En hundraårig kosmisk gåta

Kosmisk strålning är ett samlingsnamn på de rymdpartiklar som ständigt bombarderar jorden från alla håll. De kan ha energier miljontals gånger högre än vad vi själva kan åstadkomma i acceleratorer på jorden. Den höga energin gör de kosmiska partiklarna till perfekta budbärare i rymden. Men deras källa har förblivit ett mysterium.

En stor del av den radioaktiva strålning som människor utsätts för på jorden utgörs av just kosmisk strålning. Som tur är kommer de energirikaste partiklarna sällan ända ner till marken. Vi skyddas av jordens atmosfär och magnetfält, men för framtida rymdfarare är den kosmiska strålningen ett allvarligt hot.

När den kosmiska strålningen upptäcktes för hundra år sedan öppnades så småningom ett nytt forskningsfält, partikelfysiken, och med den studier av materiens ursprung och dess innersta uppbyggnad. Den moderna fysiken fick därmed sin början.

Upptäckten skedde exakt klockan 6.00 på morgonen den 7 augusti 1912. Då lyfte en 1 700 kubikmeter stor ballong, fylld med vätgas, från Aussig, en stad mellan Prag och Dresden. I gondolen befann sig den 29-årige österrikaren Victor Hess – och flera instrument med vilka han tänkte mäta produktionen av elektrisk laddning, jonisationen, i luften.

Ballongfärden var Hess tionde, och nu nådde han för första gången 5 000 meters höjd och kunde mäta hur luftens jonisation varierar med höjden. Till sin stora förvåning fann han att denna var nästan tre gånger högre än på marken. Det var tvärt­emot vad han och andra hade förväntat sig.

Den genomträngande strålningen hade varit ett mysterium sedan början på 1900-talet. Man förmodade att luften laddades av jordskorpans radioaktiva strålning, och därför borde jonisationen avta med höjden över marken. Så var det nu inte, och Victor Hess blev därmed den förste i världen att upptäcka kosmisk strålning.

En av de många forskare som redan tidigare velat testa den gåtfulla strålningen var den i Nederländerna verksamme jesuitprästen Theodor Wulf. Han förfinade tekniken, och under ett besök hos vänner i Paris påsken 1910 tog han med sig instrument upp i Eiffeltornet. Wulf förväntade sig att den radioaktiva strålningen borde avta till hälften på ungefär 100 meters höjd. När han nu mätte den 300 meter upp i Eiffeltornet, hade den bara minskat obetydligt. Han spekulerade över att strålningen inte avtog så snabbt som beräknat, eller att Eiffeltornets järnmaterial möjligen var radioaktivt och störde mätningarna.

Flera andra undersökningar pekade också mot att radioaktivitet i jordskorpan inte kunde förklara alla mätningar. Frågan avgjordes med Victor Hess ballongfärd. I mitten av september 1912 sammanfattade Hess sina fynd vid en konferens i Münster i Tyskland:

”Resultaten av mätningarna kan bäst förklaras med att en starkt penetrerande strålning faller in mot atmosfären uppifrån.”

Hess resultat mottogs naturligtvis med viss skepsis. De behövde bekräftas av andra. Under de kommande två åren gjorde kollegan Werner Kolhörster flera ballonguppstigningar till hög höjd. Han bekräftade Hess slutsatser och fann att vid 9 000 meters höjd var jonisationen sex gånger högre än vid marken.

Sitt eget höjdrekord – drygt 9 000 meter – slog Kolhörster den 28 juni 1914. Denna historiska dag sköt den serbiske nationalisten Gavrilo Princip ihjäl den habsburgske tronföljaren Franz Ferdinand i Bosniens huvudstad Sarajevo, vilket blev startskottet för det första världskriget.

Forskningen om den kosmiska strålningen avstannade under krigsåren och återupptogs först efter 1920. Men oenigheten om strålningens ursprung pågick länge, och först 1936 belönades Victor Hess med Nobelpriset i fysik.

Namnet kosmisk strålning – i dag vet vi att det är missvisande – kom från den amerikanske fysikern Robert Millikan som ledde utforskningen av strålningen på andra sidan Atlanten. När han till slut år 1926 hade accepterat Hess resultat spekulerade han – felaktigt – om att strålningen orsakades av mot atmosfären utifrån infallande elektromagnetisk strålning. Därav namnet kosmisk strålning, ett namn som lever kvar, även om vi numera vet att det mest rör sig om partiklar.

Det skulle dröja ända till omkring 1930 innan mätningar av den kosmiska strålningens intensitet visade att den inte var elektromagnetisk. Intensiteten varierade nämligen med latituden på jorden, påverkad av jordens magnetiska fält som är starkast vid ekvatorn och svagast vid polerna. Men det magnetiska fältet inverkar inte på elektromagnetisk strålning; däremot svänger infallande laddade partiklar faktiskt av. I och med detta stod det klart att åtminstone en del av den kosmiska strålningen bestod av partiklar. Men vilken typ av partiklar? Var de positivt eller negativt laddade? Jordens magnetfält skulle än en gång hjälpa forskarna. Fältet böjer laddade partiklar olika – om de är negativt laddade ska fler komma från öster än från väster. Till mångas förvåning visade flera experiment att den kosmiska strålningen mest består av positivt laddade partiklar.

Det fanns två att välja på – protonen och den nyligen upptäckta positronen. Protonen är det lättaste grundämnets, vätets, atomkärna. Positronen, upptäckt i USA av svenskättlingen Carl Anderson, är elektronens antipartikel. Deras egenskaper skiljer sig en hel del. Protonen är tyngre och går lätt igenom en blyskiva, medan den lättare positronen bromsas inne i skivan.

Mitt under andra världskriget lyftes en blyskiva och partikeldetektorer upp med en ballong till 20 kilometers höjd i ett försök som avslöjade att den kosmiska strålningen till största delen består av de tunga protonerna. I dag vet vi att nästan nio av tio infallande kosmiska partiklar är protoner.

Det finns gott om dem i rymden – materien mellan stjärnorna består mest av väte. En hel del tyngre atomkärnor återfinns också i den kosmiska strålningen, och så något mindre mängder elektroner, fotoner, neutriner samt antipartiklarna – antiprotoner och elektronens antipartiklar, positronerna.

Varifrån kommer antipartiklarna? Kan de måhända ha skickats till oss från andra världar långt borta någonstans? Där skulle antipartiklarna bygga upp antimateria precis på samma sätt som vanliga atomer hos oss bygger upp materia.

Finns antivärldar? Frågan ställdes av fysikern Paul Dirac i hans Nobelföredrag år 1933. Han menade att en spegelbild av vår värld faktiskt är tänkbar. Om det finns planeter och stjärnor gjorda av antimateria, ja, kanske hela galaxer, så skulle deras spår möjligen kunna upptäckas i den kosmiska strålningen. Upptäckten av antiprotonen 1955 blev startpunkten för sökandet efter kosmisk antimateria.

Inga tecken på antivärldar har dock hittats, trots intensiva spaningar. Fram till i dag har cirka 10 000 antiprotoner fångats på jorden, varken fler eller färre än vad som förväntas uppstå i de kosmiska kollisionerna. Ingen spegelvärld behövs alltså för att förklara dessa fynd.

Beräkningarna visar även att sannolikheten för att tyngre kärnor av antimateria ska bildas ute i rymden är helt försumbar. Man har förgäves letat efter antihelium, som borde finnas i antivärldar. Inte en enda har hittats, och i dag uppskattar vi att det som mest kan finnas en antiheliumatom på tio miljoner heliumatomer.

Däremot har den kosmiska strålningen blivit en källa till många nya partiklar, som aldrig tidigare skådats på jorden. De bildas i kedjereaktioner där partiklarna föds och förintas på väg ner mot jordytan.

De som lyckas komma ända ner till marken lämnar tydliga spår i dimkammaren, uppfunnen i slutet av 1920-talet. Det var med en sådan kammare som Carl Anderson år 1932 upptäckte antielektronen – positronen – vilket redan fyra år senare gav honom ett Nobelpris som han delade med Victor Hess.

Anderson fortsatte att studera kosmiska partiklar och fann ännu en ny partikel – myonen, elektronens 200 gånger tyngre broder. På 1940-talet kom fotoemulsioner, och i den kosmiska strålningen uppenbarades ännu fler nya partiklar för forskarna, bland andra den så kallade pi-mesonen, som fångades på drygt fem kilometers höjd.
I dag kan vi studera de kosmiska partiklarna med satelliter ovan atmosfären. Men kosmisk strålning fortsätter att gäcka oss – senast häromåret genom mätresultaten från satelliterna Fermi och Pamela. Enligt dem verkar andelen positroner i den interstellära rymden ha ökat där den enligt teorin bör minska. Finns det någon ny, ännu oupptäckt källa för just högenergetiska positroner? Kan det röra sig om den okända mörka materien? Svaret kommer kanske från de nya instrument som förra året placerades på den internationella rymdstationen.

Ibland bär den kosmiska strålningen på extremt höga energier. För att få tag på tillräckligt många sådana kosmiska partiklar byggdes Augerobservatoriet i Argentina, världens största teleskop för kosmisk strålning. Det består av 1 600 detektorer spridda över en yta på 3 000 kvadratkilometer. Observatoriet fångar produkterna av krockar mellan en kosmisk stråle och jordens atmosfär. I krocken skapas en skur av nya partiklar som förgrenar sig vidare i kedjekollisioner på väg ner mot marken. När skuren väl träffar jordytan kan den vara spridd över ett 40 kvadratkilometer stort område.

Nyligen har Augerobservatoriet fångat kosmiska partiklar med energier som är tusen miljarder gånger högre än vad Anderson mätte i sin dimkammare på 1930-talet. Tursamt för oss träffas jorden av en sådan rymdprojektil bara någon gång per kvadratkilometer och sekel.

De allra flesta kosmiska strålarna är beskedliga och kommer i en strid ström från solen och andra källor i vår egen galax. Men var partiklarna med de högsta energierna kommer ifrån är fortfarande en gåta.