કૉસ્મિક કિરણો (બ્રહ્માંડ-કિરણો) : પરમાણુ કણો તથા ઇલેક્ટ્રૉનના બનેલા અને ગહન અંતરીક્ષમાંથી આવી રહેલા અને લગભગ પ્રકાશ જેટલી ગતિ ધરાવતા શક્તિશાળી તટસ્થ અને વિદ્યુતભારિત કણો. આ કૉસ્મિક એટલે કે બ્રહ્માંડ-કિરણોની શોધ 1912માં જન્મેલ ઑસ્ટ્રિયાના વિજ્ઞાની વિક્ટર હેસે કરી તેને માટે તેમને 1936માં નોબેલ પારિતોષિક આપવામાં આવ્યું હતું. રેડિયો-ઍક્ટિવ પદાર્થોનું વિકિરણ માપવા માટે તે વખતે વપરાતા વીજભારમાપક સંબંધિત એક મહત્વનું અને ન સમજી શકાય એવું અવલોકન એ હતું કે રેડિયો-ઍક્ટિવ પદાર્થની ગેરહાજરીમાં પણ વિદ્યુતભારમાપક પરનો વિદ્યુતભાર શૂન્ય થઈ જતો હતો; અર્થાત્, કોઈ અજ્ઞાત વિકિરણ દ્વારા થતું આયનીકરણ એ માટે કારણભૂત હોય એમ માનવામાં આવ્યું હતું. તે શોધી કાઢવા માટે ઘણા વિજ્ઞાનીઓ પ્રયાસ કરતા હતા. જમીનમાંથી અલ્પ પ્રમાણમાં નીકળતા રેડિયો-ઍક્ટિવ વિકિરણને લીધે જ જો આ ઘટના બનતી હોય તો વિદ્યુતભારમાપકને બલૂન વડે વાતાવરણમાં ઘણી ઊંચાઈ ઉપર લઈ જવાથી એ ઘટના દૂર થવી જોઈએ. એ વિચારથી પ્રેરાઈને વિક્ટર હેસે સંખ્યાબંધ સ-માનવ બલૂન-ઉડ્ડયનોના પ્રયોગો કર્યા. એ પ્રયોગો દ્વારા એક વિસ્મયકારક ઘટના જાણવા મળી કે વાતાવરણમાં લગભગ 5 કિમી.ની ઊંચાઈ પર આ અજ્ઞાત વિકિરણની માત્રા પ્રમાણમાં પુષ્કળ વધી જાય છે. આ પરિણામ ઉપરથી વિકટર હેસે પ્રતિપાદિત કર્યું કે પૃથ્વીના ઉચ્ચસ્તરીય વાતાવરણમાં કોઈ વિકિરણ ઉત્પન્ન થતું હોવું જોઈએ અથવા બહારના અંતરીક્ષમાંથી કોઈ અજ્ઞાત વિકિરણ પૃથ્વી પર આવતું હોવું જોઈએ. એ પછીના પ્રાયોગિક અભ્યાસ પરથી નિ:શંક સાબિત થયું છે કે આ અજ્ઞાત વિકિરણ પૃથ્વીની બહારના અંતરીક્ષમાંથી જ આવે છે. તેમને બ્રહ્માંડ-કિરણો (cosmic rays) કહેવામાં આવ્યાં.
બ્રહ્માંડ-કિરણોને મુખ્યત્વે બે ભાગમાં વહેંચવામાં આવે છે – પ્રાથમિક (primary) અને ગૌણ (secondary). પૃથ્વીના વાતાવરણની બહાર અંતરીક્ષમાં અસ્તિત્વ ધરાવતાં બ્રહ્માંડ-કિરણોને પ્રાથમિક બ્રહ્માંડ-કિરણો કહે છે. પૃથ્વીના વાતાવરણની ટોચ ઉપર બલૂન દ્વારા અને વાતાવરણની બહાર અંતરીક્ષમાં કૃત્રિમ ઉપગ્રહ દ્વારા કરવામાં આવેલાં સંખ્યાબંધ પ્રાયોગિક અવલોકનોને આધારે જાણવા મળ્યું છે કે પ્રાથમિક બ્રહ્માંડ-કિરણોમાં લગભગ 93 % પ્રોટૉન (હાઇડ્રોજનના પરમાણુ), 6 % આલ્ફા કણ (હિલિયમના પરમાણુ) તથા બાકીના ભારે વજન ધરાવતાં જુદાં જુદાં રાસાયણિક તત્વોના પરમાણુ અને અલ્પ પ્રમાણમાં ઇલેક્ટ્રૉન અને પૉઝિટ્રૉન હોય છે. પ્રાથમિક બ્રહ્માંડ-કિરણોની ઊર્જા ઘણા મોટા ગાળામાં વિભાજિત થયેલી હોય છે, પરંતુ ઊર્જાનું વિભાજન એ રીતે થયું છે કે અલ્પ ઊર્જા ધરાવતાં બ્રહ્માંડ-કિરણોની સંખ્યા અધિક છે, જ્યારે અધિક ઊર્જા ધરાવતાં બ્રહ્માંડ-કિરણોની સંખ્યા ઘણી ઓછી છે. મોટા ભાગનાં બ્રહ્માંડ-કિરણોની ઊર્જા 109 ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટ (eV) જેટલી હોય છે; પરંતુ અત્યંત અલ્પ સંખ્યા ધરાવતાં કેટલાંક બ્રહ્માંડ-કિરણોની ઊર્જા 1020 eV જેટલી અધિક હોય છે. આમ બ્રહ્માંડનાં અન્ય વિકિરણોની ઊર્જાની તુલનામાં કેટલાંક પ્રાથમિક બ્રહ્માંડ-કિરણોની ઊર્જા સૌથી વિશેષ હોય છે.
બ્રહ્માંડ-કિરણો વિદ્યુતભાર ધરાવતાં હોવાથી તેમનાં ઉપર ભૂ-ચુંબકીય ક્ષેત્રની પ્રબળ અસર થાય છે. ભૂ-ચુંબકીય ક્ષેત્રને લીધે બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતા ઉપર મુખ્યત્વે બે પ્રકારની અસર થાય છે : તેમની પ્રથમ અસર એ છે કે તીવ્રતા ચુંબકીય અક્ષાંશ ઉપર આધારિત હોય છે; વિષુવવૃત્તના પ્રદેશોમાં તીવ્રતા ન્યૂનતમ હોય છે, જ્યારે ઉચ્ચ અક્ષાંશ અને ધ્રુવપ્રદેશોમાં તે મહત્તમ હોય છે. ભૂ-ચુંબકીય ક્ષેત્રની બીજી અસર એ છે કે પૃથ્વી ઉપર કોઈ પણ સ્થળે પશ્ચિમ દિશામાંથી આવતાં બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતા પૂર્વ દિશામાંની તીવ્રતા કરતાં વધારે હોય છે. તેનું કારણ એ છે કે બ્રહ્માંડ-કિરણોમાં મુખ્યત્વે ઘનભાર ધરાવતા પરમાણુ કણો હોય છે.
પ્રાથમિક બ્રહ્માંડ-કિરણો પૃથ્વીના ઉચ્ચસ્તરીય વાતાવરણમાં પ્રવેશે, ત્યારે 1520 કિમી.ની ઊંચાઈએ ઑક્સિજન અને નાઇટ્રોજનના પરમાણુઓ સાથે સંઘાત (collision) પામીને વિવિધ પ્રકારના નવા કણ ઉત્પન્ન કરે છે, જેને ગૌણ બ્રહ્માંડ-કિરણો કહે છે. ગૌણ બ્રહ્માંડ-કિરણોમાં પ્રોટૉન, ન્યૂટ્રૉન, પાઈ (p), મેસૉન, કે(k) મેસૉન વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. શક્તિશાળી પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉન વાતાવરણના અણુઓનું ખંડન કરીને બીજા સંખ્યાબંધ પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉન છૂટા પાડે છે. સંયુક્ત રીતે ગૌણ બ્રહ્માંડ-કિરણોના પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનને ‘ન્યૂક્લિયૉનિક ઘટક’ કહેવાય છે.
પાઇ-મેસૉન કિરણો ઘન (+), ઋણ (-) અને શૂન્ય એમ ત્રણ પ્રકારના વિદ્યુતભાર ધરાવે છે. આ બધાં પાઇ-મેસૉનનો જીવનકાળ અત્યંત અલ્પ હોય છે અને તે તરત નાશ પામીને બીજા નવા કણોને જન્મ આપે છે. ધન અને ઋણ વીજભાર ધરાવતાં પાઇ-મેસૉન નાશ પામીને અનુક્રમે ધન અને ઋણ વિદ્યુતભાર ધરાવતાં મ્યૂ-મેસૉન કણમાં પરિણમે છે. અપૂર્વ ભેદનશક્તિ ધરાવતા મ્યૂ-મેસૉન વાતાવરણને ભેદીને પૃથ્વીની સપાટી સુધી પહોંચે છે, કેટલાંક અત્યધિક ઊર્જાવાળાં મ્યૂ-મેસૉન જમીનની અંદર 304.63 મી.ની ઊંડાઈ સુધી પણ પ્રવેશી શકે છે. અપૂર્વ ભેદનશક્તિને લીધે મ્યૂ-મેસૉન કણોના આ ઘટકને ‘ભેદક ઘટક’ (penetrating component) કહે છે. કેટલાક મ્યૂ-મેસૉન નાશ પામીને ઇલેક્ટ્રૉન અથવા પૉઝિટ્રૉન અને ન્યૂટ્રૉન પેદા કરે છે.
1015 eV કરતાં વધારે ઊર્જા ધરાવતાં પ્રાથમિક બ્રહ્માંડ-કિરણો વાતાવરણમાં એક અદભુત ઘટના સર્જે છે, જેમાં લાંબી શૃંખલા દ્વારા મૂળ બ્રહ્માંડ-કિરણની ઊર્જાનું સેંકડો કે હજારો ગૌણ કણોમાં રૂપાંતર થઈ આ બધા કણો એકીસાથે હજારો ચોકિમી. જેટલા મોટા વિસ્તાર ઉપર વરસાદની જેમ પથરાઈ જતા હોય છે. આ ઘટનાને ‘વિસ્તૃત વાત-વર્ષા’ (extensive airshower) કહે છે. પ્રાથમિક બ્રહ્માંડ-કિરણોમાં અધિક ઊર્જા ધરાવતા કણનું પ્રમાણ ઘણું ઓછું હોવાથી આ ઘટનાનું મહત્વ ઘણું છે.
વાતાવરણમાં ઉત્પન્ન થતાં ગૌણ બ્રહ્માંડ-કિરણોમાં પ્રોટૉન, ન્યૂટ્રૉન અને પાઇ-મેસૉન ઉપરાંત વિવિધ સમસ્થાનિકો (isotopes) પણ હોય છે. આમાંના કેટલાક સમસ્થાનિક અસ્થાયી, અર્થાત્, રેડિયો-ઍક્ટિવ હોય છે અને તેમના જીવનકાળ દરમિયાન વિકિરણનું સતત ઉત્સર્જન કરે છે. આમાંના કેટલાક સમસ્થાનિકો પુરાતત્વશાસ્ત્ર, જળશાસ્ત્ર, ભૂસ્તરશાસ્ત્ર અને સમુદ્રવિજ્ઞાન જેવાં અન્ય વિદ્યાક્ષેત્રોમાં વિવિધ રીતે ઉપયોગી થાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, કાર્બન-14 સમસ્થાનિક રેડિયો-ઍક્ટિવ છે અને તેનો ઉપયોગ કરીને વિકસાવવામાં આવેલી ‘સમય-માપન પદ્ધતિ’ પુરાતત્ત્વશાસ્ત્રમાં વિશિષ્ટ મહત્ત્વ ધરાવે છે. આ જ રીતે ટ્રિટિયમ નામનો હાઇડ્રોજનનો સમસ્થાનિક પણ જળશાસ્ત્ર અને સમુદ્રશાસ્ત્રમાં ઉપયોગી બને છે.
ગૌણ બ્રહ્માંડ-કિરણોના અભ્યાસ દ્વારા જ કેટલાક મૂળભૂત કણ (પાઇ-મેસૉન, મ્યૂ-મેસૉન, કે-મેસૉન અને પૉઝિટ્રૉન) શોધી શકાયા હતા. આ ઉપરાંત અધિક ઊર્જા ધરાવતા કણ અને અણુઓ વચ્ચે થતી પારસ્પરિક ભૌતિક પ્રક્રિયાનો અભ્યાસ બ્રહ્માંડ-કિરણો દ્વારા શક્ય બન્યો હતો. આજે અદ્યતન કણ-પ્રવેગક(particle accelerator)ની મદદથી આ પ્રકારનો અભ્યાસ કરી શકાય છે. પરંતુ આ પ્રવેગકોની ક્ષમતાની બહાર આવેલા અત્યધિક ઊર્જાવાળા કણો દ્વારા થતી ઘટનાઓનો અભ્યાસ બ્રહ્માંડ-કિરણોની મદદથી જ થઈ શકે છે.
બ્રહ્માંડ-કિરણોના વિવિધલક્ષી અભ્યાસ માટે વપરાતાં સાધનોમાં આયન ચેમ્બર, ક્લાઉડ ચેમ્બર, ગાયગર-કાઉન્ટર વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. ખાસ પ્રકારની ફોટોગ્રાફિક પ્લેટનો ઉપયોગ કરીને તેમાંથી પસાર થતા બ્રહ્માંડ-કિરણની છબી મેળવી શકાય છે. એ જ રીતે પૃથ્વી પર પડેલી ઉલ્કાના શેષ ભાગ અને ચંદ્રની સપાટી પરથી મેળવેલા પથ્થરોમાં અકબંધ જળવાઈ રહેલી બ્રહ્માંડ-કિરણોની છાપ પણ મેળવી શકાય છે.
લાંબા ગાળાનાં પ્રાયોગિક અવલોકનો ઉપરથી બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતામાં કેટલાંક નિયમિત અને અનિયમિત પ્રકારનાં પરિવર્તનો જોવા મળ્યાં છે. બ્રહ્માંડ-કિરણો ઉપર સૂર્યની ક્રિયાશીલતાની પ્રબળ અસર થાય છે. સૂર્યના 11-વર્ષીય ક્રિયાશીલતાના ચક્ર દરમિયાન ક્રિયાશીલતા મહત્તમ હોય ત્યારે બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતા ન્યૂનતમ હોય છે અને ક્રિયાશીલતા ઓછી હોય ત્યારે બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતા વધારે હોય છે. સૂર્ય ઉપર થતા કેટલાક પ્રચંડ તેજ-વિસ્ફોટ (flare) પછી થોડા સમય બાદ પૃથ્વી ઉપર બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતા અનેકગણી વધી જાય છે. અમુક સમયે બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતામાં લગભગ 27 દિવસનું પુનરાવર્તિત પરિવર્તન જોવા મળે છે, જે સૂર્યના 27 દિવસના અક્ષભ્રમણ સાથે સંબંધિત હોય એમ માનવામાં આવે છે. સૂર્ય પરના કેટલાક તેજ-વિસ્ફોટ પછી ભૂ-ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં થતાં તોફાન (magnetic storms) સાથે બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતામાં અચાનક ઘટાડો થાય છે અને એ પછી તીવ્રતાને મૂળ સ્થિતિમાં આવતાં લગભગ એક અઠવાડિયા જેટલો સમય લાગે છે. પૃથ્વી પર બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતા બધી દિશામાં લગભગ સરખી હોય છે; પરંતુ લાંબા સમયનાં અવલોકનોને આધારે બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતામાં 24 કલાકનું, લગભગ નિયમિત પ્રકારનું અલ્પ પરિવર્તન પણ જોવા મળ્યું છે; જે દરેક સ્થળના સ્થાનિક સૂર્ય-સમય સાથે સંબંધિત છે.
બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતામાં દેખાતાં ઉપર્યુક્ત બધાં પરિવર્તનો સૂર્ય સાથે ગાઢ રીતે સંકળાયેલાં છે. સૌર તેજ-વિસ્ફોટ દરમિયાન સૂર્યમાંથી અસંખ્ય પ્રોટૉન અને ઇલેક્ટ્રૉન અંતરીક્ષમાં ફેંકાય છે. આ પ્રોટૉન અને ઇલેક્ટ્રૉન મોટે ભાગે ઓછી શક્તિ ધરાવતા હોવાથી પૃથ્વીના ધ્રુવ પ્રદેશો અને ઉચ્ચ અક્ષાંશના પ્રદેશોના વાતાવરણમાં પ્રવેશે છે અને એ રીતે એ પ્રદેશોમાં બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતા થોડા સમય માટે અનેકગણી વધી જાય છે.
તેજ-વિસ્ફોટની ઘટના ઉપરાંત સૂર્યમાંથી અત્યંત ઓછી ઊર્જા ધરાવતાં પ્રોટૉન અને ઇલેક્ટ્રૉન અથવા સૌર પ્લાઝમાનું પણ નિરંતર ઉત્સર્જન થાય છે. સૌર પવન (solar wind) નામથી ઓળખાતી આ ઘટના સૂર્યના કિરીટાવરણ(corona)ના ઉષ્માકીય પ્રસરણને લીધે થાય છે, જેમાં સૌર પ્લાઝમા ધ્વનિના વેગ કરતાં પણ વધારે (300-400કિમી./સે.) વેગથી આંતરગ્રહીય અંતરીક્ષમાં દૂર સુધી પ્રસરે છે. સૌર તેજ-વિસ્ફોટ સમયે સૌર પવનની ગતિ લગભગ 1000 કિમી./સે. જેટલી વધી જાય છે. સૌર પવનની સાથે સાથે સૂર્યનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર પણ અંતરીક્ષમાં ખેંચાઈ આવે છે અને સૂર્યના અક્ષ-ભ્રમણને લીધે એ ચુંબકીય ક્ષેત્રની રેખાઓ વક્ર આકારે દૂર સુધી ફેલાય છે. આ રીતે અંતરીક્ષમાં ખેંચાઈ આવેલા સૂર્યના ચુંબકીય ક્ષેત્રને આંતરગ્રહીય ચુંબકીય ક્ષેત્ર કહે છે. આંતરગ્રહીય માધ્યમની વિદ્યુતચુંબકીય સ્થિતિ મુખ્યત્વે સૌર પવન અને આંતરગ્રહીય ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઉપર આધાર રાખે છે. આ બંને પરિબળો સૂર્યની ક્રિયાશીલતા ઉપર અવલંબે છે અને એ રીતે બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતામાં દેખાતાં જુદાં જુદાં પરિવર્તનો આંતરગ્રહીય માધ્યમની વિદ્યુત-ચુંબકીય સ્થિતિ સાથે સંકળાયેલાં છે. પાયોનિયર–10–11 અને વૉયેજર–1, 2 આંતરગ્રહીય અંતરીક્ષયાનો દ્વારા કરવામાં આવેલાં અવલોકનોના આધારે જાણવા મળ્યું છે કે સૌર પવન અને આંતરગ્રહીય ચુંબકીય ક્ષેત્રનું પ્રભાવક્ષેત્ર 100 ખગોળીય એકમ (astronomical units) જેટલા વિશાળ અંતર સુધી વિસ્તરેલું છે; અર્થાત્, આ સમગ્ર વિસ્તારમાં બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતા મુખ્યત્વે સૌર પવન ઉપર આધાર રાખે છે. આ વિસ્તારને સૂર્યાવરણ (heliosphere) કહે છે. એ વિસ્તારની બહાર બ્રહ્માંડ-કિરણોની તીવ્રતા આંતરતારકીય માધ્યમની વિદ્યુત-ચુંબકીય પરિસ્થિતિ ઉપર આધારિત હોય છે.
બ્રહ્માંડ-કિરણોનું ઉદગમસ્થાન ક્યાં હશે અને એની અગાધ ઊર્જાનું રહસ્ય શું હશે એ બંને પ્રશ્નો હજુ વણઉકેલાયેલા છે; પરંતુ પ્રવર્તમાન ખ્યાલ એ છે કે જેવી રીતે સૌર તેજ-વિસ્ફોટ દરમિયાન બ્રહ્માંડ-કિરણો ઉત્પન્ન થાય છે તેવી રીતે તારાઓમાં થતા વિસ્ફોટ – સુપરનોવા વિસ્ફોટ – દરમિયાન બ્રહ્માંડ-કિરણો ઉત્પન્ન થતાં હશે. દરેક સુપરનોવા વિસ્ફોટ દરમિયાન પ્રચંડ ઊર્જા ઉત્પન્ન થાય છે અને એની સાથે બ્રહ્માંડ-કિરણો પણ પ્રવેગિત થતાં હશે. આ રીતે મોટા ભાગનાં બ્રહ્માંડ-કિરણો તારા-વિશ્વ ‘આકાશગંગા’માં જ ઉત્પન્ન થતાં હશે. આ ઉપરાંત અન્ય તારા-વિશ્વોમાં પણ બ્રહ્માંડ-કિરણોનાં ઉદગમસ્થાન હોવાં જોઈએ, જ્યાં શક્તિશાળી ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં બ્રહ્માંડ-કિરણો પ્રવેગિત થતાં હશે.
ભારતના વિજ્ઞાનીઓ પ્રો. ગીસ., ડૉ. હોમી ભાભા અને ડૉ. વિક્રમ સારાભાઈનું આ કિરણોના સંશોધનમાં નોંધપાત્ર પ્રદાન છે. તેના સંશોધન માટે ભારતમાં તાતા ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑવ્ ફન્ડામેન્ટલ રિસર્ચ, મુંબઈ અને ફિઝિકલ રિસર્ચ લૅબોરેટરી (અમદાવાદ) એ બે સંસ્થાઓ મહત્વની છે.
પરંતપ પાઠક