Das CALorimetric Electron Telescope (CALET) erfasst die ladungszeichenabhängige Modulation der kosmischen Strahlung

Die Bewegung kosmischer Strahlungsteilchen durch den Weltraum, wie etwa Elektronen und Protonen, wird durch das Magnetfeld der Sonne beeinflusst, was zu Schwankungen in der Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung (GCRs) führt, die als Reaktion auf den Sonnenzyklus die Erde erreicht. In Zeiten geringer Sonnenaktivität, etwa im Sonnenminimum, wurde beobachtet, dass mehr GCRs die Erde erreichen als in Zeiten hoher Sonnenaktivität. Diese umgekehrte Korrelation zwischen dem GCR-Fluss und der Sonnenaktivität wird als „Sonnenmodulation“ bezeichnet.

Insbesondere wird die Intensität von GCRs auf der Erde durch den Neigungswinkel der heliosphärischen Stromschicht (HCS) beeinflusst, einer spiralförmigen Oberfläche, die die Richtung entgegengesetzt gerichteter Magnetfeldlinien trennt, die von den Polen der Sonne ausgehen. Mit zunehmendem Neigungswinkel des HCS nimmt die Intensität der kosmischen Strahlung auf der Erde ab.

Gemäß dem Driftmodell des GCR-Transports in der Heliosphäre tendieren die negativ geladenen Elektronen in GCRs dazu, entlang des HCS zu wandern, um die Erde zu erreichen, wenn das Magnetfeld auf der Nordhalbkugel von der Sonne weg und auf der Südhalbkugel auf die Sonne gerichtet ist . Im Gegensatz dazu erreichen die positiv geladenen Protonen die Erde aus der heliosphärischen Polarregion, was darauf hindeutet, dass GCR-Elektronen auf ihrem Weg durch das HCS zur Erde stärker von der Sonnenmodulation betroffen sind als die Protonen.

Während frühere Beobachtungen von Teilchen der kosmischen Strahlung, die an Bord von Weltraumballons und in Weltraumexperimenten gemacht wurden, Unterschiede zwischen den Flüssen positiv und negativ geladener GCR-Partikel während des Sonnenzyklus zeigen, ist unklar, ob die Teilchenladung irgendeine Rolle bei der Antikorrelation zwischen der GCR-Intensität und der GCR-Intensität spielt Neigungswinkel des HCS.

Nun haben Forscher bei einer aktuellen Beobachtung von GCR-geladenen Teilchen, die mit dem CALorimetric Electron Telescope (CALET) an Bord der „Kibo“ Exposed Facility (EF) der Internationalen Raumstation über einen Zeitraum von sechs Jahren gemacht wurden, herausgefunden, dass diese Antikorrelation tatsächlich bei Elektronen stärker ausgeprägt als bei Protonen.

Die Studie, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung, wurde gemeinsam von drei Forschern aus Japan geleitet, Associate Professor Yosui Akaike vom Waseda Research Institute for Science and Engineering (RISE) an der Waseda University, Associate Professor Shoko Miyake vom National Institute of Technology (KOSEN) am Ibaraki College und Professor Kazuoki Munakata von der Shinshu-Universität. Es enthielt auch Beiträge des emeritierten Professors Shoji Torii von RISE.

„Mit CALET konnten wir über einen Zeitraum von sechs Jahren erfolgreich eine vom Ladungszeichen abhängige solare Modulation von GCRs beobachten“, sagt Akaike.

Die Forscher analysierten über 0,77 Millionen Elektronen und 1,26 Millionen Protonen, die in etwa 196 bzw. 197 Stunden über einen Zeitraum von sechs Jahren von 2015 bis 2021 gesammelt wurden, der mit dem Ende des Sonnenzyklus 24 und dem Beginn des Sonnenzyklus 25 zusammenfiel aktueller Sonnenzyklus.

Die Ergebnisse zeigten, dass während des Zustands geringer Aktivität der Sonne gegen Ende des Sonnenzyklus 24, der durch eine Verringerung der Anzahl der Sonnenflecken und des HCS-Neigungswinkels gekennzeichnet war, sowohl die Elektronen- als auch die Protonenzählraten niedrig waren, aber allmählich anstiegen. Dieser Trend setzte sich mit Beginn des Sonnenzyklus 25 fort und erreichte seinen Höhepunkt in der Elektronenzählrate sechs Monate nach Beginn des Zyklus im Dezember 2019.

Danach nahmen sowohl die Elektronen- als auch die Protonenzählrate mit zunehmender Sonnenaktivität und zunehmendem HCS-Neigungswinkel allmählich ab. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass die Schwankung der Zählraten der Elektronen in diesem Zeitraum deutlich größer war als die der Protonen, was darauf hindeutet, dass Elektronen anfälliger für die Auswirkungen der Sonnenmodulation sind, wie vom Driftmodell vorhergesagt.

„Dies ist ein klares Zeichen für den Drifteffekt, der die langfristige Sonnenmodulation von GCRs dominiert, die mit einem einzelnen Detektor beobachtet werden“, betont Akaike.

Insgesamt kann die Analyse von GCRs wichtige Erkenntnisse über die Zusammensetzung des Universums und die in der kosmischen Strahlung beobachteten Beschleunigungsmechanismen hochenergetischer Teilchen liefern. Somit könnten die von CALET gemachten Beobachtungen dazu beitragen, das Weltraumwetter und seine Auswirkungen auf die Möglichkeit potenziellen Lebens auf dem Mond und anderen Planeten wie dem Mars besser zu verstehen.