Zasięg przestrzenny promieni kosmicznych:  Własności pierwotnych promieni kosmicznych  Własności pierwotnych promieni kosmicznych

Widmo energii i skład masowy

Chociaż pochodzenie promieni kosmicznych jest niejasne, ich własności są dość dobrze znane, rozpoczniemy od opisu tych własności.

Widma energetyczne głównych składników promieniowania kosmicznego są przedstawione na rysunku . Nie jest zaskoczeniem, że wśród jąder atomowych dominującą rolę odgrywają protony i jądra helu, wykryto też wiele innych jąder, dających mniejsze natężenie (o tym później). Kształt widma energetycznego zawiera informację o sposobie tworzenia cząstek i ich rozchodzeniu się. Zaczynając od najniższych energii, widzimy ,,zakrzywienie'' poniżej 10¹⁰ eV/nukleon, związane z modulacyjnym wpływem wiatru słonecznego, natężenie w tej części widma jest czułe na stan aktywności słonecznej. Przy wyższych energiach mamy dowody wskazujące na zależność potęgową ze stałym wykładnikiem ( 2#2, gdzie 3#3) aż do energii około 10¹⁵ eV/nukleon, powyżej której 4#4 wzrasta do około 3,15. W końcu mamy nieźle udokumentowane, znaczące spłaszczenie widma powyżej około 10¹⁹ eV.

Rys1: Widma energetyczne głównych składników promieniowania kosmicznego. Skład masowy w częściach oznaczonych linią przerywaną jest niepewny. Od 10¹⁷ eV do 3 x 10¹⁸ eV powszechnie występują jądra żelaza pochodzenia galaktycznego, przy jeszcze wyższych energiach zaczynają dominować cząstki pozagalaktyczne. Wśród cząstek pozagalaktycznych silna jest prawdopodobnie składowa protonowa, chociaż mogą występować również cięższe jądra (Wibig i Wolfendale, 1999). Na rysunku zaznaczono metody badawcze.

 

 Skład masowy jest znany dość dobrze poniżej kilka x 10¹⁰ eV/nukleon oraz, z mniejszą dokładnością, do około 1 TeV, na rysunku  przedstawiono porównanie rozpowszechnienia pierwiastków w promieniowaniu kosmicznym z rozpowszechnieniem dla ,,Układu Słonecznego'', czy też ,,uniwersalnym''. Można dostrzec znaczne podobieństwa, zwłaszcza gdy weźmie się pod uwagę, że duży nadmiar po stronie promieniowania kosmicznego w obszarze Li, Be, B i Sc, Ti i V (oraz w kilku innych miejscach) może być łatwo wyjaśniony jako skutek rozpadu pobliskich, cięższych jąder podczas przejścia przez ośrodek międzygwiazdowy (patrz rozdział ). Występuje jednak dziwny, trudny do zrozumienia niedobór H i He.

Rys2: Rozpowszechnienie pierwiastków w promieniowaniu kosmicznym (otwarte kółka) porównane z rozpowszechnieniem w Układzie Słonecznym (punkty połączone ciągłymi liniami), z przeglądu Wiebela-Sootha i Biermanna (1999). (a) Promienie kosmiczne przy 1 TeV: wyniki przy niższych energiach są zbliżone, chociaż dokładniejsze, poniżej 1 GeV mamy dużo informacji o izotopach. (b) Promienie kosmiczne powyżej 1,5 GeV na nukleon, dla 7#7. Zauważalny nadmiar w niektórych przypadkach po stronie promieniowania kosmicznego może być wyjaśniony jako efekt rozpadu cięższych jąder podczas zderzeń z jądrami gazu w ośrodku międzygwiazdowym. 

 

 Jeśli chodzi o elektrony, rejestruje się zarówno cząstki jak i antycząstki, w rzeczywistości obserwowano także antyprotony, wytworzone w oddziaływaniach promieniowania kosmicznego z ośrodkiem międzygwiazdowym.

Promieniowanie gamma zarejestrowano zarówno w formie ogólnego kontinuum, jak i w postaci strumieni z poszczególnych, dyskretnych źródeł. Warto przypomnieć, że początkowo przyjmowano, iż ,,promieniowanie'' jest utworzone z jakiejś formy ultra-promieniowania 4#4 (stąd nazwa promieniowanie kosmiczne), chociaż w rzeczywistości, w obszarze do kilka x 10⁹ eV (gdzie skupiona jest większa część energii), stosunek natężenia 4#4 do natężenia cząstek wynosi zaledwie 8#8. Pomimo niewielkiego natężenia, promieniowanie 4#4 może nam wiele powiedzieć na temat ,,problemu źródeł''.