Ich dachte, es sei vielleicht einmal ganz nützlich, in einem Post die verschiedenen Arten von Strahlung aufzuführen, die einem in Diskussionen um das Universum so begegnen können. Ich möchte mich auf die drei wichtigsten Typen konzentrieren, die man eventuell verwechseln könnte: Solare kosmische Strahlung, galaktische bzw. extragalaktische kosmische Strahlen und den Mikrowellenhintergrund.
Die ersten beiden bilden eine gemeinsame Klasse, aber eine Trennung ist durchaus sinnvoll.
Kosmische Strahlung bezeichnet generell schnelle Elementarteilchen und Atomkerne (die Elektronen wurden durch die hohe Geschwindigkeit abgestreift), die auf die Erdatmosphäre treffen. Dort kommt es in aller Regel zu Kollisionen, die dann ganze Schauer von Teilchen und elektromagnetischen Wellen erzeugen. Diese Sekundärteilchen erreichen auch den Erdboden und können detektiert werden um das ursprüngliche Teilchen zu rekonstruieren.
In der Zusammensetzung trifft man vor allem (87%) Protonen, also Wasserstoffkerne an, ein geringerer Teil sind Alpha-Teilchen (Heliumkerne) und nur 2% Elektronen.
Der Term “Strahlung” ist ein wenig unglücklich, denn es handelt sich um Teilchen, die individuell aus verschiedenen Quellen stammen können und nicht gemeinsam als “Strahl” auf ihrem Weg durch Sonnensystem/Galaxie oder gar Universum sind.
Klar ist der Ursprung bei den Teilchen, die aus der Sonne stammen. Man bezeichnet sie auch als “Sonnenwind“, und man findet ein Teilchenspektrum ähnlich den Verhältnissen in der Sonne. Es kann auch zu Plasmaeruptionen an der Sonnenoberfläche kommen, die sich ablösen und Teilchenstrahlen höherer Dichte erzeugen. Das sind dann die Sonneneruptionen oder Sonnenflares.
Bei höheren Energien (also höherer Geschwindigkeit) findet man die galaktischen kosmischen Strahlen. Diese haben ihren Ursprung zwar in der Milchstraße, da aber ihre Flugbahnen durch die Magnetfelder von Erde, Sonnensystem und Galaxis beeinflusst werden, treffen sie isotrop (aus allen Richtungen gleich stark) auf die Erde, sodass man nicht auf ihren Ursprung schließen kann. Der Anteil an schwereren Atomkernen ist hier höher als beim Sonnenwind. Man vermutet, dass die meisten Teilchen in der galaktischen kosmischen Strahlung in den Wolken von Supernova-Explosionen beschleunigt worden sind.
Bevor wir uns jetzt aber einem noch mysteriöseren Teil, der extragalaktischen Strahlung, zuwenden, ein Einschub zur Mikrowellenhintergundstrahlung. Diese hat nämlich gar nichts mit der kosmischen Strahlung zu tun und soll hier zur Unterscheidung aufgeführt werden. Es handelt sich um ein Echo des dichten, heißen Stadiums in dem sich das Universum am Anfang der Zeit befand. Übrig geblieben sind Photonen aus diesem Anfangsstadium, die das Universum sehr gleichmäßig anfüllen (sodass man sagen kann: das Universum hat eine Temperatur von 2,8 K). Der Effekt der ihre Wellenlänge geändert hat klingt nach Doppler-Verschiebung, aber es ist eine gänzlich andere Ursache: Nicht die unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten verursachen eine Veränderung der Wellenlänge, nein die Raumzeit selbst dehnt sich seit dem Urknall aus, und bis heute hat sich die Wellenlänge der Photonen in unseren Mikrowellenbereich verschoben.
Nun zurück zur kosmischen Strahlung: Es gibt eine Klasse von Teilchen, die äußerst hohe Energien haben und sehr selten einmal unsere Atmosphäre treffen. Es gibt keine bekannte Quelle in unserer Galaxie, daher vermutet man extragalaktische Quellen wie Quasare oder aktive galaktische Kerne. Die Beobachtung dieser Teilchen ist sehr interessant, da sie Energien besitzen die weit weit über dem liegen, was jemals am CERN oder an einem anderen Beschleuniger, der auf die Erde passt, erreicht werden wird. Tatsächlich gibt es ultra-hochenergetische kosmische Strahlen, die uns eigentlich gar nicht erreichen dürfen. Ihre Energie liegt nämlich so hoch (jenseits des sogenannten GZK-Limit), dass das Universum für sie nicht transparent sein dürfte: Sie müssten mit dem Mikrowellenhintergrund reagieren und dürften gar keine kosmischen Strecken zwischen Galaxien überwinden können.
Nun hat man aber Protonen beobachtet, die eine Energie von 10^20 eV und mehr hatten – wo stammen die her? Stammen sie doch aus der Galaxis? Gibt es einen unbekannten Effekt der die GZK-Grenze überschreitbar macht? Eine offene Frage, die z.B. durch das Pierre-Auger Observatorium untersucht werden soll und sicher noch mehr als einen Eintrag für genauere Erklärungen erfordert.
Quellen (außer Wikipedia):
[1] https://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/cosmic_rays.html
[2] Pierre Auger Observatorium
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