Słońce obserwujemy zwykle z powierzchni naszej planety lub z wystrzelonych w Kosmos sztucznych satelitów (na przykład SOHO). Czy można jednak badać Gwiazdę Dzienną, a w szczególności jej aktywność, znajdując się w głębokiej piwnicy? Okazuje się że tak.

W Instytucie Problemów Jądrowych w Łodzi znajduje się aparatura rejestrująca miony promieniowania kosmicznego. Ich detektor, zwany teleskopem mionowym, znajduje się w pomieszczeniu przykrytym trzynastometrową warstwą ziemi. Składa się z dwóch par warstw liczników Geigera-Millera. W każdej parze liczniki obu warstw są do siebie prostopadłe. Rejestracja polega na stwierdzeniu przez które liczniki przeszła cząstka. Można w ten sposób określić dwa punkty leżące na drodze mionu, a ostatecznie znaleźć kierunek z którego przybył. W ciągu sekundy rejestrowanych jest średnio pięć cząstek. Trzynastometrowa warstwa piasku powoduje, że do detektora mogą dotrzeć jedynie te cząstki, których energie większe są od około 5GeV (gigaelektronowoltów, 1GeV = 109eV = 1,6*10-10J). Cząstki o mniejszych energiach tracą całkowicie energię przebijając się przez grunt.

Teleskop mionowy w Łodzi

Teleskop mionowy znajduje się w podziemnym laboratorium. 13-metrowa warstwa gruntu nad teleskopem zatrzymuje znaczną część cząstek. Z cząstek posiadających ładunek elektryczny na tę głębokość mogą docierać jedynie miony, które na powierzchni Ziemi maja energie powyżej 5 GeV. Teleskop mionowy zbudowany jest z czterech warstw liczników Geigera-Mullera (GM). W każdej warstwie jest ich 20. Pojedynczy mion jest rejestrowany, gdy trafi w jeden licznik w każdej warstwie. Znamy wtedy kierunek jego lotu. W pamięci sterującego komputera zapisują się numery trafionych GM oraz czas rejestracji. Średnio rejestrujemy 5 mionów w ciągu sekundy. Zastosowano liczniki Geigera-Mullera typu Maza. Są to liczniki szklane wykonane z rur takich, jak do świetlówek. Każdy licznik ma efektywną długość 80cm i średnicę 3.6cm.

Miony to nietrwałe cząstki elementarne (rozpadają się średnio po około 2 milionowych częściach sekundy). Ich ładunki równe są ładunkowi elektronu (istnieją miony dodatnie i ujemne), a masy – większe od masy elektronu około 200 razy. Powstają gdy cząstka promieniowania kosmicznego docierająca do Ziemi zderza się z jądrem atomu tworzącego atmosferę. Miony docierają do powierzchni Ziemi dzięki efektom szczególnej teorii względności (dylatacji czasu, w układzie związanym z mionem czas płynie wolniej i dlatego cząstka nie rozpada się przed dotarciem do powierzchni planety).

Jak to wszystko ma się do Słońca i jego aktywności? Przecież promieniowanie kosmiczne dociera do nas spoza Układu Słonecznego!

Otóż wystarczy spojrzeć na rysunek znajdujący się na początku tego artykułu. 29 października 2003 roku zanotowano gwałtowny spadek natężenia strumienia mionów. Czy był on spowodowany dotarciem do naszej planety cząstek wyrzuconych ze Słońca w czasie wybuchów z ostatnich dni października? Okazuje się że tak!

Podobny efekt zarejestrowano nie tylko w łódzkiej aparaturze. Dwa poniższe wykresy pokazują podobny spadek obserwowany w dwóch detektorach w Rosji. Rosyjski sprzęt, w przeciwieństwie do polskiego, mierzy jednak ilość neutronów powstających na skutek zderzeń cząstek promieniowania kosmicznego z jądrami atomów powietrza.

Skorelowany z wybuchem na Słońcu spadek strumienia neutronów mierzonego przez detektor neutronów znajdujący się około 20 kilometrów na południowy-zachód od Moskwy.

Spadek natężenia promieniowania kosmicznego zarejestrowany 29 października 2003 roku przez monitor neutronowy znajdujący się w Apatitach na Półwyspie Kola (północ europejskiej części Rosji).

W jaki jednak sposób wybuch na Słońcu wpłynął zmniejszenie ilości cząstek promieniowania kosmicznego? Przecież jego produkcja nie jest związana ze stanem Gwiazdy Dziennej.

Zadziałał tu tak zwany efekt Forbusha. Wyrzucona ze Słońca chmura materii składa się z plazmy. W plazmie znajdują się zarówno ujemne elektrycznie elektrony jak i dodatnio naładowane jądra atomowe. Elektrony nie krążą jednak wokół jąder jak w gazie, lecz są z nimi wymieszane. Jeśli przez plazmę przenika pole magnetyczne, zostaje ono w nią “wmrożone”. Poruszająca się plazma unosi ze sobą linie pola magnetycznego. Linie te zmieniają swoje kształty i w pewnym momencie zaczynają działać na cząstki promieniowania kosmicznego niczym lustro na światło. Jeśli docierająca spoza Układu Słonecznego cząstka ma stosunkowo niewielką energię (a takich właśnie cząstek jest w promieniowaniu kosmicznym najwięcej), to odbija się ona od chmury materii wyrzuconej ze Słońca nie wnikając do jej wnętrza. Kiedy Ziemia znajdzie się wewnątrz obłoku słonecznej plazmy, zmniejsza się ilość cząstek docierających do Ziemi. Właśnie z takim efektem mieliśmy do czynienia 29 października.

Różne mogą być sposoby obserwowania Wszechświata…

Autor

Michał Matraszek