Wanneer we het woord “stralen” horen, denken we vaak aan licht, röntgenstralen of misschien aan radioactiviteit. Maar in de astronomie betekent de term kosmische stralen iets heel anders. Het gaat niet om lichtgolven, maar om deeltjes, extreem energierijke atomen en subatomaire deeltjes, die vanuit de ruimte onze planeet bestoken. Ze zijn onzichtbaar, maar spelen een belangrijke rol in ons begrip van het universum.
Wat zijn kosmische stralen?
Kosmische stralen zijn voornamelijk geladen deeltjes, zoals protonen (de kernen van waterstofatomen), heliumkernen en zwaardere atoomkernen. Ook elektronen en zelfs antideeltjes komen voor. Deze deeltjes bewegen met snelheden die vaak dicht bij de lichtsnelheid liggen. Hun energie is zo groot dat de krachtigste deeltjes versneld moeten zijn door enkele van de meest extreme gebeurtenissen in het universum. Wanneer kosmische stralen de dampkring van de aarde binnendringen, botsen ze met luchtmoleculen zoals stikstof en zuurstof. Hierbij ontstaan cascade-reacties: een regen van secundaire deeltjes (muonen, pionen, neutrino’s en fotonen) die zich verder verspreiden. Deze deeltjesregen kan zelfs op zeeniveau worden gedetecteerd.
Wanneer werd kosmische straling voor het eerst ontdekt?
Kosmische straling werd voor het eerst ontdekt in het begin van de 20e eeuw. Rond 1910 merkten natuurkundigen dat lucht in afgesloten vaten geleidend werd, zelfs wanneer alle bekende bronnen van radioactiviteit waren afgeschermd. Dit wees erop dat er een onbekende, doordringende straling aanwezig moest zijn. De echte doorbraak kwam in 1912, toen de Oostenrijkse natuurkundige Victor Hess ballonvluchten maakte om de mysterieuze straling te onderzoeken. Hij nam meetapparatuur mee tot hoogtes van meer dan 5 kilometer. Als de straling van de aarde afkomstig was, had de intensiteit met de hoogte moeten afnemen. Tot zijn verrassing nam de straling juist toe naarmate hij hoger kwam. Dit was het bewijs dat de straling niet van de aarde zelf kwam, maar van buitenaf: uit de ruimte. Hess noemde het “hoogstraling”, maar later werd de term kosmische straling ingevoerd. Voor deze ontdekking ontving hij in 1936 de Nobelprijs voor Natuurkunde.
Waar komen kosmische stralen vandaan?
De oorsprong van kosmische stralen is een van de grote vraagstukken van de astrofysica. Er zijn verschillende bronnen geïdentificeerd:
- De zon: onze eigen ster produceert relatief laag-energetische kosmische straling, vooral tijdens zonnevlammen en coronale massa-ejecties. Dit soort straling speelt een rol bij ruimteweer en kan satellieten en communicatie op aarde verstoren.
- Supernova-explosies: de schokgolven die ontstaan wanneer zware sterren ontploffen, werken als natuurlijke deeltjesversnellers. Zij worden beschouwd als de belangrijkste bron van kosmische stralen in ons melkwegstelsel.
- Actieve sterrenstelsels en zwarte gaten: op kosmische schaal worden extreem energierijke stralen waarschijnlijk geproduceerd in de buurt van superzware zwarte gaten, in de jets van quasars of bij botsingen van sterrenstelsels.
- Mysterieus ultra-hoogenergetisch kosmisch straling: sommige deeltjes bereiken energieën die miljoenen keren groter zijn dan die van de krachtigste aardse versnellers (zoals de Large Hadron Collider). Hun precieze oorsprong is nog steeds onbekend.
Hoe worden kosmische stralen gedetecteerd?
Omdat kosmische stralen niet rechtstreeks door optische telescopen zichtbaar zijn, gebruiken astronomen andere technieken:
- Grondstations zoals het Pierre Auger Observatory in Argentinië, dat duizenden detectors verspreid over een groot gebied heeft. Deze vangen deeltjesregens op die ontstaan in de atmosfeer.
- Röntgen- en gammasatellieten: sommige secundaire straling die ontstaat door kosmische stralen kan vanuit de ruimte worden waargenomen.
- Ballonexperimenten: wetenschappers laten detectoren hoog in de atmosfeer vliegen om kosmische deeltjes te meten voordat ze volledig uiteenvallen.
Zelfs amateur-astronomen kunnen betrokken raken: er bestaan kleine, betaalbare kosmische-stralendetectors die deeltjesregens opvangen. Zo kun je thuis of op school experimenteren met het meten van deze mysterieuze bezoekers uit de kosmos.
Zijn kosmische stralen gevaarlijk?
Voor mensen die gewoon op het aardoppervlak leven, vormen kosmische stralen geen gevaar. Onze atmosfeer en het magnetisch veld werken als een dubbele bescherming: ze vangen bijna alle hoogenergetische deeltjes af. De straling die de grond bereikt is zo gering dat het geen merkbare schade aanricht. Op grote hoogten is de atmosfeer dunner, waardoor kosmische stralen minder worden tegengehouden. Piloten en cabinepersoneel ontvangen hierdoor iets meer stralingsdosis dan mensen op de grond, vergelijkbaar met enkele medische röntgenfoto’s per jaar. Voor passagiers die af en toe vliegen is dit effect te klein om gezondheidsrisico’s te vormen.
Astronauten in een baan rond de aarde krijgen een veel hogere dosis kosmische straling dan mensen op aarde. Het internationale ruimtestation wordt echter nog deels beschermd door het aardmagnetisch veld, waardoor het risico beheersbaar blijft. Toch is langdurige blootstelling een uitdaging voor de gezondheid van astronauten. Buiten het aardmagnetisch veld wordt de volle kracht van kosmische stralen gevoeld. Bij zulke reizen kunnen de doses hoog oplopen en DNA-schade veroorzaken, wat het risico op kanker en andere ziekten vergroot. Dit is een van de grootste uitdagingen voor toekomstige bemande ruimtemissies.
