Mimo, iż o istnieniu promieniowania kosmicznego wiemy dopiero mniej więcej od stu lat, to mamy wszelkie podstawy, by sądzić, że towarzyszyło nam (niemal) od zawsze.

Cząstki wysokich energii przechodząc przez materie oddziałują z nią, a gdy jest ich dostatecznie dużo, wpływ takich oddziaływań, jeśli materia ta jest materia ożywioną, może być dla niej istotny. Ogólnie przyjmuje sie, ze wpływ promieniowania jonizującego na organizmy żywe jest negatywny. Na szczęście dla nas przed cząstkami z kosmosu chroni nas atmosfera, która jest na tyle gruba, że zatrzymuje ich zdecydowana większość. Docierają do nas jedynie produkowane w oddziaływaniach promieniowania kosmicznego w atmosferze cząstki o energiach wielokrotnie mniejszych (nazywane wtórnym promieniowaniem kosmicznym). Jonizacja materii przez wtórne promieniowanie przy powierzchni Ziemi porównywalna jest z jonizacja, która powstaje w wyniku rozpadu radionuklidów w skorupie ziemskiej. Te dwa typy promieniowania tworzą nieusuwalne radioaktywne tło, w którym zanurzeni jesteśmy chcąc nie chcąc i nie odczuwamy z tego powodu specjalnie jakiś przykrych efektów. Z drugiej strony nie do końca jasny jest wpływ tego tła na częstość pojawiania sie mutacji, a tym samym na szybkość procesu ewolucji. Nie jest wykluczone, że promieniowanie kosmiczne odegrało (odgrywa?) całkiem znacząca role w rozwoju życia na Ziemi.

Ostatnio wykryto też, ze promieniowanie kosmiczne ma zapewne wpływ na klimat na Ziemi. Długookresowe zmiany natężenia promieniowania jonizującego w górnych warstwach atmosfery zmieniając warunki, w jakich formują sie chmury (ten sam efekt wykorzystywany jest jako zasada działania komory Wilsona - niezwykle spektakularnego detektora cząstek naładowanych), wpływać mogły na zmiany globalnej temperatury naszej planety. Nie jest to do końca jasne. Badania trwają.

Gwałtowne zmiany natężenia promieniowania kosmicznego w bardzo krótkiej skali czasowej związane z aktywnością Słońca mogą wywoływać i wywołują zakłócenia w transmisji satelitarnej, w sieciach komunikacyjnych i energetycznych. Stanowią one dodatkowo realne zagrożenie dla wszelkiego rodzaju satelitów krążących wokół Ziemi.

Jak z tego widać promieniowanie kosmiczne, pozornie tak odlegle od naszych spraw codziennych, może wpływać na nie wielorako i możliwe, że całkiem znacząco.

Promieniowanie kosmiczne niskich energii (poniżej 10¹² eV).

Podstawową zagadką związana z promieniowaniem kosmicznym jest jego pochodzenie. W całej historii tego problemu pojawiało sie bardzo wiele, egzotycznych dzisiaj, propozycji jego rozwiązania, jak choćby ta, ze za przyspieszanie naładowanych elektrycznie cząstek odpowiadają różnice potencjałów generowane w atmosferze przez pionowe ruchy mas powietrza. O ich istnieniu przekonać się możemy dobitnie podczas każdej burzy. Promieniowanie kosmiczne byłoby zatem czymś na kształt nieustającej i bezgłośnej błyskawicy. Z hipotezą tą wiąże sie nazwisko C.T.R. Wilsona, wynalazcy komory Wilsona, o której wspomniano wyżej. Dziś już mamy pewność, że hipoteza ta nie wyjaśnia wszystkich obserwowanych zjawisk, choć wykorzystanie promieniowania kosmicznego dla pomiarów rozkładu przestrzennego pól elektrycznych w atmosferze wydaje się całkiem interesujące. Inne rozwiązanie proponował R.A. Millikan, wybitny fizyk znany powszechnie z pomiarów wartości ładunku elektronu. Jego zdaniem promieniowanie kosmiczne byłoby skutkiem procesów powstawania pierwiastków w odległych gwiazdach. Mechanizm taki rzeczywiście funkcjonuje, jednak mógłby on być odpowiedzialny za bardzo niewielki ułamek tego, co jako promieniowanie kosmiczne dociera do Ziemi.

Wraz z rozwojem wiedzy (eksperymentalnej) o naturze promieniowania kosmicznego powstawały wciąż nowe teorie. Dziś wiemy już dość dokładnie, co do nas przychodzi (im większa energia cząstek, tym wiedza nasza skromniejsza), ciągle nie wiemy jednak skąd i jakie fizyczne mechanizmy odpowiadają za nadawanie cząstkom tak gigantycznych energii.

W obszarze niskich energii (lewy koniec widma pokazanego na rysunku) istotna role odgrywa aktywność Słońca. Na skutek reakcji jądrowych w nim zachodzących i skomplikowanych procesów w zewnętrznych warstwach atmosfery naszej najbliższej gwiazdy emituje ona ciągle, w mniejszym lub większym natężeniu tzw. wiatr słoneczny. Pola magnetyczne w Układzie Słonecznym dodatkowo utrudniają wnikanie doń promieniowania kosmicznego z przestrzeni międzygwiezdnej. Wpływ ten maleje jednak wraz z energia cząstek i w koncu (okolo energii kilku GeV) zanika i dominującym staje sie wtedy promieniowanie z bardziej odległych źródeł. Przyspieszane gdzieś w źródłach cząstki są elektrycznie naładowane. Inaczej trudno by je było przyspieszyć, no bo jak? Cecha ta powoduje, że tory ich w przestrzeni międzygwiezdnej zakrzywiają się (bardzo) w chaotycznych polach magnetycznych naszej Galaktyki, przez co kierunki z jakich przychodzą do granic ziemskiej atmosfery nie mówią nic o tym, skąd pochodzą. Z drugiej strony wiemy całkiem dobrze, jakiego rodzaju są to cząstki: głownie jadra atomów, od najlżejszego: wodoru, czyli po prostu pojedynczego protonu, aż po uran, a może i dalej nawet. Okazuje się, że skład chemiczny promieniowania kosmicznego bardzo przypomina typowy sklad materii we Wszechświecie.

Analizując szczegółowo pewne drobne odchylenia widma masowego promieniowania kosmicznego i składu materii Układu Słonecznego możemy powiedzieć nie tylko coś o materii, z jakiej zbudowane są źródła promieniowania kosmicznego, ale także, jak długo promieniowanie to do nas z tych źródeł podróżowało. Wśród bowiem złożonych jader znajdują się w nim także nietrwale izotopy rozpadające sie z czasem, a i te trwałe, po dostatecznie długim czasie zderzając sie z materią międzygwiazdowa rozfragmentowują się na mniejsze kawałki .

Docierające do atmosfery w dużej liczbie cząstki niskoenergetycznego promieniowania kosmicznego sa odpowiedzialne za powstanie większości silnie jonizujących i bardzo przenikliwych mionów, cząstek elementarnych, które stanowią istotną część tła promieniowania jonizującego przy powierzchni Ziemi. Miony to ciężkie rodzeństwo elektronów. Żyją one w spoczynku jakieś dwie mikrosekundy, ale dzięki efektom relatywistycznym te o energiach kilku GeV w większości przelatują przez atmosferę (lot z wysokości 10 km zabiera im ok. 30 mikrosekund).

Promieniowanie kosmiczne o energiach 10¹⁴ - 10¹⁷ eV.

Im energia cząstek promieniowania kosmicznego jest większa, tym ich strumień staje sie coraz mniejszy. Widać to wyraźnie na rysunku przedstawiającym widmo energetyczne promieniowania kosmicznego. Powyżej energii 10¹⁵ eV cząstek promieniowania kosmicznego staje sie na tyle mało, że nie udaje się mierzyć ich ilości bezpośrednio (na satelitach, czy balonach stratosferycznych). Na szczęście energie te sa na tyle duże, że cząstki takie przechodząc przez atmosferę nie giną w niej bezpowrotnie, a powodują powstanie zjawiska zwanego wielkim pękiem atmosferycznym.

Wielkie pęki promieniowania kosmicznego odkryli w roku 1938 dwaj francuscy uczeni: Pierre Auger i Roland Maze. Zaobserwowali oni, że do powierzchni Ziemi przychodzą jednocześnie cząstki naładowane o wysokich energiach w ilościach liczonych w milionach rozrzucone na powierzchniach setek metrów kwadratowych. Wytłumaczenie tego zjawiska dziś wydaje sie całkiem proste i oczywiste. W mysli teorii kaskadowej podanej w roku 1936 przez Bhabhe i Heitlera cząstka bardzo wysokiej energii oddziałując gdzieś u szczytu atmosfery wytwarza (z niczego - kosztem swej energii kinetycznej: E=mc²) nowe cząstki. Mają one ciągle na tyle duże energie, ze każda z nich w kolejnych oddziaływaniach tworzyć może następne i następne, które z kolei... itd. Kaskada taka rozwija się w atmosferze dopóki wystarcza energii, potem cząstek zaczyna stopniowo ubywać. Przy wspomnianych energiach 10¹⁵ eV wielki pęk osiąga maksimum swojego rozwoju mniej więcej w połowie atmosfery (na wysokości kilku kilometrów nad poziomem morza). Ponieważ energie wśród produkowanych cząstek rozdzielają sie do pewnego stopnia losowo, do powierzchni ziemi dociera ich jeszcze na tyle dużo, aby zjawisko to dało się zarejestrować. Wystarczy rozstawić w odległościach kilkunastu (kilkudziesięciu) metrów liczniki cząstek naładowanych o powierzchniach rzędu metra kwadratowego (im większe, tym mniejsze gęstości cząstek, a wiec tym mniejsze wielkie pęki da się zarejestrować) i czekać, aż kilka detektorów jednocześnie zarejestruje przejście przezeń cząstek.

Aparatura taka reaguje na pojawienie się cząstki pierwotnej (u szczytu atmosfery) gdziekolwiek w promieniu w jakim ustawione są detektory. Malejący strumień takich cząstek jest wiec rekompensowany dużą powierzchnia zbierania.

Promieniowanie kosmiczne o energiach powyzej 10¹⁷eV.

Jak widać, obserwacje są wciąż jeszcze kłopotliwie rozbieżne, żeby nie powiedzieć, że są ze sobą sprzeczne. Błędy pokazane w postaci pionowych kresek przy poszczególnych punktach związane sa z bardzo małą liczba zarejestrowanych przypadków. Światowa liczba przypadków o energiach szacowanych na większe niż 4x10¹⁹ eV nie przekracza kilkuset, a powyżej 10²⁰ eV dwudziestu kilku (przy czym szacowania te są oczywiście bardzo nieprecyzyjne). Największa zarejestrowana energia pojedynczej cząstki oceniana jest na okolo 3x10²⁰ eV.

Spekulacje na temat rodzaju (np. masy atomowej) nie dają tu też żadnych istotnych wskazówek. Ogólnie stwierdzić należy, że wiemy bardzo niewiele, a jedyne, co wiemy na pewno to to, że obserwujemy cząstki o energiach sięgających 10²⁰eV.

Można by zadać (wcale nie takie pozbawione sensu) pytanie, dlaczego wiedza ta nam nie wystarcza. Dlaczego chcielibyśmy wiedzieć więcej? Do czego nam to tak naprawdę jest potrzebne? W koncu i tak wiele jest rzeczy ("na niebie i ziemi"), o których nie wiemy wszystkiego.

Podstawowy problem nurtujący fachowców od blisko 40 lat można sformułować w prostym stwierdzeniu:

Cząstek o tak wielkich energiach w ogóle nie powinno być - a są!

Dlaczego?

Ich energie są tak wielkie, że przez Galaktykę przelatywałyby praktycznie po liniach prostych i gdyby ich źródła były gdzieś blisko, widzielibyśmy zgrupowania wielkich pęków przychodzących z tamtych kierunków na niebie. A nic takiego nie widzimy. A jeśli byłyby produkowane odpowiednio daleko, aby w przestrzeni międzygalaktycznej zgubić w polach magnetycznych informacje o miejscu swoich narodzin, powinny oddziałać z fotonami mikrofalowego tla - promieniowania pozostałego po Wielkim Wybuchu, mającego dziś temperature okolo 3 K i wypełniającego dokładnie i równo cała przestrzeń i stracić w oddziaływaniach tych znacząca cześć swojej energii. Tak mówi nam fizyka współczesna i wydaje się, że nie ma innego wyjścia. Cóż wiec zrobić z cząstkami, które sa, mimo że nie powinno ich być? Zagadkę tę starano sie już rozwiązać na wiele sposobów. Część z nich nawołuje do rewizji (bardziej lub mniej gruntownej) samych podstaw naszej wiedzy o Wszechświecie. Nowa Fizyka zdaje sie czekać tuż za rogiem. Rozstrzygniecie, jak to jest naprawdę, może doprowadzić do kolejnej rewolucji w naszym rozumieniu rzeczywistości, natury rzeczy, czy Natury jako takiej. Mamy tu do czynienia z materia w najbardziej ekstremalnych warunkach, o niewyobrażalnych wręcz energiach. Dość powiedzieć, że jedna cząstka elementarna niosąc energie 10²⁰ eV ma jej tyle, co cegła spadająca z balkonu drugiego pietra, tyle ile piłka tenisowa podawana przez Novaka Djokovića .

Gdyby każdy proton i neutron w takiej piłce miał taką energię, wystarczyłoby jej do unicestwienia Księżyca (gdyby ukierunkować ją odpowiednio). A wszystko to zmagazynowane w jednym najmniejszym składniku atomowego jadra! Aż strach pomyśleć, co by było, gdybyśmy poznali mechanizmy generujące takie energie i potrafili je wykorzystać. Problem ten wydaje sie nawet zbyt wielki dla współczesnej literatury fantastycznonaukowej, choc mógłby zapewnić realizacje najdalszych podroży kosmicznych bez większego trudu. Ale pozostawmy takie i podobne rozważania fantastom i wróćmy do bardziej realnego świata fizyki dzisiejszej.

Wszystko wskazuje na to, że rozbieżności pomiędzy PAO i TA nie da się przezwyciężyć. Co należy zrobić w takiej sytuacji? Powołać do życia nowy, przy okazji jeszcze większy, nowocześniejszy, lepszy eksperyment, który zmierzy wreszcie to, co chcielibyśmy zmierzyć i odpowie na zasadnicze pytania jasno i definitywnie. W tym miejscu fizyka zderza się z ekonomią.

PAO w założeniach miało kosztować 50 milionów (euro). Przez dwadzieścia lat wszystkie koszty wyniosły setki milionów. Tyle, że trudno to nawet policzyć. Kogo stać na wybudowanie czegoś co powinno kosztować grube miliardy? Pytanie jest raczej retoryczne. Wiele instytucji, krajów a nawet zwykłych prywatnych milionerów byłoby na to stać, tylko, czy ktoś to zrobi? To nie jest pewne. Postawienie tysięcy dużych detektorów na powierzchni i ustawienie teleskopów wypatrujących subtelnych błysków na niebie jest logistycznie dość skomplikowane, a w zapewnienia, że po kilku(nastu) latach będziemy mądrzejszy też nie są specjalnie przekonujące, szczególnie biorąc pod uwagę poprzednie, opisane wyżej przedsięwzięcia. Trzeba by wymyślić coś nowego, coś zdecydowanie innego.

I wymyślono. Obecnie nazywa się to EUSO (Extreme Universe Space Observatory) kosmiczny teleskop patrzący jednak nie w niebo, a wprost przeciwnie, w dół. I cóż on może zobaczyć? Te same błyski, jakie widziało Obserwatorium Pierre’a Auger’a i eksperyment Telescope Array, ale patrząc z wysokości Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, z jakiś 400 km nad Ziemią będzie on obserwował nie tysiące kilometrów kwadratowych, a obszary wielkości Polski, a patrząc ukośnie nawet kilkakrotnie większe. Oczywiście będzie widział mniej fluorescencyjnych fotonów generowanych przez pęki najwyższych energii i obserwacja ich będzie daleko bardziej złożona, to jednak jak pokazuj ą prowadzone obecnie testy możemy się spodziewać interesujących wyników w niedługim czasie.

Jest jeszcze jedna możliwość. Jest nią Projekt CREDO (Cosmic Ray Extremely Distributed Observatory z interesującym mottem „the quest for the unexpected” („w poszukiwaniu niespodziewanego”).