Földünk kozmikus környezetéből a Nap mellett sokáig csak a bolygókat, kisbolygókat, üstökösöket ismertük egészen addig, amíg ki nem derült, hogy a világűr nem üres: azt töltött és semleges részecskék töltik ki. A Föld légköre a számunkra veszélyes nagy energiájú elektromágneses sugárzás mellett a töltött részecskéket sem engedi át. Emiatt nem tudhattunk a kozmikus sugárzásról egészen száz évvel ezelőttig, amikor Victor Hessnek 1912-ben sikerült bebizonyítania egy, a világűrből állandóan érkező sugárzás létét.
Az 1925-től máig használt kozmikus sugárzás elnevezés (cosmic rays) arra utal, hogy felfedezése után sokáig elektromágneses sugárzásnak gondolták.
A kozmikus sugárzást különböző mértékben ionizálódott atomok – 90%-ban protonok – és elektronok alkotják, de kis mennyiségben megtalálhatók benne antirészecskék, pozitronok és antiprotonok is. Energiájuk a napszél termikus plazmájától a földi gyorsítók által eddig elért értéket 7–8 nagyságrenddel felülmúló energiáig, több, mint 1020 elektronvoltig terjed.
Alacsonyabb, ~10 MeV alatti energiájú összetevőjük fő forrása a Nap, amely nagy napkitörések idején akár 10 GeV energiáig is képes ionokat felgyorsítani. Nyugodt naptevékenységi időszakokban mintegy 10 MeV/nukleon energia fölött a Nap plazmakörnyezetében, a Helioszférában található töltött részecske populáció fő forrását a galaktikus és extragalaktikus eredetű részecskék jelentik. Meg kell még említenünk a nemrég felfedezett nagy energiájú semleges atomokat és a nagy áthatolóképességű neutrinókat is.
A kozmikus sugárzás felfedezése igen hasznos információforrást nyitott meg a csillagászat számára, amely lehetőséget ad a töltött részecskék forrásainak felderítésére, gyorsítási, terjedési mechanizmusainak megértésére. A hagyományos csillagászat az extrém erős gravitációs terektől eltekintve egyenes vonalban terjedő és ezért képalkotásra alkalmas elektromágneses sugárzáson alapul. A töltött részecskék számára ehhez képest hátrányt jelent, hogy terjedésüket a forrás és az észlelő közötti elektromágneses terek befolyásolják, ezért az irányinformáció a nagyon nagy energiájú részecskéket leszámítva elvész, általában kicsi, nehezen mérhető anizotrópia marad csak belőle. Az ezek után megmaradó legfontosabb információhordozó az energiaspektrum, de a fotonokhoz képest előny a sokféleség, az elemi rész-, izotóp- és töltés összetétel. A nagy energiájú semleges részecskék detektálása izgalmas új területet nyitott meg, lévén, hogy távérzékelésre is alkalmasak, fluxusuk azonban nem nagy, és detektálásuk sem könnyű.
A kétféle, szoláris és külső forrásból származó ionok energiaspektruma eltérő: míg a Napból származóké az energia növekedésével hatványfüggvény szerint meredeken csökken, a galaktikus fluxus alacsony energián növekszik az 1 GeV alatt elért maximumig, afelett csökken. A kozmikus sugárzás leggyakoribb összetevőinek energiában 20, fluxusban 42 nagyságrendet átfogó energiaspektruma az 1. ábrán látható. Az ábra három részlete különböző mérésekből származik. A 100 MeV/n alatti rész a protonok, hélium, oxigén és vas ionoknak űrszondákon mért hosszú idejű átlagait mutatja, ahol a nagyobb részecskeesemények fluxusai dominálnak (Mewaldt, 2003). Az ábra középső része (Meyer et al., 1974) 1 TeV energiáig még szétválasztja az egyes ionokat, és a felső rész pedig a földi kiterjedt légizápor mérések eredményeit tünteti fel ~3×1020 eV-ig (Swordy, 2001). A spektrum alacsony energiájú része, 104 eV/n alatt, és 108–109 eV/n közötti tartomány csak a
11 éves napciklus időskáláján mutat aránylag csekély, 50–100%-os változásokat. Ezzel szemben a 104–108 eV/n intervallumban a szoláris eredetű részecskék fluxusa rendkívül változékony, nagy napkitöréseknél a nyugalmi értékét akár 5–8 nagyságrenddel is meghaladja.
1.1 ábra. A kozmikus sugárzás energiaspektruma (Mewaldt, 2003, Meyer et al., 1974, Swordy, 2001 és a http://www.physics.utah.edu/~whanlon/
spectrum.html alapján).
A Nap aktivitását fluktuáló folyamatok adják, ezek elektromágneses hullámok és töltött részecskék formájában jelennek meg. A változások nagysága az időskálától függően más és más. Amíg a teljes kisugárzott elektromágneses energia (total irradiance) a 11 éves
napciklus folyamán igen keveset, csak mintegy 1 ezreléknyit változik, addig a töltött részecskék fluxusa több nagyságrenddel is megnőhet flerek során néhány óra alatt. A szoláris nagyenergiájú töltött részecskék az emberi tevékenységet befolyásoló hatásai egy új tudományág születését is elősegítették, amely az űridőjárás nevet kapta.
A Napból eredő ionok fluxusa alacsony naptevékenység idején a spektrum minimumát jelentő néhány MeV energián olyan alacsony, hogy az űrszondákon működő, egyelőre miniatűr eszközeinkkel alig tudjuk mérni. A legutóbbi, 2006–2009 közötti szokatlanul mély minimum rávilágított arra, hogy az alacsony naptevékenység idején működő folyamatokat kevésbé értjük, mint a nagy eseményekhez kapcsolódókat. Erősebb aktivitásnál is vannak nyugodt periódusok, amelyeket azonban a sok egymás utáni esemény eltakar, a részecskefluxusok nem is térnek vissza ugyanarra a „háttérszintre”. Maguknak a nyugodt időszakoknak („quiet time”) a definíciójával kapcsolatban sincs még végleges konszenzus.
Az energikus részecskéknek a nyugodt periódusokban észlelhető háttere valószínűleg több forrásból ered, nem tudjuk, hogy a Naptól távoli időbeli profilok alapján megkülönböztethetetlen mikro- és nano-részecskeesemények léteznek-e, vagy inkább korábbi nagy események populációit látjuk. Ezek lehetnek flerekkel, koronakitörésekkel vagy együttforgó tartományokkal kapcsolatos események, lehetnek interplanetáris lökéshullámokon vagy bolygók fejhullámán felgyorsult részecskék, a részecskék visszaáramolhatnak a külső Helioszférából, de a galaktikus eredetű, ill. anomális kozmikus sugárzás adiabatikusan lelassult részecskéinek energiaspektrumát sem ismerjük pontosan. E fluxusok stacionárius volta mindenesetre azt jelzi, hogy a források és veszteségek közelítőleg egyensúlyban vannak. A végső cél természetesen az egyes források relatív súlyának meghatározása, esetleg újak felfedezése és a folyamatok részleteinek megértése.
A töltött részecskék terjedése hasznos információval szolgál arra a közegre, amelyen áthalad. A nyugodt fluxusok idején a napszélplazmában kimutatható egy alapállapot, amelynek jelenlétére az energikus részecskeesemények hasonló időbeli lefolyása utal. A Nappal együttforgó kölcsönhatási tartományok között pedig felismerhetők nyugalmi struktúrák is, amelyek a Nappal együtt forogni látszanak, valójában a zavart állapotok közötti stacionárius napszél állapotot jelentik.
A szoláris eredetű töltött részecskeeseményekkel 1979 óta foglalkozom, ezen belül a nyugodt naptevékenység idején észlelt ionok energiaspektrumával az 1990-es évek eleje óta. Az értekezés ezeknek a vizsgálatoknak az eredményeit mutatja be.
A dolgozat 2. fejezete összegezi a Nappal és a Helioszférával kapcsolatos fontosabb kísérleti és elméleti eredményeket: előbb a naptevékenységgel kapcsolatos jelenségeket, majd a napszelet és a bolygóközi teret.
A 3. fejezet a töltött részecskék a töltött részecskék szupratermális és nagyenergiájú populációival, terjedési és gyorsítási mechanizmusaival kapcsolatos fontosabb eddigi eredményeket sorolja fels, majd részletezi az alacsony naptevékenységi időszakban végzett korábbi méréseket.
A 4. fejezettől térek rá a saját eredményeimre. Ismertetem a töltött részecskék detektálási technikáit, majd a leggyakoribb kétdetektoros teleszkópokra az általam kidolgozott háttérmeghatározási eljárást. Ezek után az új módszer alkalmazását mutatom be a számomra elérhető adatokon. Ezek nyers, nem publikus adatsorozatok, amelyeket a
kísérletet végző kutatóktól kaptam meg az általam megjelölt nyugodt periódusokra a hozzájuk tartozó feldolgozási algoritmusokkal együtt. Így jutottam hozzá és elemeztem unikális, mások által eddig fel nem dolgozott adatsorozatokhoz a Helios, a SOHO, az Ulysses és a Voyager űrszondák méréseiből és tárhattam fels a közepes energiájú protonok energiaspektrumát a Helioszféra igen széles tartományaiban.
Az 5. fejezet az IMP–8 műhold publikusan csak részben hozzáférhető, háttérre csak részben redukált, de kivételesen hosszú és homogén, 27 évnyi adatsorozatának felhasználásával kapott spektrumokat elemzi, ilyen egységes feldolgozást sem végeztek korábban. Itt statisztikus módszert választottam három paraméter illesztésével, hogy kimutathassam a spektrumok időbeli változását is. A 6. fejezetben az előzőeknél nagyobb energiájú, galaktikus eredetű spektrum alsó részének profilját analizálom az előzőekben felhasznált adatbázist nagyobb energiájú proton mérésekkel kiegészítve. A 7. fejezetben az alacsonyabb, szupratermális energiájú ionok relatív gyakoriságának alapján foglalkozom ezek legvalószínűbb eredetével.
A 8. fejezetben a szoláris energikus részecskeesemények csökkenő, lebomlási fázisát vizsgálom előbb két eseményben részletesebben, majd statisztikus megközelítéssel, nagyszámú esemény alapján. Az előző eredményekhez ez úgy kapcsolódik, hogy a protonokat próbarészecskéknek tekintve a fluxusok időbeli profiljai az interplanetáris közeget jellemzik, ezek stabilitása alapján pedig a napszél stacionárius állapotát mutatom ki.
2. A Nap és a Helioszféra