विश्वकिरण

विश्व किरण : अवकाशातील सर्व दिशांतून जवळजवळ प्रकाशाच्या वेगाने पृथ्वीवर येऊनधडकाणारे इलेक्ट्रॉन व अणुकेंद्रे, मुख्यत:हायड्रोजनाची अणुकेंद्रे, म्हणजे विश्वकिरण होत. अतिशय भेदक असलेल्या या विश्वकिरणांचे दोन स्पष्ट विभाग केले जातात : (1) प्राथमिक किरण, (2) द्वितीयक किरण. पृथ्वीतलावर सूर्यमालेपलीकडून किंवा त्याच्याही पलीकडील अवकाशातून जे किरण सतत मारा करत असतात त्यांना प्राथमिक किरण म्हणतात. प्राथमिक किरण पृथ्वीच्या वातावरणात प्रवेश करून तेथे असणाऱ्या हायड्रोजन, हीलियम इ. अणुकेंद्रांबरोबर ‘आघात’ (म्हणजे परस्परक्रिया) करून अनेक प्रकारचे नवीन वेगवान कण निर्माण करीत असतात. त्यांस द्वितीयक किरण असे म्हणतात. द्वितीयक किरणांचा उगम पृथ्वीच्या वातावरणातच होत असतो आणि ते तेथून भूपृष्ठापर्यंत व भूपृष्ठाच्या खालीही आढळतात.

(१) प्राथमिक किरण कण हे बहुतांशी धन विद्युत् भारित असतात. त्यांमध्ये प्रोटॉन (९१%), आल्फा कण (६.६%), लिथियम, सिलिकॉन, शिसे आदी अणूंची केंद्रे (अंदाजे ०.५-१%) सापडतात. तसेच त्यांमध्ये १.५% इलेक्ट्रॉन पण असतात. या सर्व कणांची ऊर्जा एक मूल्य नसते. त्यांच्या ऊर्जेमध्ये १०- ४–१०-१२ इलेक्ट्रॉन-व्होल्ट (eV) एवढी तफावत आढळते. प्राथमिक किरण स्थिर स्वरूपाचे दिसतात. त्यांचे आपोआप विघटन होऊन दुसऱ्या प्रकारच्या कणांत परिवर्तन होताना आढळत नाही. त्यांची ऊर्जा महाप्रचंड असल्यामुळे पृथ्वीवर आपणास मिळत असणाऱ्या नेहमीच्या (भेदक कण वा किरण बाहेर टाकणाऱ्या किरणोत्सर्गी पदार्थांपासून मिळणाऱ्या) आल्फा, बीटा, गॅमा किरणांपेक्षा विश्वकिरणांची भेदनक्षमता खूपच अधिक असते. त्यांच्यातील म्यू-मेसॉन कण [⟶ मूलकण] पृथ्वीपृष्ठभागावरील काही किमी. जाडीच्या वातावरणाच्या थराचा भेद करून, पृथ्वीमध्ये अगदी खोलपर्यंत टिकून राहताना दिसतात. पृथ्वीच्या वातावरणाच्या सीमेवर कोणत्याही भागात पडणारी प्राथमिक किरण कणांची संख्या सर्व दिशातून ढोबळपणे एकसारखीच असते, असे आढळते परंतु भूपृष्ठपर्यंत पोहोचणाऱ्या किरणांच्या संख्येत मात्र अक्षांश परिणामामुळे बदल होतो.

प्राथमिक किरण कण वातावरणातील अणूंशी परस्परक्रिया करून निर्माण होणाऱ्या द्वितीयक किरणांत मुख्यत: प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, पायॉन व म्यू-मेसॉन, इतर अनेक प्रकारचे मेसॉन, पॉझिट्रॉन, इलेक्ट्रॉन, गॅमा किरण, सिग्मा, लँब्डा इ. हायपेरॉन असे विविध प्रकारचे कण निर्माण होत असताना आढळतात. यांपैकी अनेक ⇨ मूलकण माणसाला पूर्वी माहीत नव्हते. द्वितीयक कणांपैकी अनेक कण अस्थिर स्वरूपाचे असून त्यांमध्ये उत्स्फूर्तपणे विघटन होऊन आणखी नवीन अधिक कण निर्माण होताना दिसतात (आ.४). या द्वितीयक कणांची ऊर्जा महाप्रचंड असल्यामुळे त्यांची भेदनक्षमता आश्चर्यजनक अशीच वाटते अशा प्रचंड ऊर्जेचे कण माणूस अजून तरी उपकरणांद्वारे प्रयोगशाळेत निर्माण करू शकलेला नाही. बहुसंख्य द्वितीयक किरण विद्युत् भारित असतात.

यांपैकी काही किरण पृथ्वीवरील जलाशयातील खोल पाण्याच्या जाड स्तंभाचा सहज भेद करून पृथ्वीतलाच्याही खाली खोलपर्यंत जात असावे असे दिसते. सर्व माणसांच्या शरीरातून, पृथ्वीतलावरील सर्व इमारतींमधून, समुद्राच्या पाण्यामधूनही खालील दिशेत असा या किरणांचा आरपार प्रवास सतत चालूच असतो असे काही वैज्ञानिकांचे मत आहे. यामुळे ते सजीवसृष्टीतील जनुकांमध्ये [आनुवंशिक लक्षणे एका पिढीतून पुढील पिढीत नेणाऱ्या घटकांमध्ये जीन] बदल घडवून आणण्याची शक्यताही नाकारता येणार नाही.

विश्वकिरणाच्या अभ्यासामध्ये पुढील कारणांमुळे वैज्ञानिकांना विलक्षण कुतूहल वाटते : (१) प्रयोगशाळांतून वैज्ञानिक अजून तरी महाप्रचंड गतिज ऊर्जा असणारे असे कण निर्माण करू शकत नाहीत (कणासाठी काही अब्ज इलेक्ट्रॉन-व्होल्ट ऊर्जा ही आजच्या मानवी क्षमतेवरील मर्यादा आहे). त्यामुळे अतिउच्च ऊर्जा कणांद्वारे होणाऱ्याअणुकेंद्रीय बिक्रियांचा अभ्यास करण्यासाठी विश्वकिरणांशिवाय दुसरा पर्याय उपलब्ध नाही. (२) सूर्यकुलाच्या पलीकडील अवकाशातूनही हे किरण कण येत असल्यामुळे तेथील द्रव्यकणांचे प्रत्यक्ष नमुने उपलब्ध होत असतात. हे द्रव्यकण नमुने आणि प्रयोगशाळेत वापरात असलेले याच प्रकारचे द्रव्यकण यांमध्ये काही फरक आढळत नाही. त्यामुळे सर्व विश्वात एकाच प्रकारचे जड द्रव्य असावे, असे अनुमान करता येते. (३) विश्वनिर्मिती कशी झाली असावी, याबद्दलचे वैचारिक दुवे विश्वकिरणांच्या अभ्यासातूनच मिळणार आहेत. असा वैज्ञानिकांचा विश्‍वास आहे. (४) बहुसंख्य विश्वकिरण कण विद्युत् भारित असतात. ते आपल्या उगमस्थानापासून पृथ्वीतलापर्यंत पोहोचण्यापूर्वी त्यांना त्यांच्या मार्गावर अनेक चुंबकीय क्षेत्र प्रदेशांतून जावे लागते. त्यामुळे त्यांचे गतिमार्ग विचलित होत असतात पण या विचलनांवरूनच त्यांच्या गतिमार्गावरील निरनिराळया ठिकाणी असणाऱ्या चुंबकीय क्षेत्रांबद्दल खूप महत्त्वाची माहिती मिळू शकते. (५) अवकाशात काही ठिकाणी विरल वायुकणांचे समूह असतात. त्यांच्याबरोबर विश्वकिरणांची परस्परक्रिया होऊन विशिष्ट कंप्रतेचे गॅमा किरण उत्सर्जित होत असतात (दर सेकंदास होणाऱ्या कंपनांच्या-आवर्तनांच्या-संख्येला कंप्रता म्हणतात). त्यापैकी काही पृथ्वीतलावर येत असतात. त्यांचा अभ्यास करून कोणत्या अवकाश प्रदेशात कोणते अणुकण किती प्रमाणात आहेत? याविषयी तपशीलवार माहिती मिळू शकते. (६) निसर्गात अशा प्रचंड ऊर्जेच्या कणांच्या निर्मितीसाठी कोणत्या पद्धती वापरल्या जातात यांविषयी पण मानवी अत्यंत कुतूहलपूर्ण जिज्ञासा दिसते.

आरंभीचा इतिहास : एखादा विद्युत् दर्शक अत्यंत काळजीपूर्वक निरोधित करून पूर्णपणे निर्वात केला, तरीही त्यावरील विद्युत् भार हळूहळू कमी होत जातो, ही गोष्ट पूर्वीपासून माहीत होती. याबाबतीत सर्वमान्य कल्पना अशी होती की, पृथ्वीमधील व पृथ्वीच्या वातावरणामधील किरणोत्सर्गी द्रव्यांमुळे हवेत आयनीभवन (विद्युत् भारित अणू, रेणू किंवा अणुगट म्हणजे आयन व ते निर्माण होण्याची क्रिया म्हणजे आयनीभवन होय) होऊन आयन निर्माण होत असावेत व या आयनांमुळे विद्युत् दर्शकावरील विद्युत् भाराचे विसर्जन होत असावे. या समजुतीने ⇨ व्हिक्टर फ्रांट्स हेस या जर्मन शास्त्रज्ञांनी १९१२मध्ये आपले प्रयोग केले. बलूनच्या साहाय्याने त्यांनी सु. ५६७मी. उंचींपर्यंतच्या वेगवेगळया उंचीवरील आयनीभवनाचे मापन केले. त्यावरून दिसून आले की, वाढत्या उंचीबरोबर आयनीभवन झपाट्याने वाढत जात असते, म्हणजे या आयनीभवनाचे मूळ पृथ्वीमध्ये नसून पृथ्वीच्या बाहेर कोठे तरी असले पाहिजे, असा निष्कर्ष काढता येतो. त्यानंतर या किरणांसंबंधी विशेष महत्त्वाचे प्रयोग १९२२-२७मध्ये ⇨ रॉबर्ट मिलिकन व त्यांचे सहकारी यांनी केले. विद्युत् दर्शक खूप उंचीवर उडवून नेऊन हे किरण पृथ्वीतलाच्या खूप दूर अंतरावरून येत असावेत, या निष्कर्षास पुष्टी देणारा आणखी पुरावा मिळविला. तलावात खूप खोलपर्यंत हे उपकरण नेऊन त्याच्या प्रचंड भेदकक्षमतेविषयीचा पुरावाही त्यांनी मिळवला.

स्वयंचलित उपकरणांनी युक्त अशी रॉकेट, बलून व कृत्रिम उपग्रह यांच्या साहाय्याने विश्वकिरणांचा अभ्यास करण्यात आला आहे. जेम्स ए. व्हॅन ॲलन व त्यांच्यासहकाऱ्यांना १९५८मध्ये पृथ्वीपासून ६००किमी. ते ७ L(L म्हणजे पृथ्वीची त्रिज्या =६,३७१किमी.) यामधील पट्ट्यात उच्च ऊर्जेच्या विद्युत्भारित कणांनी व्यापलेल्या थरांचा शोध लागला. यांना ‘व्हॅन ॲलन: प्रारण पट्ट’ (थर) असे नाव देण्यात आले आहे [ प्रारण पट्ट]. विश्वकिरण कण पृथ्वीकडे येताना भूचुंबकीय क्षेत्रात पकडले जाऊन स्थानबंधित झाल्याने हे पट्ट बनतात, हे आता सिद्ध झाले आहे. या पट्टांमध्ये जास्त करून इलेक्ट्रॉन व प्रोटॉन असून त्याच्या ऊर्जेचा पल्ला ०.४ MeV पासून १५ MeV पर्यंत असू शकतो, असे आढळले आहे.  [MeV = मेगॅ (१०-६) इलेक्ट्रॉन-व्होल्ट].

 विश्वकिरणांचे अभिज्ञान व मापनाची साधने : विश्वकिरणांचे मापन साधनांच्या साहाय्याने केले जाते. या साधनांतील अभिज्ञातक (ओळख पटविण्याची साधने) गतिशील विद्युत् भाराला संवेदनक्षम असतात. आपाती किरणांचा प्रकार, त्यांची ऊर्जा आणि काही बाबतींत त्यांची आगमान वेळ व दिशा यांबद्दलची माहिती या साधनांद्वारे मिळते. न्यूट्रॉन, गॅमा किरण, फोटॉन, न्यूट्रिनो इ. निर्विद्युत् कणांचे अभिज्ञान (ओळख) होण्यासाठी या कणांचा स्थिर लक्ष्यावर आघात होऊ देऊन त्यातून निर्माण होणाऱ्या गतिशील विद्युत भारित कणांचे अभिज्ञान करतात.

विश्वकिरणांची ऊर्जा इलेक्ट्रॉन-व्हेल्टमध्ये मोजतात. इलेक्ट्रॉनाला १व्होल्ट विद्युत् वर्चसाने निर्वातात प्रवेगित केल्यावर त्याला जितकी ऊर्जा मिळते, तिला १इलेक्ट्रॉन-व्हेल्ट ऊर्जा म्हणतात. जूलमध्ये १इलेक्ट्रॉन-व्होल्ट १ eV १.६ X १०-१९जूल होय. विश्वकिरणांमध्ये जसे प्रोटॉनासारखे मूलकण असतात, तसे मूलकणांचे समूह (न्यूक्लिआ) देखील असतात. मूलकणांची ऊर्जा इलेक्ट्रॉन-व्हेल्टमध्ये देतात, तर मूलकणसमूहांची इलेक्ट्रॉन-व्हेल्ट प्रति-न्यूक्लिऑनमध्ये देतात (न्यूक्लिऑन म्हणजे प्रोटॉन किंवा न्यूट्रॉन).

विश्वकिरणांच्या अभ्यासात उपयुक्त अशी साधने व उपकरणे पुढे दिली आहेत : (१) गायगर-म्यूलर गणित्र, (२) विल्सन बाष्प कोठी, (३) आयनीकरण कोठी, (४) अणुकेंद्रीय छायाचित्रीय पायस, (५) चमचमकारक गणित्र, (६) बुद्‌बुद् कोठी, (७) विद्युत् दर्शक, (८) अर्धसंवाहक, (९) स्फुल्लिगं गणित्र, (१०) एककालिक गणित्र, (११) चेरेनकॉव्ह गणित्र. या सर्व साधनांचे कार्य विश्वकिरणांमुळे होणाऱ्या आयनीभवनाच्या मापनावर अवलंबून असते. कणाची नेमकी ओळख होण्यासाठी, त्याच्या ऊर्जेविषयी अंदाज येण्यासाठी आयनीभवनाचे वरील उपकरणांद्वारे मापन पुरेसे होत नाही. यासाठी वेगवान कणांची इतर रेणू/अणूंबरोबर मापन परस्परक्रिया झाली असता त्याची ऊर्जा मंदनाची (ऱ्हासाची) त्वरा किती असते? या कणाचा पल्ला किती असतो? याचे मापन इतर साधनांद्वारे करण्यात येते. यांशिवाय प्रबल चुंबकीय क्षेत्रातील किरणांच्या विचलनाचे मापन करतात. त्यावरून कणाविषयी तपशीलवार माहिती उपलब्ध होते.

विश्वकिरण स्त्रोत : सर्व दिशांतून होणाऱ्या विश्वकिरणांच्या भडिमाराची प्रखरता (तीव्रता) स्त्रोतामध्ये व्यक्त करतात. अभिज्ञापित विश्वकिरणांच्या प्रतिसेकंदातील सरासरी संख्येला अभिज्ञातकाच्या प्रभावी क्षेत्रफळाने भागून येणाऱ्या संख्येला विश्वकिरणांचा स्त्रोत असे नाव आहे. प्रभावी क्षेत्रफळामध्ये संवेदनक्षम क्षेत्रफळाबरोबर साधनाच्या ग्रहण कोनाचाही विचार केला जातो. अवकाशातील पृथ्वीसमीप (वातावरणबाह्य) भागात विश्वकिरणांचा एकूण स्त्रोत ०.३न्यूक्लिआ / सेंमी.२से. स्टरेडियन (रेडियन घनकोन) इतका मोजण्यात आला आहे. याचा अर्थ समजण्यासाठी चंद्राच्या सपाट पृष्ठभागावर एक रूपयाचे नाणे ठेवले आहे अशी कल्पना केल्यास त्यावर दर सेकंदास साधारणपणे ०.३ X ४.५ X ३.१४ = ४.२विश्वकिरणांचा मारा होताना दिसेल.

विश्वकिरणांचा ऊर्जावर्णपट : विश्वकिरणांचा स्त्रोत ऊर्जेच्या ⇨ फलनाप्रमाणे बदलतो. या फलनाला ऊर्जावर्णपट असे नाव आहे. या वर्णपटात वाढत्या ऊर्जामूल्याकडे स्त्रोतमूल्य कमी होताना दिसते (आ. १). ऊर्जावर्णपट सर्व किरणांचा मिळून अगर विश्वकिरणातील विशिष्ट कणांचा अगर कणसमूहांचा असू शकतो. विश्वकिरणांमध्ये ऊर्जेचे वितरण अखंड स्वरूपात झालेले आढळत असल्यान विशिष्टऊर्जामूल्यासाठी स्त्रोत निर्दिष्ठ करणे फारसे अर्थपूर्ण नसते. त्याऐवजी समाकल वर्णपटाचा उपयोग करून विशिष्ट ऊर्जामूल्याहून जास्त ऊर्जा असणाऱ्या सर्व किरणांचा एकूण स्त्रोत कणांची संख्या /मी.२से. स्टरेडियन यामध्ये दिला जातो किंवा अवकल वर्णपट वापरून विशिष्ट गतिज-ऊर्जा, (MeVइंग्रजी) /न्यूक्लिऑन ऊर्जामूल्यापासून ठराविक ऊर्जा अंतरालातील किरणांचा स्त्रोत कणांची संख्या/मी.२से. स्टरेडियन असा दिला जातो.

 अक्षांश परिणाम : विश्वकिरणांची तीव्रता विषुववृत्तावर सर्वात कमी असून दोन्ही ध्रुवांवर ती जास्त आहे. अक्षांश वाढतात त्याप्रमाणे तीव्रता वाढते (आ.२). याला विश्वकिरणांचा अक्षांश परिणाम असे नाव आहे. विषुववृत्तालगतच्या भागात भूपृष्ठावर पोहोचण्यासाठी विश्वकिरणांची आपाती दिशा भूचुंबकीय क्षेत्ररेषेशी लुंबरूप असावी लागते परंतु विद्युत् भारित विश्वकिरण व भूचुंबकीय क्षेत्र यांच्यातीन परस्परक्रिया या दिशेमध्ये पूर्ण बलवान असल्यामुळे विश्वकिरणांचे या दिशेपासून विचलन होते. फक्त उच्च ऊर्जा असणारे फारच थोडे किरण फारसे विचलित न होता विषुववृत्तालगत भूपृष्ठावर पोहोचू शकतात. याउलट ध्रुवीय प्रदेशात भूपृष्ठावर पोहोचण्यासाठी विश्वकिरणांची आपाती दिशा त्या भागातील भूचुंबकीय क्षेत्ररेषेला समांतर असावी लागते व या दिशेत परस्परक्रिया शून्य असल्याने विश्वकिरणांच्या गतीला प्रतिबंध न होता ते पूर्ण संख्येने ध्रुवीय प्रदेशांत भूपृष्ठापर्यंत पोहोचू शकतात. त्यामुळे त्यांची तीव्रता जास्त असते. यावरून असे अनुमान काढता येते की, बहुतांश प्राथमिक विश्वकिरणविद्युत् भारित स्त्रोत असले पाहिजेत व त्यांच्यावर पृथ्वीच्या चुंबकीय क्षेत्राच्या होणाऱ्या परिणामामुळे त्यांच्या तीव्रतेमधील बदल घडून येत असले पाहिजेत.

⇨व्हाल्टर व्हिल्हेल्म गेओर्ख फ्रांट्स बोटे डब्ल्यू. कोलहॉर्स्टर व ब्रुनो रोसी यांनी केलेल्या प्रयोगांवरून दिसून आले की, समुद्रसपाटीवर येऊन पोहोचणाऱ्या विश्वकिरणांचा सु.४५टक्के भाग इतका तीव्र भेदक असतो की, १.२५मी. जाडीच्या शिशाच्या पत्र्यातूनही तो आरपार जाऊ शकतो. त्यावरून त्यांची ऊर्जा १० GeV [GeV = गिगॅ (१०९)  इलेक्ट्रॉन-व्होल्ट ] ठतकी प्रचंड असली पाहिजे. त्यांचा वेग प्रकाशवेगाच्या जवळपासच्या मूल्याचा असला पाहिजे, असे अनुमान करता येते.

 अकरा वर्षांचे आवर्तन आणि सौर विरूपण : सूर्यावरील डागांची संख्या एकसारखी बदलत असून ११वर्षांनी त्यांची पुनरावृत्ती होत असते. त्याचप्रमाणे विश्वकिरणांच्या तीव्रतेतही स्थूलमानाने ११वर्षांनी पुनरावृत्त होणारे फेरफार दिसून येतात. या सर्व आविष्कारावरून विश्वकिरणांच्या तीव्रतेचा सूर्याशी काही तरी संबंध असला पाहिजे, असे अनुमान करता येते.

सौरक्रिया उच्च असताना आणि सौर डागांची संख्या जास्त असणाऱ्या वर्षी विश्वकिरणांची तीव्रता कमी असते. (आ.२), असे एस्. फोरबुश यांना १९७३मध्ये आढळले. भूपृष्ठावरून आणि अवकाशयानामधील साधनांद्वारा विस्तृत निरीक्षण केल्यावर या परिणामाचे स्वरूप बरेचसे स्पष्ट झाले, यांवरून असे दिसते की, सौरवाताच्या [ सूर्याकडून सतत येणाऱ्या आयनीभूत हायड्रोजन व हीलियमयुक्त वायूच्या प्रवाहाच्या  सूर्य ] स्थितीशी निगडित असा हा परिणाम आहे.

सौर किरीटातून बाहेर पडणारा सौरवांत सूर्यापासून अरीय (त्रिज्यीय) दिशेने दूर जात असतो. विद्युत् संवहन उच्च असल्याने सौरवातामध्ये सूर्याच्या चुंबकीय क्षेत्राचा थोडा भाग स्थानबद्ध होऊन तोही सौरवाताबरोबर प्रवास करीत असतो, सौरक्रिया उच्च आणि सौरडागांची संख्या खूप जास्त असताना सौरवातात क्षुब्धता निर्माण होऊन त्यातील चुंबकीय क्षेत्रात हेलकावे निर्माण होतात. असा सौरवात सूर्यापासून दूर जात असताना मार्गातील विश्वकिरणांना उडवून लावतो किंवा दूर ढकलतो. त्यामुळे विश्वकिरणांच्या तीव्रतेत घट होते भूचुंबकीय अक्षांश अशा परिस्थितीत जे आंतरतारकीय विश्वकिरण पृथ्वीकडे येतात, त्यांना सौरवातातून बाहेर पडण्यासाठी खूप मोठी ऊर्जा खर्च करावी लागते. त्यामुळे अशा वेळी पृथ्वीवर पोहोचलेल्या १० MeV/न्यूक्लिऑन ऊर्जा असलेल्या प्राथमिक किरणांची मूळ ऊर्जा शेकडो पट जास्त असलीपाहिजे, असे अनुमान निघते. म्हणजेच १००-२०० MeV/ न्यूक्लिऑन मूळ ऊर्जा असणारे प्राथमिक विश्वकिरण पृथ्वीवर पोहोचू शकत नसले पाहिजेत.

सौरक्रिया आणि सौर डागांमध्ये ११वर्षांनी होणारा बदल सोडल्यास सौरवातात अल्पमुदतीत होणाऱ्या बदलांशी निगडित विश्वकिरणांत होणारे आणखीही काही बदल आहेत की, जे जास्त करून कमी ऊर्जा असणाऱ्या प्राथमिक किरणांच्या तीव्रतेत दिसून येतात. मोठया सौर तेज:शिखेच्या वेळी सूर्यावर होणाऱ्या अचानक उद्रेकामुळे आकाशातील ५० GeV पर्यंत ऊर्जा असणाऱ्या विश्वकिरणांची तीव्रता मूलद्रव्याच्या अणुकेंद्राची विद्युत् भार संख्या

  कमी होते. उद्रेक तरंगातील चुंबकीय क्षेत्र मार्गातील विश्वकिरण उडवून लावत असल्याने त्यांची तीव्रता कमी होते. हा परिणाम ‘फोरबुश घट’ म्हणून ओळखला जातो. या परिणामान्वये प्राथमिक विश्वकिरणांचीतीव्रता सर्व जगभर अनियमितपणे खूप कमी झालेली (२०%: घट) आढळते. परिस्थिती पूर्ववत होण्यासाठी काही दिवस अगर आठवड्यांचा काल लागतो. पुष्कळ वेळी (अगदी नेहमी नाही) फोरबुश घट आणि सौर चुंबकीय वादळे जोडीने होताना आढळतात.

या सर्व परिणामांची समाधानकारक उपपत्ती देणे अद्याप शक्य झाले नाही. तरीही त्यावरून दोन निष्कर्ष काढता येतात. एक म्हणजे पृथ्वीकडे येणाऱ्या विश्वकिरणांचा फक्त काही भाग सूर्यापासून येत असावा, तर बाकीच्या भागाचा उगम सूर्यकुलाच्या बाहेर कोठे तरी असावा. दुसरी गोष्ट म्हणजे या सूर्यकुलाबाहेरून येणाऱ्या विश्वकिरणांवर सुद्धा सूर्याच्या चुंबकीय क्षेत्राचा परिणाम झाल्यामुळे विश्वकिरणांच्या तीव्रतेत कालानुवर्ती फेरबदल घडून येत असावेत  [⟶ सूर्यसूर्यकुल ].

विश्वकिरणांतील अणुकेंद्रांचे वैपुल्य : ही माहिती मिळविण्यासाठी खास अणुकेंद्रीय छायाचित्रीय पायस वापरण्यात आले. हे फोटोपायस बलूनमधून खूप उंचीवर नेण्यात येते. विश्वकिरणातील अणुकेंद्रांमुळे या पायसावर रेषा उमटतात व त्या रेषांच्या स्वरूपावरून त्या त्या अणुकेंद्राचा अणुक्रमांक (अणुकेंद्रातील प्रोटॉनांची संख्या) व ऊर्जा यांचा अंदाज बांधता येतो. आ.३मध्ये अखंड रेषांनी विश्वकिरणांमधील वेगवेगळ्या अणूंच्या वैपुल्याचा आलेख काढला असून तुटक रेषांनी त्याच अणूंचे एकूण विश्वातील वैपुल्य दाखविले आहे. या आलेखावरून पुढील गोष्टी स्पष्ट होतात : (१) वेगवेगळया मूलद्रव्यांची विश्वातील आणि विश्वकिरणांमधील वैपुल्ये सामान्यपणे एकमेकांशी बऱ्याच प्रमाणात मिळतीजुळती अशीच आहेत. (२) लिथियम, बेरिलियम, बोरॉन या ३ते ५अणुक्रमांकांच्या मूलद्रव्यांचे विश्वकिरणांतील प्रमाण विश्वातल्यापेक्षा खूप अधिक आढळते. (३) त्याचप्रमाणे स्कँडियम, मँगॅनीज आणि विषभ विद्युत् भारित जड अणूंचे विश्वकिरणांतील वैपुल्य विश्वातल्या तुलनेत खूप अधिक आहे. हे असे आढळण्याचे साधे कारण म्हणजे विश्वकिरणांच्या आकाशगंगेतील प्रवासात जड अणुकेंद्रे व आंतरतारकीय वायूंचे अणू यांच्यातील प्रत्याघातात जड अणुकेंद्राच्या विखंडनातून कमी द्रव्यमानाच्या मूलद्रव्यांची निर्मिती होणे हे होय. विश्वकिरणांच्या उत्पत्तीच्या प्रश्नाचा विचार करण्याच्या दृष्टीने या गोष्टी महत्त्वाच्या आहेत.

प्राथमिक विश्वकिरण कण आणि वायुकण यांमधील विक्रिया : जेव्हा वेगवान प्राथमिक किरण कण वातावरणातील वायुकणांतून प्रवास करू लागतो, तेव्हा त्याची ऊर्जा त्वरित कमी होत जाते आणि त्यांची गती मंद होत जाते. या प्रक्रियेत +, -, 0 या पायॉनांची निर्मिती होत असते. वेगवान इलेक्ट्रॉन धातू पटलावर आदळून गतिमंदन प्रक्रियेद्वारे क्ष-किरणाचे उत्सर्जन घडवून आणू शकतात त्याच प्रकारची (ब्रेम्सस्ट्राहलुंग) ही क्रिया असते. आपाती किरण कणांच्या ऊर्जेनुसार उत्सर्जित पायॉनाची संख्या ०-३०या दरम्यान कोणतीही असू शकते. प्राथमिक विश्वकिरण कण आणि वायुकण यांच्या आघातांमुळे वायुकणातून प्रोटॉन, न्यूट्रॉन हे अणुकेंद्रीय कण धक्का देऊन बाहेर काढले जाण्याची शक्यता खूप असते. प्राथमिक कणाची ऊर्जा खूपजास्त असेल, तर या कणाऐवजी ड्यूटेरॉन (एक प्रोटॉन व एक न्यूट्रॉन असलेले ड्यूटेरियमाचे अणुकेंद्र) आणि त्यापेक्षाही अधिक द्रव्यमानाचे घटक बाहेर काढले जाणे पण शक्य असते. या द्वितीयक कणांजवळ परत खूप ऊर्जा येत असल्यामुळे ते प्राथमिक कणांप्रमाणेच वायुकणाबरोबर आघात करून विविध प्रकारच्या अणुकेंद्रीय विक्रिया घडवून आणू शकतात. अशा प्रकारच्या घटनांचा तपशील आ. ४मध्ये दिला आहे. साधारणपणे ३०० MeV पेक्षा जास्त ऊर्जेचा

प्राथमिक किरण कण आणि वायुकण यांमधील आघाताद्वारे काही वेळा विस्फोटी विक्रिया पूर्ण होऊन त्यामधून एकाच वेळी खूप घटक कण (= १०-१५)  एकदम बाहेर पडताना आढळतात (चित्रपत्र पहा). या आविष्काराला ‘ताराकार’ म्हणतात.  

एकंदर प्राथमिक किरण कणाच्या ऊर्जेचा व्यय सरासरीने ४८%  विद्युत् भारित पायॉन निर्मितीत, २५%  विद्युत् भारविरहित पायॉन निर्मितीत, ७%  अणुकेंद्रीय विक्रियेत तर २०%  ताराकर विक्रियेत होत असताना दिसतो. द्वितीयक किरणांतील अणुकेंद्रीय घटकांची निर्मिती साधारणपणे कमी ऊर्जेच्या (५ GeV) प्राथमिक किरणांमुळे होते. उच्च ऊर्जेचे प्राथमिक किरण आपल्या ऊर्जेचा बराचसा भाग मेसॉन निर्मितीसाठी वापरतात.

पायॉन संबंधित परस्परक्रिया : निर्विद्युत् n0 मेसॉन क्षणार्धात (९ x १०-१७सेकंदात) दोन गॅमा किरण फोटॉनमध्ये (प्रकाशकणामध्ये) ऱ्हास पावतात. ही ऱ्हार्‍हासक्रिया इतकी त्वरित होते की,n0 मेसॉन प्रत्यक्षपणे दिसू शकत नाहीत. गॅमा किरणांजवळ खूप ऊर्जा असल्यामुळे प्रत्येक गॅमा फोटॉनमधून इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन जोडी निर्माण होते परंतु अशा प्रकारे अस्तित्वात आलेल्या इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉनजवळ भरपूर ऊर्जा असल्यामुळे ते गतिमंदन ब्रेम्सस्ट्राहलुंग क्रियेद्वारे आणखी, पण कमी ऊर्जेचे गॅमा किरण निर्माण करतात. या गॅमा किरणांद्वारे परत इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन जोडीची निर्मिती होणे शक्य असते. अशा प्रकारेइलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन जोडीनिर्मितीव गॅमा किरणनिर्मिती या विक्रिया परत परत होत जातात या प्रपातमाला शेवटी पृथ्वीतलापर्यत येईपर्यंत खूप संख्येच्या इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन, गॅमा फोटॉन कणांचा वर्षाव होतो (आ.४). विश्वकिरणाचा पृथ्वीतलावर येणारा कमी भेदक घटक वरील तीन प्रकारच्या कणांपासून झालेला असतो. वरील वर्षाव निर्मितीची गणितीय उपपत्ती ⇨ होमी जहांगीर भाभा आणि डब्ल्यू. हाइटलर यांनी प्रथम दिली होती.

प्राथमिक कणाद्वारे निर्माण झालेल्या + या पायॉनाचे परिवर्तन म्यू-मेसॉन आणि न्यूट्रिनो प्रकारच्या कणांत होताना आढळते. पायॉन कण अल्पजीवी असतात.

म्यू-मेसॉन अथवा म्यूऑन हे द्रव्यकणाशी अगदी कमी परस्परक्रिया करत असतात. त्याचप्रमाणे जडपणामुळे (इलेक्ट्रॉनाच्या २०७पट वजन) ब्रेम्सस्ट्राहलुंग क्रिया होऊ शकत नाही. त्यामुळे म्यूऑन घटकाची भेदनक्षमता फार मोठी असते. पृथ्वीवर पोहोचणाऱ्या विश्वकिरणातील सर्वात भेदक विभाग म्यूऑन कणांचा बनलेला असतो. म्यूऑन कणांचे शेवटी इलेक्ट्रॉन (अगर पॉझिट्रॉन) आणि दोन न्यूट्रिनो या कणांत उत्स्फूर्तपणे रूपांतर होत असते.

विश्वकिरणांमुळे मिळणाऱ्या अणुकेंद्रीय विक्रिया : विश्वकिरण आणि वायुकण यांमधील अणुकेंद्रीय विक्रिया दोन प्रकारच्या असतात. मोठी ऊर्जा असणाऱ्या प्राथमिक विश्वकिरण कणांची हवेतील वायुकणाच्या एखाद्या अणुकेंद्राशी जेव्हा टक्कर होते, तेव्हा ते अणुकेंद्र व प्राथमिक कण या दोघांचीही शकले होऊन अनेक प्रकारचे कण निर्माण होतात. पण येणारा मूलकण प्रोटॉन असेल, तर फक्त अणुकेंद्राचीच शकले होतात. त्यातील सर्वात सोपी विक्रिया म्हणजे त्या दोहोतील एक वा अधिक न्यूक्लिऑन बाहेर फेकले जाणे ही होय. केव्हा केव्हा प्राथमिक प्रोटॉनाची ऊर्जा कमी असते असा प्रोटॉन हवेतील एखाद्या अणुकेंद्रात नुसताच अडकला जातो, नंतर थोडया अवधीने त्या अणुकेंद्रातून काही न्यूक्लिऑन बाहेर पडतात. या दोन्ही विक्रियांची निष्पत्ती द्वितीयक प्रोटॉन (किंवा न्यूट्रॉन) निर्माण होण्यात होत असते.

अशा तऱ्हेने निर्माण होणारे द्वितीयक प्रोटॉन हवेतून पुढे जात असता हवेचे आयनीभवन करतात व त्यामध्ये त्यांच्या ऊर्जेचा एकसारखा व्यय होत राहतो परंतु त्यांची ऊर्जा पुरेशी जास्त असेल, तर प्राथमिक प्रोटॉन ज्या तऱ्हेच्या विक्रिया घडवून आणू शकतात त्या सर्व द्वितीयक प्रोटॉनही घडवू शकतात व या घटनांत परत त्यांच्या ऊर्जेचा व्यय होत जातो. अशा तऱ्हेने ऊर्जेचा व्यय होत होत शेवटी त्या प्रोटॉनाचा वेग इतका कमी होतो की, हवेतील एखादा इलेक्ट्रॉन त्याला चिकटतो व त्याचे रूपांतर हायड्रोजन अणूतहोते. हवेतील न्यूट्रॉनांच्या ऊर्जेचाही ऱ्हास होत असतो पण प्रोटॉनांच्या तुलनेत तो कमी असतो. त्यामुळे जसजसे प्रोटॉन लुप्त होऊ लागतात, तसतसे न्यूट्रॉनांचे प्रमाण वाढत जाऊन ३,५००मी. उंचीवर ते ४:१होते व आणखी कमी उंचीवर शेवटी फक्त न्यूट्रॉन उरतात. त्यांच्याही ऊर्जेचा व्यय होत राहून शेवटी त्यांचे रूपांतर ऊष्मीय न्यूट्रॉनांत (ऊर्जा फक्त ०.०२५ eV) होते. वेग पुरेसा कमी झालेल्या न्यूट्रॉनांची नायट्रोजन अणूशी विक्रिया होऊन C१४ [   किरणोत्सर्गी कार्बन-१४] तयार होतो.

N 14 +on1 —–6C14 +1p1

हा कार्बन वनस्पती इतर कार्बन अणूप्रमाणेच शोषून घेतात. हा कार्बन किरणोत्सर्गी असल्यामुळे तो उत्स्फूर्तपणे विघटन आणि संक्रमण होण्याचे कार्य सुरू करतो. ही विघटने एका ठराविक कालगतीने होत असतात. त्यामुळे वाळलेल्या वनस्पतीच्या अंतरंगातील C१४च्या प्रमाणेच मापन करून वनस्पतीच्या वयाविषयी अचूक अंदाज करता येतो.   [किरणोत्सर्गी कार्बन कालनिर्णय पद्धति ].

मूळ अणुकेंद्रीय विक्रियेत जर प्रतिप्रोटॉन निर्माण झाला, तर त्याची हवेतील प्रोटॉन या प्रतिकणाबरोबरच परस्परक्रिया होऊन दोन्ही प्रोटॉन-प्रतिप्रोटॉन कणांचा विनाश होऊन त्यापासून तीन प्रकारचे पायॉन निर्माण होताना आढळतात.

द्वितीयक अणुकेंद्रीय घटकांची (प्रोटॉन, प्रतिप्रोटॉन, न्यूट्रॉन इ.) वायुकणांशी परस्परक्रिया होऊन, K-मेसॉन, तर लँब्‌डा (), सिग्मा (), खाय (=) सारख्या प्रोटॉनांपेक्षा जास्त द्रव्यमानाच्या हायपेरॉन गटातील कणांची निर्मिती होताना आढळते [ मूलकण ]. K- मेसॉन आणि हायपेरॉन प्रकारचे कण हे अनपेक्षित होते. त्यांचे द्रव्यकण अणुरचनेत काय स्थान आहे हे माहीत नाही, त्यामुळे त्यांस विचित्र मूलकण अशी संज्ञा दिली जात असते. त्याचे गुंणधर्मही थोड्याफार प्रमाणात विचित्र असेच आहेत उदा., ते सर्व अल्पजीवी आहेत पण त्यांचे आयुर्मान अपेक्षेपेक्षा खूप जास्त आहे, असे आढळते.

विश्वकिरणांचा उगम : विश्वकिरणांपैकी फारच थोड्या भागाचा उगम सूर्यापासून होतो. बाकीचा सर्व भाग सूर्यकुलाच्याही बाहेरून येत असला पाहिजे, असे पुराव्यांवरून अनुमान करता येते. विश्वकिरणांमध्ये आढळून येणाऱ्या जड अणुकेंद्रांचे वैपुल्य असे दर्शविते की, ही अणुकेंद्रे फार दूरवरून म्हणजे अगदी दूरच्या दीर्घिकांपासून (तारामंडलांपासून) येत नसावीत (सर्वात जवळची देवयानी दीर्घिका सूर्यकुलापासून २०लक्ष प्रकाशवर्षे अंतरावर आहे). तसे ते येत असते, तर अवकाशातील हायड्रोजनाशी टकरा होऊन त्यांपैकी अनेक जड अणुकेंद्रेनष्ट झाली असती. विश्वकिरणांमधील कालानुसारी फेरफारावरून असा तर्क केला जातो की, बाहेरून येणारे विश्वकिरण सूर्याच्या चुंबकीय क्षेत्राने काहीसे मागे फेकले जात असावेत व त्यामुळे हे फेरफार होत असावेत.

विश्वकिरणांचे आयुर्मान व त्यांच्या तीव्रतेतील स्थिरता : विश्वकिरणांतील समस्थानिकांच्या (अणुक्रमांक तोच पण अणुभार भिन्न असलेल्या त्याच मूलद्रव्याच्या प्रकारांच्या) रचनेच्या अभ्यासावरून प्राथमिक विश्वकिरणांच्या आयुर्मानाबद्दल निष्कर्ष काढला जातो. काही समस्थानिक किरणोत्सर्गी असतात. उदा., नैसर्गिक बेरिलियम (९) किरणोत्सर्गी नाही मात्र विश्वकिरणात आढळणारा समस्थानिक बेरिलियम (१०) किरणोत्सर्गी आहे आणि त्याचा अर्धायु:काल (मूळची किरणोत्सर्गी क्रियाशीलता निम्मी होण्यास लागणारा काळ) १.६ x १०-६वर्षे आहे. विश्वकिरणातील बेरिलियम (१०) ची निर्मिती फक्त विखंडनातून होत असते. याचा उपयोग करून या दोन्ही समस्थानिकांच्या वैपुल्यांच्या तुलनेतून बेरिलियम (१०) च्या निर्मितीचा उगम असलेल्या शेवटच्या अणुकेंद्रीय आघातापासून लोटलेल्या कालाशी संबंधित संख्या मिळते. या प्रकारच्या निरीक्षणातून विश्वकिरणांचे सरासरी आयुर्मान १०-७वर्षे असल्याचे निश्चि त केले गेले आहे.

अणुकेंद्रीय आघातांची संभाव्यता लक्षात घेऊन त्यावरून असे अनुमान काढता येते की, अवकाशाच्या ज्या भागातून विश्वकिरणांचे प्रसारण होते, त्या भागातील अणूंच्या संख्येची सरासरी घनता ०.१ते ०.२अणू/सेंमी ३. असली पाहिजे. सूर्याच्या परिसरातील ज्योतिषशास्त्रीय निरीक्षणांवरून मिळालेल्या घनतेशी वरील अनुमान सुसंगत ठरते.

विश्विकरणांच्या तीव्रतेतील स्थिरता अजमावण्यासाठी पुष्कळ प्रयत्न करण्यात आले आहेत. कार्बन (१४) व बेरिलियम (१०) या किरणोत्सर्गी कालनिर्णय पद्धती आणि चंद्रावरील खनिजांत कोरल्या गेलेल्या विश्वकिरणांच्या मार्गांची सरासरी संख्या या पद्धती वापरून विश्वकिरणांच्या सरासरी तीव्रतेचे मापन केल्यावर असे आढळते की, १०-७वर्षांच्या कालखंडात तरी विश्वकिरणांची तीव्रता स्थिर राहिली आहे.

विश्वकिरण कणांना ऊर्जा कशी मिळत असावी : विश्वकिरण कणांची ऊर्जा अतिप्रचंड असते हे खरे, पण अशी ऊर्जा निसर्गात इतरत्र दिसत नाही असे नाही. पृथ्वीतलावरच पावसाळ्यात ढगांवर काही अब्ज व्होल्ट दाबाची वीज निर्माण होताना दिसते. तिच्याद्वारे जवळजवळ विश्वकिरण कणाएवढीच ऊर्जा असणारे कण निर्माण करणे काही अशक्य नाही.

विश्वकिरण कणांना ऊर्जा कोठून मिळाली असावी याबद्दल मुख्यत: दोन प्रकारच्या मीमांसा पुढे आलेल्या दिसतात. ⇨ एन्रिको फेर्मी यांनी पुढील गोष्ट सुचविली होती, आकाशगंगेत यट्टच्छपणे फिरत असणाऱ्या अनेक वायुमेघांत चुंबकीय क्षेत्रे आढळतात. या क्षेत्रांतजर गतिमान विद्युत् भारित कण आले, तर ते या क्षेत्राद्वारे प्रवेगित होऊ शकतात. अशा कणांचे गतिमार्ग विचलित होतात आणि काही परिस्थितीत त्यांना ऊर्जालाभ होणे शक्य होते.

सूर्याच्या पृष्ठभागावर अनेक वेळा (वर्षातून एकदा) क्षोभ होऊन तेथे वादळासारखी अवस्था निर्माण होते. १०० MeV ऊर्जेचे वेगवान कण अशा वेळी तेथून उत्सर्जित होताना आढळतात. यामध्ये दोन क्रियांचा संबंध असावा असे वाटते एक सौरवात आणि दुसरे म्हणजे सूर्याचे चुंबकीय परिभ्रमण करणारे चुंबकीय क्षेत्र. पृथ्वी, बुध, गुरू आणि शनी या ग्रहांभोवती चुंबकीय क्षेत्रे आहेत. ती पण परिभ्रमणी आहेत. ग्रहाच्या जवळ येणारे विद्युत् भारित कण (सूर्यापासून) प्रवेगित होताना आढळतात. या सर्व आविष्कारांवर सध्या संशोधन करणे शक्य झाले आहे. त्यामुळे यामागे असणाऱ्या प्रक्रियेबद्दल माहिती मिळणे शक्य झाले आहे.

दुसऱ्या मीमांसेप्रमाणे विश्वकिरणांची निर्मिती ताऱ्याच्या अतिदीप्त नवतारा या (अंतर्गत स्फोटामुळे ज्याच्या दीप्तीत अचानकपणे प्रचंड वाढ झालेली असते अशा) अवस्थेत होणाऱ्या विस्फोट विक्रियेत होत असावी. अशा विस्फोटामध्ये विश्वकिरण कणांमध्ये जी ऊर्जा आढळते त्या प्रमाणाची ऊर्जा प्रदान करण्याची क्षमता निश्चितच असते पण या विक्रियेत अनेक प्रश्नउपस्थित होतात. सध्या तरी या प्रश्‍नांची समाधानकारक उत्तरे उपलब्ध नाहीत.

क्रॅब अभ्रिकेच्या प्रदेशात १०४४साली एका अतिदीप्त नवताऱ्याचा स्फोट झाला होता. त्याची नोंद चिनी वैज्ञानिकांनी करून ठेवली आहे. आजसुद्धा या प्रदेशात अतिउच्च ऊर्जेचे इलेक्ट्रॉन असल्याबद्दल पुरावा मिळतो. अभ्रिकेतील चुंबकीय क्षेत्रातून हे इलेक्ट्रॉन जेव्हा भ्रमण करतात, तेव्हा त्यांच्या जवळच्या ऊर्जेपैकी काही भाग ते उत्सर्जित करताना आढळतात. या इलेक्ट्रॉनांना सतत ऊर्जा पुरवठा होत असला पाहिजे असे दिसते, कारण त्यांच्याजवळील ऊर्जाउत्सर्जन क्रियेमुळे एखाद्या शतकाच्या अवधीतच खलास झाली असती पण प्रत्यक्षात तसे झालेले दिसत नाही.

पहा : आंतरराष्ट्रीय भूभौतिकीय वर्ष मूलकण.

संदर्भ : 1. Berezinshkii, V.S. and others, Astrophysics of Cosmic Rays, New York, 1991.

            2. Friedtander, M.W. Cosmic Rays, New York, 1989.

            3. Gaisser, T.K. Cosmic Rays and Particle Physics, 1991.

            4. Nagano, M. Takahara. F., Eds., Astrophysical Aspects of the Most Energetic Cosmic Rays, New York, 1991.

            5. Shapiro, M.M., Silberg, R. Werfel, J.P., Eds., Cosmic Rays, Supernovae and the  Interstellar Medium, 1991.

चिपळोणकर, व. त्रिं. आगाशे, वसंत वा.

“