Şu anda Dünya, yalnızca Güneş’ten değil, aynı zamanda yıldızlararası ve galaktik kaynaklardan gelen yüksek enerjili ve hızlandırılmış parçacık akışıyla sürekli olarak bombardımana uğruyor ve galaktik kozmik ışınlar (Galactic Cosmic Ray – GCR) parçacık radyasyonu ortamının önemli bir bölümünü oluşturuyor. Bu enerjik parçacıkların incelenmesi, güneş sisteminin oluşumu ve evriminin yanı sıra ilgili astrofiziksel süreçleri anlamamıza katkıda bulunmakta. GCR’lar çoğunlukla protonlar, daha az oranda Helyum ve ağır çekirdeklerden (bkz. Şekil 2) meydana gelir. Bu ışınların helyosfer boyunca yayılması sırasında, Güneş rüzgarı ve gezegenler arası manyetik (Interplanetary magnetic field – IMF) alan tarafından modüle edilmekte yani güç ve yoğunlukları periyodik olarak artıp azalır.
GCR’ların enerji aralıklarına göre farklı kökenleri mevcut. GeV – TeV (109 eV – 1012 eV) mertebesindeki galaktik enerji aralığında bulunan kozmik ışınların kaynağının süpernova kalıntıları olduğu bilinmektedir. PeV (1015 eV) seviyesindeki GCR’ların galaksinin dışındaki genç pulsarlar ve güçlü manyetik alana sahip nötron yıldızlarının üretimiyle meydana geldiği düşünülmektedir. Daha yüksek enerjilerdeyse Samanyolu dışındaki aktif galaksi çekirdekleri (AGN) kaynaklı relativistik enerji seviyelerine kadar taşıyan Kuasar jetleri bulunmaktadır.
1997 yılında Güneş – Dünya Lagrange 1 (L1) yörüngesinde görevine başlayan Advanced Composition Explorer (ACE, bkz. Şekil 1) uydusunun ana görevi parçacık, plazma, uzay ortamı parametrelerinin ölçülmesidir. ACE, Dünya’dan yaklaşık 1,5 milyon km ve Güneş’ten 148,5 milyon km uzaklıkta bulunan L1 Halo yörüngesindeki konumundan, güneş rüzgarını, gezegenler arası manyetik alanı ve Güneş tarafından hızlandırılan yüksek enerjili parçacıkları, ayrıca helyosferde (yaklaşık yüz astronomik birim (AU) ölçeğine kadar uzanan geniş bir manyetik plazma balonu) ve ötesindeki galaktik bölgelerden Güneş sistemine gelen parçacıkları gözlemektedir.
Şekil 1: Güneş – Dünya L1 Halo yörüngesindeki Advanced Composition Explorer (ACE) uydusu (CALTECH).
ACE uydusundaki Cosmic Ray Isotope Spectrometer (CRIS) ekipmanı yıldızlar ve galaksiler arası ortamda seyahat eden yüksek enerjili ve uzun ömürlü galaktik kozmik ışın izotoplarının ölçümüyle görevlidir. Elemental GCR spektrumununu atom numarası 5 ile 28 arasında olan çekirdekler için kapsayan ve yaklaşık 50 – 500 MeV / nükleon enerji ölçüm aralığına sahip olan ekipmanda CALTECH ve NASA JPL mühendislerinin geliştirdiği Silikon – Lityum dedektör çip bulunmaktadır.
Şekil 2: 2008 – 2026 yılları arasındaki CRIS’te gözlenen toplam parçacık sayısı. Temelde elementlerin oluşma mekanizmasi yıldızların çekirdeklerinde meydana gelen birleşme (füzyon) reaksiyonudur ve yüksek sıcaklık ve basınç altında çekirdekler bir araya gelerek daha büyük elementleri oluşturur. Çift sayılar teklere göre yüksek oranda olmakla birlikte nükleer kararlılık çift sayıda proton (Z) ve nötrona sahip çekirdeklerde daha yüksektir. Bu kararlı elementler yıldızların çekirdeklerinde daha fazla üretilir, bu nedenle C > B, O > N, Ne > F, Mg > Na ve Fe > Mn gibi bir desen oluşmaktadır.
Gezegenler arası manyetik alanın GCR modülasyonu üzerinde etkisi büyüktür, zira GCR’ların yalnızca çekirdekte bulunan (proton ve nötron) parçacıklardan ibaret olduğunu göz önünde bulundurursak, her yüklü parçacığın manyetik alanda etkilenip yön değiştirdiği gibi GCR hareket yönünde sapmalar meydana gelmektedir. Alan şiddeti değiştiğinde gradyan sürükleme, manyetik alan çizgileri eğriyse eğrilik sürüklemesi, ortamda elektrik alan bulunuyorsa E x B sürükleme kuvveti ile hareket yönleri sapar. Manyetik alan çizgileri etrafında dönme hareketi de yapan GCR’lar, manyetik alan homojen olmadığı ve türbülans içerdiği için sürekli saçılmaya ve difüzyon süreçlerine uğramaktadır. Bu etkileşim doğrudan Güneş’in yaşam döngüsü ve iç süreçlerine bağlı olduğu için yaklaşık 11 yıllık (Schwabe) Güneş döngülerine bağlı olarak değişir. Güneş aktivitesini tanımlayıp karakterize ederken bazı gözlemsel parametreler bize aktivitenin durumuyla ilgili bilgiler sunmaktadır. Güneş’in yüzeyinde meydana gelen güneş lekelerinin sayısı (sunspot number –SSN) ve F10.7 cm – 2.8 GHz frekansındaki akı değeri (Solar flux unit – SFU) 11 yıllık Güneş döngüsünün neresinde olduğumuzu net bir şekilde ortaya koymaktadır.
GCR’lar Güneş sistemi içerisindeki seyahatlerinde dört temel süreçten geçmektedir: konveksiyon, difüzyon, adyabatik yavaşlama, manyetik alan gradyanı ve eğriliğinden kaynaklanan sürüklenme. Düşük sayıda SSN düşük manyetik alan, daha az güneş patlaması ve koronal kütle atımı ile daha zayıf güneş rüzgarı durumlarını doğurmaktadır. Güneş aktivitesi minimumken IMF zayıflar, GCR parçacıkları daha az sapmaya ve saçılmaya uğrar. Güneş sisteminde bulunan iç gezegenlerde IMF Güneş aktivitelerine göre daha dinamik şekillendiğinden bu gezegenlerdeki GCR modülasyonu daha şiddetlidir. Aynı zamanda Güneş rüzgarı konveksiyon ve dinamik basınçla da doğrudan ilişkilidir, şiddetli Güneş aktivitesinin olduğıu 2013-2015 (24. Güneş çevrimi maksimumu) dolaylarında şiddetli Güneş rüzgarı güneş sisteminin dinamik basıncını (Pdyn) artırarak GCR’ları sistemin dışına doğru itmektedir. Bu zaman dilimindeki saatlik GCR parçacık yoğunluğu yaklaşık olarak (maksimuma göre) 3 kata kadar azalmaktadır (bkz. Şekil 3).
Şekil 3: 2008 -2026 yılları arası 24. ve 25. Güneş çevrimlerini kapsayan saatlik toplam GCR – SSN arasındaki ilişki görülmektedir. Solar minimum zaman aralığında (2008 – 2010 ve 2019 – 2021 dolayları) ağır iyon akısı artmakta ve toplam saatlik GCR olay sayısı artışı gözlenmektedir.
GCR’lar Dünya’ya ulaştığında manyetosferle yani ikinci bir elektromanyetik filtreyle karşılaşırlar. Manyetik alan düşük enerjili parçacıkları özellikle ekvatoral bölgelerde engellerken, güney ve kuzey kutup bölgelerindeki oyuklardan girişler daha kolaydır. Atmosfere giren yüksek enerjili GCR’lar ise çekirdek çarpışmalarıyla ikincil parçacık yağmurları üretir (cascade) ve atmosferik müonlar, nötronlar ve pionları oluşturur (Yeryüzü’ne ulaşanlar burada ölçülen doğal arkaplan radyasyonunun oluşmasında rol oynar, bkz. https://gokyuzu.org/haber/uzay-arastirmalari/gizemli-bir-nesneden-kozmik-isinlar/). Bu süreç hem yer seviyesindeki radyasyon ortamında değişimlere neden olur hem de kozmik kökenli atmosferik izotopların oluşmasına neden olur (örneğin: cascade sonucunda oluşan nötron atmosferik nitrojen atomuyla birleşince 14N + n -> 14C + p oluşur). Güneş aktivitelerinden kaynaklı olan galaktik kozmik ışınları ve modülasyonun (SSN – GCR ters korelasyonu) yer tabanlı nötron monitörlerinde de belirgin biçimde gözlemekteyiz (bkz:Şekil 4).
Şekil 4: 2008 – 2026 yılları arası gözlenen yer seviyesindeki nötronların gelişimi (University of Oulu).
Tüm bu galaktik ve kozmik parçacık gibi olayların elbette yaşantımız üzerinde de etkileri bulunmakta. Pilot ve uçuş ekiplerinin aldıkları biyolojik radyasyon doz değerlerinin ciddi bir miktarını kozmik ışınlar oluşturmaktadır. Benzer şekilde astronot, kozmonot, gökmen gibi uzayda görevli kişilerin aldıkları radyasyon miktarı (tüm manyetik koruma (bkz. Şekil 5), kalkanlamalara, görev tasarımına ve operasyon yönergelerine rağmen) yüksektir, ve bu radyasyon ciddi sağlık problemlerini tetiklemektedir zira yüksek enerjili parçacıklar (daha ağır çekirdekler) lineer enerji transferi prensibine göre hücre içerisinde yoğun iyonizasyon izleri oluşturur. DNA hasarı, mutasyon ve kanser riski bu nedenle uzay görevlerinde artmaktadır (özellikle Mars’ta intrinsic manyetik alan bulunmadığından risk Dünya’ya göre daha yüksektir).
(Bu arada kuzey enlemleri ve kutup bölgelerinde yaşayan penguenleri de unutmamak gerek, onların da aldıkları radyasyon ekvatora göre daha fazla zira kutup bölgelerinde manyetik koruma daha zayıf.)
Uydularda meydana gelen büyük ölçekli arızalar, görev kritik anomaliler ve hata durumları, ekipmanlarda meydana gelen tekil olaylar (single event effect, upset, latch-up, burnout gibi durumlar) geçici bozulmalara ve kalıcı hasarlara yol açabilmektedir (örn: TELSTAR, TDRS, GOES vb.). Bu nedenle uzay uygulamalarında rad-hard ve rad-tolerant ekipmanların kullanılması pratikte şarttır. Bu nedenle hata tespit ve düzeltme (Error Detection & Correction – EDAC) sistemlerinin bulunduğu EEPROM ve çipler kritik uzay görevlerinde daha yaygın kullanılmaktadır.
Şekil 5: GCR’ların zamana bağlı IMF ile değişimi (NASA JPL, 1982).
Kaynakça
- T. K. Gaisser, Cosmic Rays and Particle Physics. Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, 1990.
- M. S. Potgieter, “Solar modulation of cosmic rays,” Living Rev. Solar Phys., vol. 10, no. 3, 2013.
- Stone, E. C., Frandsen, A. M., Mewaldt, R. A., Christian, E. R., Margolies, D., Ormes, J. F., & Snow, F. (1998). The advanced composition explorer. Space Science Reviews, 86(1), 1-22.
- Zirnstein, E. J., Heerikhuisen, J., McComas, D. J., Pogorelov, N. V., Reisenfeld, D. B., & Szalay, J. R. (2018). Simulation of the solar wind dynamic pressure increase in 2014 and its effect on energetic neutral atom fluxes from the heliosphere. The Astrophysical Journal, 859(2), 104.
- M. Aguilar et al., “Precision measurement of the proton flux in primary cosmic rays from rigidity 1 GV to 1.8 TV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station,” Phys. Rev. Lett., vol. 114, no. 17, 2015.
- J. Adams et al., “CREME96: A revision of the cosmic ray effects on microelectronics code,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 44E, no. 6, pp. 2150–2160, 1997.
- M. Hillas, “The origin of ultra-high-energy cosmic rays,” Annu. Rev. Astron. Astrophys., vol. 22, pp. 425–444, 1984.
- D. V. Reames, “Particle acceleration at the Sun and in the heliosphere,” Space Sci. Rev., vol. 90, pp. 413–491, 1999.
- Tada, H. Y., Carter Jr, J. R., Anspaugh, B. E., & Downing, R. G. (1982). Solar cell radiation handbook (No. NAS 1.26: 169662).
