci. Dane z AMS są wysoko cenione, ponieważ dokładnie mierzą zachowanie wszystkich rodzajów promieniowania kosmicznego w szerokim zakresie energii i w dłuższym okresie czasu. Przed zainstalowaniem detektora naukowcy musieli polegać na zbiorach danych zaledwie kilku rodzajów cząstek, o wyższych współczynnikach błędu, ograniczonych pod względem energetycznym lub czasowym. Złożone zachowania zależne od czasu We współpracy z naukowcami pracującymi nad AMS zespół projektu MAtISSE przyczynił się do pomiaru czasowych zmian strumienia protonów, helu, elektronów i pozytonów w promieniowaniu kosmicznym. Naukowcy donoszą, że gęstość strumieni protonów i helu, które co miesiąc docierają na Ziemię, wzrasta, gdy aktywność Słońca jest niska – tak samo jak po wystąpieniu maksymalnej aktywności słonecznej w 2014 roku. Jeśli wyniki są widoczne w skali rocznej, stosunek między strumieniem protonów i helu wykazuje wyraźną zależność długoterminową. To zastanawiające zachowanie odzwierciedla podstawowe właściwości transportu promieniowania kosmicznego w heliosferze i jest obecnie przedmiotem dalszych badań. Ochrona przed promieniami kosmicznymi Modelując podstawowe procesy transportowe w heliosferze, zespół badał opóźnienie czasowe pomiędzy zmianami aktywności słonecznej a odpowiadającymi im zmianami strumienia promieniowania kosmicznego mierzonego w przestrzeni kosmicznej. Uczeni porównywali wyniki swojego kosmicznego modelu modulacji promieni rentgenowskich z dużym zbiorem obserwacji strumieni protonów promieni kosmicznych w czasie. Pomogło im to wykazać, że najlepsze dopasowanie do danych następuje z ośmiomiesięcznym opóźnieniem pomiędzy cyklem słonecznym a zmiennością strumienia promieniowania kosmicznego. Wyniki projektu są bardzo ważne, ponieważ wiedza na temat aktualnej aktywności słonecznej pozwoliłaby nam dokładnie przewidzieć modulację słoneczną, która nastąpi za osiem miesięcy. „W misjach załogowych narażenie na promieniowanie kosmiczne stanowi istotny czynnik ryzyka, które trzeba ograniczyć. Jeśli ten model jest poprawny, pozwoli nam to w przyszłości planować bezpieczniejsze misje międzyplanetarne”, zauważa prof. Bertucci.
Słowa kluczowe
MAtISSE, promieniowanie kosmiczne, strumień promieniowania kosmicznego, modulacja słoneczna, heliosfera, spektrometr magnetyczny alfa (AMS), aktywność słoneczna, wiatr słoneczny, astrofizyka wysokich energii, nauka o słońcu