Kosmiska strålar 100 år

På det 100 år gamla fotografiet ser man honom stående i ballongkorgen, segervisst leende mot kameran. Det är den 12 april 1912, och det kommer snart att inträffa en i det närmaste total solförmörkelse i trakten av Graz. Han heter Victor Hess, en ung lovande österrikisk fysiker, och han ska strax göra en uppstigning i vätgasballong till över fem kilometers höjd. Med sig i ballongkorgen har han tre nyutvecklade elektrometrar av känsligaste sort. Med dem ska han mäta styrkan hos den joniserande strålningen på hög höjd i atmosfären.

Sedan Henri Becquerel närmast av en slump upptäckte radioaktiviteten 1896 hade man upptäckt att radioaktivitet joniserar luften. Den blir en smula elektriskt ledande, något som Pierre och Marie Curie snabbt utnyttjade i sin forskning. Pierre och hans bror Jacques konstruerade en elektrometer för att Marie skulle kunna mäta olika ämnens radioaktivitet, vilket snart ledde till upptäckten av de nya radioaktiva ämnena polonium och radium.

Snart visade det sig att man hittade joniserande bakgrundsstrålning överallt. Varifrån kom den? ­In­ifrån jorden? Eller från solen? Eller kanske någon annan stans ifrån?

En tysk fysiker vid namn Theodor Wulf konstruerade en ny typ av elektrometer, betydligt känsligare än ­bröderna Curies. Wulf mätte sedan strålningen både högst upp i Eiffeltornet och vid dess fot. Det föreföll som om strålningen var lägre upptill, vilket tydde på att strålningen kom inifrån jorden.

Men italienaren Domenico Pacini hade gjort försök där han sänkt ner en elektrometer i havet utanför Livorno. Där visade det sig att strålningen minskade med djupet.

Victor Hess gör sin ballongfärd i avsikt att en gång för alla visa att den joniserande strålningen faktiskt kommer inifrån jorden. Han passar dessutom på när det är solförmörkelse, vilket bör göra att eventuell inverkan från solen blockeras av ­månen.

Men resultatet av hans färd blir inte alls vad han tänkt sig, tvärtom. För ju högre han kommer, desto starkare blir strålningen.

Han är på väg att göra en upptäckt vars innebörd och implikationer man inte kommer att begripa förrän långt senare, nämligen att jorden ständigt bombarderas av kärnpartiklar med hög energi från yttre rymden. Nobelpriset får han inte förrän 1936. Då delar han fysikpriset med svenskättlingen Carl D Anderson, positronens upptäckare.

Fast riktig fart på forskningen kring kosmisk strålning blir det inte förrän på 1960-talet, när man med satelliters hjälp kan göra mätningar högt över atmosfären.

Vad är då kosmiska strålar? Den största delen, över 90 procent, består av protoner, vätekärnor, resten huvudsakligen av alfapartiklar, heliumkärnor. Men det finns också en liten bråkdel av en procent oerhört energirika partiklar, joner av tyngre grundämnen som med hastigheter nära ljusets brakar in i jordens atmosfär. Järnkärnor kan ha energier som är miljarder gånger högre än vad man kan komma upp i vid Cerns partikel­accelerator LHC.

Varifrån kommer partiklarna?

Tja, säg det. Från överallt. Från supernovor och andra våldsamma kataklysmer i rymdens djup. När protonerna från rymden anländer till jorden kolliderar många av dem med molekyler i atmosfären. Resultatet blir reaktioner som de vid Cern. Vid kollisionerna skapas en mängd sekundära partiklar: pi-mesoner som söderfaller till myoner som sönderfaller vidare etcetera.

Men det skapas också nya isotoper av vanliga grundämnen i atmosfären. Protoner som kolliderar med kväveatomer i luften gör att det ständigt bildas ¹⁴C, en radioaktiv kolisotop med en halveringstid om 5 730 år. Det råder jämvikt mellan nybildning och sönderfall av ¹⁴C, vilket gör att allt levande innehåller samma förhållande mellan vanligt, stabilt kol, ¹²C, och ¹⁴C. I dött organiskt material däremot, exempelvis trä, minskar andelen ¹⁴C med tiden genom sönderfall, vilket gör att man genom att mäta andelen ¹⁴C kan datera materialet. Kol-14-metoden uppfanns av Willard Frank Libby i slutet av 1940-talet. Libby fick Nobelpriset 1960.

Kosmisk strålning är som sagt joniserande, vilket inte är nyttigt för levande organismer. Som tur är skyddas vi av jordens magnetfält, som avlänkar en stor del av de laddade partiklarna. Men kommer vi ut i rymden blir det värre.

– På rymdstationen ISS är strålningen 50 gånger högre än vid jordytan, säger Oscar Larsson, kosmisk stråldoktorand vid KTH.

– Då är man ändå bara 350 km från jordytan och skyddas fortfarande till en del av jordens magnetfält. Men eventuella rymdresenärer på väg till Mars kommer att få en mycket hög stråldos under sin resa.

– Partiklarnas skadlighet ökar med kvadraten på laddningen. Ta exempelvis de sällsynta järnkärnorna i strålningen. De står för 20 procent av dosen, men bara för 0,02 procent av partiklarna.

Kan man skydda sig mot kosmisk strålning?

– Det är svårt. Man skulle behöva förse rymdkapslarna med metertjocka blyväggar, vilket man inte har råd med. Dessutom är det så att partiklar som kolliderar med atomkärnor i väggen skapar skurar av sekundära partiklar, vilket kan vara väl så farligt som att träffas av en enda energirik partikel. Det blir som ett hagelskott i stället för en gevärskula.