Die kosmische Strahlung (veraltet auch Ultrastrahlung) ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung, die von der Sonne, der Milchstraße und fernen Galaxien kommt. Sie besteht vorwiegend aus Protonen, daneben aus Elektronen und vollständig ionisierten Atomen.
Auf die äußere Erdatmosphäre treffen etwa 1000 Teilchen pro Quadratmeter und Sekunde. Durch Wechselwirkung mit den Gasmolekülen entsteht aus jedem Teilchen ein Teilchenschauer mit bis zu 1011 Teilchen je Primärteilchen, darunter auch Photonen. Nur ein geringer Teil dieser Sekundärstrahlung erreicht die Erdoberfläche.
Die durch Wechselwirkungen in der Atmosphäre weiter veränderte Sekundärstrahlung ist am Erdboden oder durch Ballonsonden nachweisbar. Die Luftschauer sind horizontal einige Quadratkilometer groß, vertikal aber nur wenige Meter. Sie geben Hinweise auf die Art und Energie der kosmischen Primärteilchen. Der Verlauf ihrer Front lässt auf die Einfallsrichtung schließen.
Victor Franz Hess postulierte im Jahr 1912 eine sogenannte Höhenstrahlung, nachdem er bei einer Ballonfahrt in größerer Höhe eine Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit der Atmosphäre und auch der Gammastrahlung beobachtet hatte. Es handelt sich dabei um die sekundäre kosmische Strahlung.
Neben der Teilchenstrahlung gibt es auch eine kosmische Gammastrahlung, die aber aufgrund der Geschichte der Entdeckung allgemein nicht dem Begriff der kosmischen Strahlung zugerechnet wird.
Einteilung und Bezeichnungen nach Ursprung mini|hochkant=1.66666|Räumliche Verteilung der Quellen der kosmischen Gammastrahlung mit Energien oberhalb 100 MeV. Ihre Verteilung gibt auch Hinweise auf den Ursprung der Teilchenstrahlung. Das helle Band ist die Milchstraße, mit ihrem Zentrum in der Mitte.
Abhängig vom Ursprung unterteilt man die kosmische Strahlung in Solarstrahlung (, SCR), galaktische (engl. , GCR) und extragalaktische Strahlung. Sonnenwind Teilchenstromdichten um 107 cm−2s−1, niedrige Energien, vorwiegend Protonen und Alphateilchen. Teilchendichte um 5 cm−3. Ursache des Polarlichts. Sonnenflares, CME Kennzeichen: zeitliche Zunahme der Teilchenstromdichte innerhalb weniger Stunden und Tage auf 108 bis 1010 cm−2s−1, Energien um 10 MeV, Teilchendichte bis 50 cm−3. Van-Allen-Gürtel wird manchmal zur kosmischen Strahlung gezählt. Galaktische kosmische Strahlung (GCR) geringe Teilchenflussdichten, sehr hohe Energien (1 GeV und höher), Anteil schwerer Ionen bis hin zu Eisen. Mit zunehmender Energie verringert sich die Ablenkung durch Magnetfelder und die Anisotropie der Strahlung nimmt zu. Anomale kosmische Strahlung (engl. , ACR) entsteht wahrscheinlich durch Wechselwirkung des Sonnenwinds mit Teilchen aus dem lokalen interstellaren Medium (LISM) in der Heliohülle, dem äußeren Bereich der Heliosphäre. Kennzeichen: energieärmer als GCR, weniger Wasserstoff- und Kohlenstoffionen als Wasserstoff und Kohlenstoff in der LISM. Extragalaktische kosmische Strahlung Höchstenergien bis zu einigen 1020 eV. Die Flussdichten liegen unterhalb von 10−20 Teilchen pro Sekunde und Quadratmeter. Wie die galaktische kosmische Strahlung besteht auch die extragalaktische aus Protonen und schwereren Ionen.
mini|Beschleunigung durch Stoßwellen: Ein einfallendes Proton wird zwischen zwei Stoßwellen (Schockfronten) hin- und hergespiegelt und nimmt dabei Energie auf.
Mögliche Quellen der galaktischen und extragalaktischen kosmischen Strahlung ließen sich erst in den letzten Jahren identifizieren. Kandidaten dafür sind Stoßwellen von Supernova-Explosionen, kosmische Jets von schwarzen Löchern oder von Pulsaren. Für Teilchenenergien unter 1018 eV ( = 1 EeV) wird ein Ursprung innerhalb der Milchstraße angenommen. Für höhere Energien, wo man von ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung spricht, sind Quellen in anderen Galaxien wahrscheinlicher. Kosmische Magnetfelder lenken die Teilchen ab. Diese scheinen deshalb fast isotrop auf die Erde einzufallen. Da aber viele Quellen neben Teilchen auch Gammastrahlung aussenden, konnten zumindest für den Energiebereich unterhalb von 1015 eV bereits mehrere Quellen identifiziert werden.Johannes Blümer: Partikel in der Pampa. Physik Journal Bd. 9, Juni 2010, S. 31–36
Weiterhin wird angenommen, dass zumindest ein Teil der Quellen kosmischer Strahlung auch Neutrinos aussendet. Im Juli 2018 wurde auf diese Weise eine Quelle der extragalaktischen Strahlung, ein Schwarzes Loch in der fast vier Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie mit der Katalognummer TXS 0506+056 im Sternbild Orion, entdeckt.n-tv.de: Forscher finden Neutrino-Quelle, Rätsel um kosmische Strahlung gelöst, 12. Juli 2018.
Zusammensetzung mini|hochkant=1.66666|Energiespektrum der kosmischen Strahlung
Die galaktische kosmische Strahlung besteht ungefähr zu 87 % aus Protonen (Wasserstoffkernen), 12 % Alpha-Teilchen (Heliumkernen) und 1 % schwereren Atomkernen. Die Häufigkeitsverteilung der Atomkerne entspricht in etwa der solaren Elementhäufigkeit. Ausnahmen sind vor allem Lithium (Li), Beryllium (Be) und Bor (B), die in der kosmischen Strahlung als Folge von Spallationsreaktionen beim Durchqueren interstellarer Materie bis zu 500.000-mal häufiger sind als in solarer Materie. Durch Wechselwirkung mit der Atmosphäre beobachtet man auf der Erde nicht die ursprüngliche Strahlung, sondern die Reaktionsprodukte aus der Wechselwirkung mit der Atmosphäre, insbesondere mit Stickstoff und Sauerstoff sowie Kohlenstoff. Der Anteil von Elementen, die schwerer als Eisen und Nickel sind, ist noch nicht genau bekannt. Spuren von Bismut sind nachgewiesen.
Die Verteilung der Teilchen pro Zeit, N(E), in Abhängigkeit von der Energie E folgt einem Potenzgesetz: N(E) ~ E−γ mit: γ = 2,7 für E < 4·1015 eV γ = 3 für 4·1015 eV < E < 5·1018 eV γ < 3 für E > 1018 eV γ ≫ 3 für E > 1020 eV (Energien größer als 1020 eV werden nicht beobachtet)
Im Jahr 2008 durchgeführte Messungen scheinen den GZK-Cutoff oberhalb 5·1019 Elektronenvolt zu bestätigen.First Observation of the Greisen-Zatsepin-Kuzmin Suppression, Abstract aus Phys. Rev. Lett. 100, 101101 (2008). Danach begrenzen Wechselwirkungen mit der kosmischen Hintergrundstrahlung die Teilchenenergie auf 1020 bis 1021 eV, sofern die freie Weglänge von 160 Mio. Lichtjahren überschritten wird.
In der kosmischen Strahlung findet man nur geringe Spuren von Antimaterie, und diese stammt vermutlich vollständig aus Wechselwirkungen der geladenen Teilchenstrahlung mit interstellarem Gas. Dies wird als Indiz dafür angesehen, dass Antimaterie in unserem Universum nicht dauerhaft vorkommt.
Geschichte der Erforschung mini|hochkant=1.66666666|Ionisationsmessungen von Hess (1912) und Kolhörster (1913 und 1914)
1912 entdeckte Victor Franz Hess die (sekundäre) kosmische Strahlung mithilfe von Ballonfahrten in der Erdatmosphäre und veröffentlichte dies in der Physikalischen Zeitschrift.Hess, Über die Beobachtung der durchdringenden Strahlung bei sieben Freiballonfahrten, Phys. Z., Band 13, 1912, S. 1084–1091. Da der Ursprung der Strahlung unklar war, wurde sie lange Zeit als Höhenstrahlung bezeichnet. Nachdem sich die kosmische Strahlung durch die Arbeit weiterer Forscher als außerordentlich wichtig für die Entdeckung und Erforschung neuer Elementarteilchen erwiesen hatte, erhielt Hess 1936 den Physik-Nobelpreis.
Walther Bothe und Werner Kolhörster versuchten 1929 den Nachweis dafür zu erbringen, dass die kosmische Strahlung eine hochenergetische Gammastrahlung sei. Für ihre Experimente verwendeten sie eine Messanordnung, die im Wesentlichen aus zwei Geiger-Müller-Zählrohren bestand, zwischen die man verschieden dicke Absorber in Form von Eisen- oder Bleiplatten bringen konnte. Sie gingen davon aus, dass ein Gammaquant mit einem Geiger-Müller-Zählrohr nur nachgewiesen werden kann, wenn es zuvor ein Elektron aus einem Atom schlägt. Dieses Elektron würde dann vom Zählrohr nachgewiesen. Tatsächlich entdeckten sie sehr bald Koinzidenzen, also Ereignisse, die in beiden Zählrohren gleichzeitig auftraten. In diesen Fällen musste ein von einem Gammaquant ausgelöstes Elektron beide Zählrohre durchquert haben.
Die Energie dieser vermeintlichen Elektronen bestimmten sie, indem sie immer dickere Absorber (Metallplatten) zwischen die beiden Zählrohre brachten, bis keine Koinzidenzen mehr eintreten würden. Bothe und Kolhörster stellten zu ihrem Erstaunen fest, dass 75 % der Koinzidenzen nicht einmal durch einen vier Zentimeter dicken Goldbarren zu verhindern waren. Tatsächlich waren die Teilchen, durch welche die Geiger-Müller Zählrohre ausgelöst wurden, ähnlich durchdringend wie die kosmische Strahlung selbst. Demnach konnte die Strahlung entgegen der allgemeinen Annahme keine Gammastrahlung sein, sondern musste zumindest zu einem Teil aus geladenen Teilchen sehr hoher Durchdringungskraft bestehen. Sie konnten zeigen, dass die sekundäre Strahlung, die von der primären kosmischen Strahlung in der Wechselwirkung mit unserer Atmosphäre erzeugt wird, aus elektrisch geladenen Teilchen besteht.
Dass es sich bei den Teilchen der primären kosmischen Strahlung um Protonen handelt, konnte Anfang der 1940er Jahre Marcel Schein in Chicago nachweisen. Von 1938 bis 1941 hatte er eine Reihe von Experimenten mit Ballonsonden zur Untersuchung kosmischer Strahlung in den höchsten Lagen der Erdatmosphäre durchgeführt und konnte zeigen, dass diese Teilchen keine Elektronen oder Positronen sein konnten, da ihre Eigenschaften nicht dem bereits bekannten Verhalten hochenergetischer Elektronen entsprachen; es musste sich damit um Protonen handeln.
Scott E. Forbush wies 1946 nach, dass bei Sonneneruptionen Teilchen bis in den GeV-Bereich ausgesandt werden.
Um die hohen Energien der Primärteilchen zu erklären, postulierte Enrico Fermi 1949 eine mögliche Beschleunigung an magnetisiertem Plasma („Magnetwolken“) mit ebenen Schockfronten, deren Vorhandensein im interstellaren Raum damals Hannes Alfvén postulierte.Fermi, On the origins of cosmic radiation, Phys. Rev., Band 75, 1949, S. 1169–1174.Krymskii G.F. (1977) Dokl. Akad. Nauk SSSR 234, 1306 Eine Schockfront kann zum Beispiel durch ein Gas gegeben sein, das sich im Vergleich zur Umgebung sehr schnell ausbreitet. Schockfronten treten vor allem nach Supernovaexplosionen in der abgestoßenen Hülle der Supernova auf. Bei dieser Beschleunigung wird über längere Zeit mittels „Stößen“ die Energie des Gases auf das Teilchen übertragen (siehe Abbildung). Dabei entsteht ein Potenzspektrum, jedoch mit einem von den Messdaten abweichenden Spektralindex γ.
Bedeutung in der Forschungsgeschichte Vor der Entwicklung der Teilchenbeschleuniger für den GeV-Energiebereich war die kosmische Strahlung die einzige Quelle hochenergetischer Teilchen für Experimente der Teilchenphysik. Viele Teilchen, z. B. Positron, Myon, Pion, Kaon, wurden zuerst in der kosmischen Strahlung nachgewiesen. Dazu nutzte man Messungen auf Berggipfeln oder mit photoempfindlichen Platten, die von Freiballons getragen wurden.
Wechselwirkung mit Materie Kosmische Strahlung löst beim Durchdringen von Materie Spallationsreaktionen aus. Durch Messung der Häufigkeiten der Spallationsprodukte in Meteoriten kann so zum Beispiel deren Aufenthaltsdauer im Weltall bestimmt werden (Bestrahlungsalter). Auch konnte so festgestellt werden, dass sich die mittlere Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung seit mindestens 100 Millionen Jahren höchstens um einen Faktor zwei geändert hat.
Wechselwirkung mit der Erdatmosphäre Teilchenschauer mini|hochkant=2|Kosmischer Teilchenschauer, ausgelöst von einem hochenergetischen Teilchen in der Atmosphäre in 20 km Höhe
Beim Eintreten in die Erdatmosphäre in einer Höhe um 20 km über der Oberfläche erzeugt die kosmische Strahlung Teilchenschauer. Aus einem Proton der Energie von 1015 eV entstehen mehr als eine Million Sekundärteilchen. Nur ein kleiner Teil von ihnen erreicht auch die Erdoberfläche.