A KOZMIKUS SUGÁRZÁS

Azután, hogy a XIX. század utolsó évtizedében fölfedezték a radioaktív sugárzást, a tudósok olyan eszközöket is kifejlesztettek, amelyekkel ki lehet mutatni ezeket a sugarakat. Nagy meglepődéssel tapasztalták, hogy ahol (legjobb tudomásuk szerint) semmiféle radioaktív anyag sem volt a közelben, műszereik ott is észleltek némi sugárzást. Mi több, ha a műszereket ólomlemezzel vették körül, ami

átlátszatlan a radioaktív sugárzás (és az akkor ismert minden más sugárzás) számára, azok még így is sugárzást jeleztek.

Nyilvánvalóan egy olyan sugárzásról volt szó, amelynek nemcsak az eredetét nem ismerték, hanem amelyik bármelyik ismert típusnál áthatóbb (és így nagyobb energiájú) volt. Nagyobb volt az energiája, mint a radioaktív anyagok bármelyike által kibocsátott gammasugárzásnak, márpedig ez még a röntgensugaraknál is nagyobb energiával rendelkezik.

Föltételezték, hogy ez az újfajta sugárzás valamilyen, a talajban levő anyagból ered, valamiféle szuper-radioaktív anyagból - ez azonban nem volt több puszta föltevésnél. Victor Franz Hess (1883-1964) osztrák fizikusnak jutott eszébe, hogy ez elég könnyen ellenőrizhető, ha sugárzásmérő eszközöket engednek föl léggömb segítségével a levegőbe. Minél magasabbra emelkedünk, a sugárzásnak annál gyengébbnek kell lennie, föltéve, hogy forrása valóban a talajban van.

1911-ben hozzá is fogott, és tíz, műszerekkel ellátott léggömböt küldött fel, ötöt nappal, ötöt pedig éjjel. Az egyik nappali fölbocsátás egy teljes napfogyatkozás idején történt. Megdöbbenve látta: egyáltalán nem az derül ki, hogy a talaj lenne a forrás - sőt, éppen ellenkezőleg. Minél magasabbra emelkedett a léggömb, az áthatoló sugárzás annál erősebbé vált. A forrás nyilvánvalóan az égbolton, nem pedig a talajban van. Sőt, a sugárzásért még csak nem is a Nap a felelős, hiszen az nappal is, éjszaka is ugyanolyan erősségű.

Amennyire Hess és mások megállapíthatták, a sugárzás az ég minden részéből egyformán jön. Ezért ezt Robert Andrews Millikan (1868-1953) amerikai fizikus, minthogy általában a kozmoszból jön, találóan kozmikus sugárzásnak keresztelte el. Millikan úgy gondolta, a kozmikus sugárzás nem más, mint az elektromágneses sugárzás egy formája, amely különbözik a közönséges fénytől.

Az elektromágneses sugárzás hullámként viselkedik. Minél kisebbek a hullámok (azaz minél rövidebb a hullámhossz), a sugárzás annál nagyobb energiájú. A látható fény színképe rövid hullámokkal kezdődik, aztán ahogy a különböző színű fények jönnek sorban, végül a vörös fénynek van a legnagyobb hullámhossza, tehát a legkisebb energiája. Ha visszafelé haladunk a színképben a vöröstől a narancson, a sárgán, a zöldön és a kéken keresztül az ibolyáig, a hullámhossz egyre rövidebb, az energiatartalom egyre nagyobb lesz.

Az ibolyántúli sugárzásnak rövidebb a hullámhossza, mint az ibolyaszínű fénynek, ezért a látható fény bármelyik formájánál nagyobb energiával rendelkezik. A röntgensugarak még kisebb hullámhosszúak, a gammasugárzás hullámhossza pedig ennél is rövidebb. Millikannek az volt a véleménye, hogy a kozmikus sugarak ultrarövid gammasugarak, a közönséges gammasugarakénál nagyobb energiával és áthatolóképességgel.

Egy másik amerikai fizikus, Arthur Holly Compton (1892-1962) vitatta ezt az álláspontot. Ő úgy vélte, a kozmikus sugárzás nagyon gyors, elektromos töltéssel bíró, az atomoknál kisebb részecskéket kell hogy tartalmazzon. Energiájuk az impulzusukból ered, ami tömegüktől és sebességüktől függ.

A vita eldöntésére a következő lehetőség adódott.

Ha a kozmikus sugárzást elektromágneses hullámok alkotják, akkor nincsen elektromos töltése, és nem hat rá bolygónk mágneses tere. Ez esetben, mivel az égbolt minden részéből egyformán jön, azonos módon éri el a Föld különböző pontjait.

Ha viszont a kozmikus sugárzás elektromosan töltött részecskékből áll, akkor hat rájuk a Föld mágneses tere: a Föld mágneses sarkai felé téríti el őket. Ezek a kozmikus részecskék (már ha valóban részecskékről van szó) olyan nagy energiával rendelkeznek, hogy elhajlásuk egészen kicsiny lesz. Compton számításai mindazonáltal azt mutatták, hogy az eltérülésnek észlelhető mértékűnek kell lennie, méghozzá minél messzebb megyünk általában az egyenlítőtől északra vagy délre, a kozmikus sugárzásnak annál erősebben kell záporoznia.

1930-ban Compton fölcsapott világutazónak, hogy e föltevést ellenőrizze, és valóban be tudta bizonyítani, hogy neki volt igaza. A „szélességi effektus” valóban létezik, vagyis a kozmikus sugárzás a magasabb szélességi fokokon tényleg erősebb. Millikan ugyan makacsul ragaszkodott a véleményéhez, de a fizikustársadalom fokozatosan Compton mögé sorakozott föl. A kozmikus sugárzás részecske-természete napjainkban általánosan elfogadott tény.

Mint az ma már köztudott, a kozmikus sugárzás nagyrészt pozitív töltésű, az atomoknál kisebb részecskéket, főleg hidrogén-, illetve héliummagokat tartalmaz, hozzávetőleg 10 : 1 arányban. Elszórtan nehezebb magok is előfordulnak benne, egészen a vasig. A kozmikus sugárzásban az atommagok hasonlóképpen oszlanak meg, mint amilyen az elemek megoszlása általában a világegyetemben.

Nincs mit csodálkozni azon, hogy a kozmikus sugárzás olyan nagy energiájú és áthatolóképességű, hiszen a részecskéi sokkal gyorsabban mozognak, mint a Földön vagy bárhol a közelében föllépő hasonló részecskék, még a radioaktív anyagokból származókat is beleértve. A legnagyobb energiájú kozmikus részecskék alig valamivel haladnak lassabban a fénysebességnél (ez jelenti bármely mozgó test számára az abszolút felső határt).

A kozmikus sugárzás részecskéinek létezése szorosan összefügg a biológiai evolúcióval. Ezek a részecskék, lévén nagy energiájúak, mutációkat képesek okozni, sőt valóban okoznak is.

A Földet érő kozmikus részecskék mennyisége egyáltalán nem mérhető a Nap ibolyántúli sugárzásához, sem egy röntgenkészülék sugárzásához, sem a radioaktív anyagok közelében tapasztalható sugárzáshoz. Míg azonban a röntgensugár-forrásokat és a radioaktív anyagokat elkerülhetjük, sőt még a mindenütt jelenlevő ibolyántúli sugárzás elől is egyszerűen árnyékba húzódhatunk, addig a kozmikus részecskesugárzást semmilyen kézenfekvő módon sem küszöbölhetjük ki.

Persze, le lehet menni egy bányába, jó mélyen a Föld felszíne alá, vagy lehet élni levegőbuborékban egy mély tó fenekén, esetleg körbe vehetjük magunkat pár méter vastagságban ólommal - de az élőlények óriási többsége nem követi és soha nem is követte ezen stratégiák egyikét sem.

Az élő szervezetek az évmilliárdok folyamán kevés nagyenergiájú elektromágneses sugárzással, radioaktív sugárzással vagy mutagén vegyszerrel találkoztak, viszont bárhol voltak is, éjjel-nappal bombázta őket a kozmikus sugárzás. A légkör és a víz, amely a Napból és általában az égboltról jövő szokásos sugárzás nagy részét elnyeli, nem állhatta útját a kozmikus sugárzás részecskéinek.

Meg kell azonban jegyeznünk, hogy a kozmikus sugárzás részecskéi nem maradnak meg változatlanul abban az állapotban (az elsődleges sugárzás formájában), amelyben eredetileg a világűrben léteztek. Összeütköznek a földi légkör atomjaival és molekuláival, lelassulnak és elnyelődnek. Ennek során azonban nagyenergiájú részecskéket ütnek ki az atomokból és molekulákból (ez az úgynevezett másodlagos sugárzás). ezek pedig valamilyen, még mindig erősen mutagén formában elérik a Föld felszínét, és mélyen behatolnak a talajba, illetve a vízbe.

Végül is oda lyukadunk ki, hogy a kozmikus sugárzás állandó részecskezáporának, amelyben az élet egész története folyamán fürdött, elég gyengének kellett lennie ahhoz, hogy lehetővé tegye az élőlények számára a nyugodt életet, ugyanakkor elég erősnek ahhoz, hogy a replikációs folyamat véletlen tökéletlenségei fölé emelje a mutációs arányt (még akkor is, ha ezekhez esetleg a kevésbé gyakori vagy könnyebben elkerülhető mutagén tényezőket is hozzászámítjuk).

A kozmikus sugárzás részecskéi ezek szerint bármi másnál jobban fölfokozták a mutációképződést, ami viszont lehetőséget adott a természetes kiválogatódás működésére, s az evolúciós folyamat így érte el tulajdonképpeni sebességét. Létezésünket a kozmikus részecskéknek köszönhetjük, mivel nélkülük az evolúció sebessége mindmáig semmi bonyolultabbat nem eredményezett volna, mint néhány féregszerű, tengeri élőlényt.

De honnan ered a kozmikus sugárzás?

Mivel az égbolt minden irányából jön, nem tulajdonítható sem egyetlenegy, sem több, szétszórtan elhelyezkedő egyedi objektumnak. Az sem föltételezhető, hogy a kozmikus sugárzás minden egyes lökése egy-egy égi objektumból jön, amelyek valahol annak a pontnak a közelében vannak, ahonnan sugározni látszanak.

Az elektromágneses sugárzás gyakorlatilag egyenes vonalban terjed (kivéve a nagyon kis elhajlásokat, amikor egy-egy nagytömegű objektum közvetlen közelében halad el). Ez azt jelenti, hogy ha egy fénysugarat látunk, akkor forrása abba az irányba esik, amerre éppen nézünk. Ha egy csillagot az általa kibocsátott fény révén látunk, akkor a fényét nézve pontosan a csillagra magára esik a tekintetünk. A fény egyenes vonalú terjedése annyira megszokott dolog, hogy ha azt mondaná valaki: „egy csillag ott van, ahol látjuk”, akkor ez teljességgel fölösleges szószaporításnak tűnnék. Hiszen hogy is lehetne másképpen?

A többi fajta elektromágneses sugárzás is mind az égnek abból a pontjából ered, ahonnan jönni látjuk - ez ugyancsak magától értetődik.

Csakhogy az elektromosan töltött részecskék egyáltalán nem egyenes vonalban terjednek. Rájuk hatással van a mágneses tér, márpedig a Galaktika telis-tele van mágneses terekkel. Az összes csillagnak, nagyon sok bolygónak és a Galaktika egészének is megvan a sajátja. Ezért amikor a kozmikus részecske átrohan a csillagközi űrön, nagyon bonyolult görbe pályát ír le, mivel az összes mágneses térnek engedelmeskedik, amelyen csak áthalad.

Ahogy lerobog a Föld felszínére, az utazása végső szakaszában követett irány nem felel meg annak a pályának, amelyen tucatnyi fényévvel odább haladt. Ugyanúgy, ahogy ha egy bizonyos vonal mentén közeledő madarat vagy denevért látunk, és a vonal visszafelé meghosszabbítva egy távoli fán végződik, akkor ez sem annak a jele, hogy a madár vagy denevér erről a fáról indult, hiszen repülése során tucatszor is szeszélyesen irányt változtathatott.

Minthogy a kozmikus sugárzás minden részecskéjének megvan a saját bonyolult pályája, nem csoda, hogy az ég minden irányából egyaránt érkeznek, s az is természetes, hogy egyiket sem tudjuk a forrásáig visszakövetni.

Annyit azonban tudunk, hogy a kozmikus sugárzás részecskéi iszonyú nagy energiával rendelkeznek, és jöjjenek bárhonnan, forrásuknak rendkívül forrongó állapotban kell lennie. Egy békés, nyugodt folyamatból nem származhatnak nagyenergiájú részecskék.

A Naprendszer legnyugtalanabb objektuma természetesen a Nap, annak felszínén pedig a napkitörés a leghevesebb esemény. Elég heves lehet egy napkitörés ahhoz, hogy kozmikus részecskék termelődjenek?

Ezt a kérdést igazából föl sem tették, de a válasz mindenesetre megjött, s valósággal rákényszerítette magát a tudósokra.

1942 februárjának vége felé a napkorong közepén jelent meg egy hatalmas napkitörés. Ez azt jelentette, hogy az anyagot egyenesen a Föld felé lövi ki. Ezután hamarosan egy viszonylag gyönge részecskékből álló kozmikus sugárzási hullámot észleltek. Ez a Nap irányából közeledett, és föltételezhető volt, hogy a Nap a forrása, hiszen a rövidke Nap - Föld távolságon a gyors kozmikus részecskéknek sem idejük, sem alkalmuk nem volt arra, hogy haladási irányukat jelentősebben megváltoztassák.

Azóta számos „enyhe” kozmikus sugárzási hullám ért el bennünket olyan nagy kiterjedésű napkitöréseket követően, amelyek a napkorong alkalmas helyén léptek föl.

Mai tudásunkkal ebben már semmi rejtélyes sincs. A napszél nem egyéb, mint kifelé zúdított atommagok, főleg hidrogén- és héliummagok áradata. Ezek a magok nagy energiával, több száz kilométeres másodpercenkénti sebességgel terjednek. A napkitörések a Nap felszínén végbemenő, különösen nagy energiájú események. Ezek olyan napszéllökést hoznak létre, amelyben a részecskék még sokkal nagyobb sebességgel haladnak. Ha a kitörések elég nagy energiájúak, és a szél elég gyors, akkor a részecskék ugyanolyanok lesznek, mint a kozmikus sugárzás részecskéi.

A kozmikus sugárzás részecskéi ugyanolyan fajtájúak, mint amik a napszélben találhatók. Egyedül az különbözteti meg őket, hogy az előbbieknek nagyobb a sebességük és az energiájuk - éppúgy, ahogy a röntgensugarak is csak annyiban különböznek a fényhullámoktól, hogy kisebb a hullámhosszuk, illetve nagyobb az energiájuk.

A Nap azonban legföljebb arra képes, hogy a legalacsonyabb energiatartományba eső kozmikus részecskékből bocsásson ki néha egy-egy hullámot. Ahhoz, hogy az egész Galaktikát nagyobb energiájú kozmikus sugárzással töltsék meg, sokkal hevesebb események szükségeltetnek, mint amilyen a középkorú, higgadt természetű Naptól telik.

A leghevesebb csillagesemények nyilván a szupernóva-robbanások, s joggal föltételezhető, hogy e robbanások mindegyike hatalmas erejű csillagszélrohamot bocsát ki minden irányba. Ezek lesznek a kozmikus sugárzás részecskéi.

Ezek a részecskék lassulás nélkül utaznak a majdnem üres csillagközi téren át. Sőt, miközben az útjukba kerülő mágneses tereknek engedelmeskedve csavarmozgást végeznek, még föl is gyorsulhatnak, akár majdnem fénysebességig is. Minél nagyobb lesz az energiájuk, annál kevésbé térnek le egyenes pályájukról a mágneses terek hatására, végül pedig már semmi sem tarthatja vissza őket attól, hogy a galaxisból végleg kilépjenek a még üresebb galaxisközi térbe.

A kozmikus sugárzás részecskéi közül nem mindnek lesz ez a sorsa. Egy részük hosszú útja során más anyagdarabokkal ütközik össze, ami lehet a csillagközi tér egy atomja vagy porrészecskéje, de lehet egy csillag is, vagy valami a kettő között, mondjuk a Föld.

A Galaktika története folyamán fölrobbant szupernóvák összessége elegendő kozmikus részecskét bocsátott ki az űrbe ahhoz, hogy minden egyes másodpercben minden irányból jelentős mennyiségű ütközzék belőlük a Földbe. Persze, a mi galaxisunk szupernóvái által termelt kozmikus sugárzás bizonyos százaléka elhagyta a Galaktikát; ezt viszont pótolják azok a részecskék, amelyek máshonnan érkeztek hozzánk.

Így aztán a szupernóvák nem csupán a Föld és az élet nyersanyagát biztosították; nemcsak a hőt teremtették elő, amely megakadályozta a Naprendszer ősködének idő előtti besűrűsödését; nemcsak azt a lökéshullámot idézték elő, amely végül lehetővé tette az összetömörödést; hanem ők szolgáltatták az evolúciós változások hajtóerejét is, amely az élet egyre bonyolultabb formáit, végül pedig emberi lényeket hozott létre a Földön.

A szupernóvák tehát titáni űrbeli olvasztótégelyek, gigászi üllők, amelyeken az anyag kikalapálódott, s amelyek termékei megteremtették az ahhoz szükséges környezetet, hogy az élet (legalább egyszer) kialakulhasson és fejlődhessen.