Kosmisia säteitä tee-se-itse sumukammiossa

Kosmisen säteilyn suurenergisen hiukkasen törmäys
ilmakehän atomiin tuottaa kokojoukon erilaisia
alkeishiukkasia. Kuvaan on merkitty tärkeimmät
niistä: p (protoni), n (neutroni), p⁰, p^- ja p⁺ (pioneja),
µ^- ja µ⁺ (myoneja), g (fotoni), e^- (elektroni), e⁺ (positroni).
Lisäksi kuvaan on merkitty energian jakautuminen eri
hiukkasten kesken. Kuva Wiki Commons.

Teksti Pekka Rautajoki

Tavallisen tähtiharrastajan lävistää joka sekunti noin sata kosmista sädettä. Termi säteily on oikeastaan hieman harhaanjohtava, sillä läpäisijät ovat käytännössä alkeishiukkasia, jotka syntyvät suurienergisen hiukkasen, eli primäärisen kosmisen säteen, törmätessä ilmakehän molekyyleihin. Tällöin muodostuvasta sekundäärisestä kosmisesta säteilystä voi tähtiharrastaja tehdä myös havaintoja itse rakennetulla sumukammiolla.

Mitä kosmiset säteet ovat

Maapalloa pommittaa jatkuvasti avaruudesta lähes valon nopeudella saapuvien alkeishiukkasten ja atomiytimien vuo – näitä suurienergisiä hiukkasia kutsutaan kosmisiksi säteiksi.

Noin 90 prosenttia kosmisesta säteilystä on protoneja, ja lopuista valtaosa on alfahiukkasia eli heliumytimiä – säteiden koostumus on siis lähellä tähtien alkuainejakaumaa. Ilmakehän ulkopuolisia hiukkasia kutsutaan primäärisiksi kosmisiksi säteiksi; törmätessään ilmakehän molekyyleihin nämä synnyttävät ryöpyn sekundäärisiä hiukkasia ns. ilmasuihkuna. Maan pinnalle asti tulevat kosmiset säteet ovatkin juuri näitä sekundäärisiä kosmisia säteitä, joista noin 80 prosenttia on myoneita, mutta joukossa on myös protoneja, alfahiukkasia, pioneja, elektroneita ja neutroneita.

Kosmiset säteet havaitsi ensimmäisenä Victor Hess ilmapallolennollaan vuonna 1912. Energeettisimmät säteet ovat peräisin aktiivisista galaksiytimistä. Vähempienergisiä säteitä puolestaan synnyttävät Linnunradan supernovaräjähdykset, supernovajäänteet ja pulsarit. Myös oma Aurinkomme synnyttää matalaenergisiä kosmisia säteitä flare-purkausten yhteydessä. Kosmisten säteiden tarkkoja syntymekanismeja ei kuitenkaan tunneta vielä täysin.

Primäärisiä kosmisia säteitä voidaan havaita ilmapallojen, satelliittien ja avaruusalusten mukana olevilla ilmaisimilla. Sekundääristen hiukkasten ilmasuihkuja voidaan havaita esimerkiksi sähkövarauksellisten hiukkasten emittoiman Cherenkovin säteilyn avulla. Sekundäärisiä hiukkasia voidaan myös havaita sumu- ja kuplakammioilla ja muilla hiukkasilmaisimilla.

Hiukkasilmaisin kotikonstein

Tampereen Ursan tiimi (Pekka Rautajoki, Maria Lahtinen, Heli Heino ja Maria Messo) kokeili kotitekoisen sumukammion valmistamista ja kosmisten säteiden havaitsemista maaliskuussa. Vaikka laitteiston säädöt eivät ehkä olleet optimaaliset, onnistuttiin säteiden jättämiä tiivistymisvanoja havaitsemaan jo ensi yrityksellä. Sumukammioilmaisimen kehitti alun perin Charles Wilson vuonna 1911. Sumukammiossa varattu hiukkanen jättää tiivistymisytimistä koostuvan sumujäljen kulkiessaan kammion läpi.

Sumukammio on yksinkertaisimmillaan ylikyllästetyllä kaasulla täytetty säiliö, jossa kaasu tiivistyy pisaroiksi läpi kiitävän hiukkasen ionisoidessa kaasuatomeja. Idea harrastajan ikioman sumukammion valmistukseen tuli Brian Coxin tiededokumenttisarjasta ”Wonders of Life”, ja tarkemmat rakennusohjeet American Museum of Natural Historyn verkkosivuilta. (http://www.amnh.org/education/resources/rfl/web/einsteinguide/activities/cloud.html ).

Perusideanamme oli käyttää pientä, tiivistä lasiastiaa (tässä tapauksessa pientä akvaariota), jonka yläosassa on isopropyylialkoholilla kastellut kangastyynyt, ja pohjana on kuivajään viilentämä metallilevy. Kammion yläosa on huoneenlämpöinen (tai jopa hieman lämpimämpi esimerkiksi lämmitetyn kaurapussin ansiosta), jolloin alkoholia höyrystyy kammion sisälle.

Kylmä kammion alaosa jäähdyttää putoavan alkoholihöyryn lämpötilaan, jossa se ei normaalisti esiinny. Akvaarion alaosa siis täyttyy ylikyllästetyllä alkoholikaasulla. Kammion läpi kiitävät kosmiset säteet, eli alkeishiukkaset, aiheuttavat ionisaatiota ja tiivistymisytimien syntyä, jolloin alkoholihöyry palautuu nesteeksi ja tämä voidaan havaita hetkellisesti näkyvinä sumujälkinä. Kammiossa käytettyä isopropyylialkoholia saa apteekista, ja kuivajäätä hankimme AGA:n jälleenmyyjältä Tampereen Nekalasta.

Kolme kuvaa sumukammion läpi
lentäneistä hiukkasista. Tiivistymis-
vanat on merkitty.
Kuva Pekka Rautajoki.

Kokeen tulokset

Usvaa ei muodostunut kahdella koekerralla kovin runsaasti; tähän saattaa vaikuttaa liian vähäinen isopropyylialkoholin määrä tai huono kontakti pohjan metallilevyn ja alla olevan kuivajään välillä. Koejärjestelyssä sumukammio on asetettu pahvilaatikkoon, jonka pohjalla on vaahtomuovia - ajatuksena on, että vaahtomuovi on aluksi kokoon puristuneena, ja jään haihtuessa vaahtomuovin palautuminen pitää jäät vasten kammion pohjan metallilevyä. Käytetty vaahtomuovi oli kuitenkin hyvin tiivistä, eikä se juurikaan puristunut kasaan - kokeilemme seuraavalla kerralla hieman vähemmän tiheää vaahtomuovia.

Pääkuvassa on kollaasi selkeimmistä kosmisten säteiden jättämistä vanoista, muut kuvat esittelevät koejärjestelyjä ja käytettyä laitteistoa. Kuvan, jossa näkyy kaksi sumukammiota, on ottanut Maria Lahtinen, muut kuvat on ottanut Pekka Rautajoki.

Youtubessa on lisäksi kaksi videoa havainnoista; ensimmäisessä, Maria Lahtisen kuvaamassa videossa näkyy sumukammion "ensivalo", eli ensimmäinen taltioitu kosmisen säteen vana: http://youtu.be/3EqyCOu8YNY

Toisessa on koostettuna useampi selkeä vana, kuvaajana Pekka Rautajoki:
http://youtu.be/0zLX0iErDR0

Seuraavaa koekertaa varten olemme jo hankkineet kimmoisampaa vaahtomuovia, ja käytämme enemmän isopropyylialkoholia. Kokeilemme myös, onnistummeko voimakkaan magneetin avulla kaareuttamaan myonien sumujälkiä. Samoin voimme yrittää havaita suuntaa vaihtavia hiukkasia, jolloin luultavasti olemme havainneet myonin hajoamisen. Olemme myös hankkineet thorium-volframisauvan, jollaisia normaalisti käytetään Geiger-mittarin testaamiseen. Thoriumin hajoamisessa syntyvät alfahiukkaset saavat varmasti vipinää myös sumukammioon!