Kosmische Strahlung messen mit dem Smartphone

Soll noch einer sagen, mit einem Smartphone könne man nichts sinnvolles anstellen: Mit einer von Physikern der University of Madison-Wisconsin entwickelten App kann man nun sogar kosmische und radioaktive Strahlung nachweisen. Die Daten können vielleicht sogar einmal für sinnvolle „Citizen-Science“-Projekte genutzt werden.

Myonen entstehen in regelrechten Scheuern kosmischer Teilchen in der Erdatmosphäre. Bild ASPERA/Novapix/L.Bret

Myonen entstehen in regelrechten Scheuern kosmischer Teilchen in der Erdatmosphäre. Bild ASPERA/Novapix/L.Bret

Kosmische (Teilchen)-Strahlung stammt von astronomischen Quellen, die sich oft weit entfernt im Kosmos befinden. Die meisten der kosmischen Teilchen werden von der Erdatmosphäre absorbiert (weswegen manche Detektoren, etwa AMS02, im Weltall operieren). Gewisse Sekundärteilchen, die Myonen, erreichen aber auch die Erdoberfläche. Auf Meereshöhe treffen in jeder Sekunde rund 100 Myonen auf einem Quadratmeter auf, in großen Höhen, etwa auf Bergen oder an Bord von Flugzeugen, ist diese Rate um ein Vielfaches höher.

Myonen durchdringen Materie, ionisieren sie aber auch und sind deshalb mit einem photoelektrischen Chip wie er in Smartphonekameras verbaut ist, nachweisbar. Dazu wird zunächst das Objektiv lichtdicht abgeklebt, damit kein störendes Licht auf den Chip fällt. Die App lässt die Kamera dann alle paar Sekunden sogenannte Dunkelbilder aufnehmen, die anschließend automatisch auf Spuren kosmischer Myonen untersucht werden.

Auch radioaktive Strahlung aus der Umgebung (ja, die gibts, auch wenn Sie nicht in einem Kernkraftwerk wohnen) kann allerdings die Siliziumzellen des Chips ionisieren. Ob mit einem einzelnen Smartphone solche irdischen Ereignisse erkannt werden können, wage ich daher zu bezweifeln. Physiker nutzen dafür üblicherweise mehrere Detektoren, die in Koinzidenz geschaltet sein, d. h. das selbe Myon registrieren, während es durch die Detektoranordnung fliegt. So kann sichergestellt werden, dass das Teilchen „von oben“ kam.

Dennoch ist das ganze eine witzige und lehrreiche Sache, mit der man sicher eine Menge lustiger Sachen anstellen kann. Die App firmiert unter dem Namen DECO (Distributed Electronic Cosmic-Ray Observatory), wer sie ausprobieren möchte findet sie unter diesem Link.  Vorläufig ist die App nur für Android-Geräte verfügbar, eine iOS-Version soll folgen.

Jan Hattenbach

Mit dem Astronomievirus infiziert wurde ich Mitte der achtziger Jahre, als ich als 8-Jähriger die Illustrationen der Planeten auf den ersten Seiten eines Weltatlas stundenlang betrachtete. Spätestens 1986, als ich den Kometen Halley im Teleskop der Sternwarte Aachen sah (nicht mehr als ein diffuses Fleckchen, aber immerhin) war es um mich geschehen. Es folgte der klassische Weg eines Amateurastronomen: immer größere Teleskope, Experimente in der Astrofotografie (zuerst analog, dann digital) und später Reisen in alle Welt zu Sonnenfinsternissen, Meteorschauern oder Kometen. Visuelle Beobachtung, Fotografie, Videoastronomie oder Teleskopselbstbau – das sind Themen die mich beschäftigten und weiter beschäftigen. Aber auch die Vermittlung von astronomischen Inhalten macht mir großen Spaß. Nach meinem Abitur nahm ich ein Physikstudium auf, das ich mit einer Diplomarbeit über ein Weltraumexperiment zur Messung der kosmischen Strahlung abschloss. Trotz aller Theorie und Technik ist es nach wie vor das Erlebnis einer perfekten Nacht unter dem Sternenhimmel, das für mich die Faszination an der Astronomie ausmacht. Die Abgeschiedenheit in der Natur, die Geräusche und Gerüche, die Kälte, die durch Nichts vergleichbare Schönheit des Kosmos, dessen Teil wir sind – eigentlich braucht man für das alles kein Teleskop und keine Kamera. Eines meiner ersten Bücher war „Die Sterne“ von Heinz Haber. Das erste Kapitel hieß „Lichter am Himmel“ – daher angelehnt ist der Name meines Blogs. Hier möchte ich erzählen, was mich astronomisch umtreibt, eigene Projekte und Reisen vorstellen, über Themen schreiben, die ich wichtig finde. Die „Himmelslichter“ sind aber nicht immer extraterrestrischen Ursprungs, auch in unserer Erdatmosphäre entstehen interessante Phänomene. Mein Blog beschäftigt sich auch mit ihnen – eben mit „allem, was am Himmel passiert“. jan [punkt] hattenbach [ät] gmx [Punkt] de Alle eigenen Texte und Bilder, die in diesem Blog veröffentlicht werden, unterliegen der CreativeCommons-Lizenz CC BY-NC-SA 4.0.

11 Kommentare Schreibe einen Kommentar

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  2. > Auch radioaktive Strahlung aus der Umgebung (ja, die gibts, auch wenn Sie nicht in einem Kernkraftwerk wohnen)

    Selbst in Wohngebieten in der Nachbarschaft von Kernkraftwerken ist die radioaktive Strahlung des Kraftwerks gegenüber der natürlichen Strahlung zu vernachlässigen. Wer sich über die Strahlenbelastung den Kopf zerbricht sollte eine Karte der selben zurate ziehen: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Strahlenexposar.png

    Verglichen mit der Variation der Intensität der natürlichen Strahlung ist die Strahlung des Kernkraftwerks über die Intensität nicht meßbar. Nur eine Analyse des Spektrums gibt Aufschluss über die Herkunft.

    • Dass wir uns ständig in einem Meer von hochenergetischer Strahlung bewegen ist vielen nicht bewusst – ist aber so und war schon immer so (vor 1 Milliarde Jahre war diese Hintergrundstrahlung auf der Erde sogar deutlich höher als heute).

      Das ist aber auch der Grund, dass man Myonenereignisse nicht ohne weiteres aus diesem Strahlungsmeer herausfiltern kann – ausser man hat baulich einen Filter (spektral oder richtungsorientiert) eingebaut.

      Ich staune aber am meisten darüber, dass Myonen es durch die ganze Atmosphäre schaffen, denn Myonen sind quasi schwere Elektronen. Wie Elektronen sind sie geladen. Eigentlich müsste man starke Interaktionen mit der Materie erwarten, die von den Myonen passiert wird. Wenn es solche Interaktionen nicht gäbe könnte man sie auch nicht mit einem Photodetektor registrieren. Scheinbar sind aber direkte Kollisionen mit Atomkernen selten und die Myonnen fliegen weiter nachdem sie Materie, die so dumm war sich in ihrer Flugbahn zu befinden, ionisiert haben. Das funktioniert wohl nur, weil die kosmischen Myonen extrem hohe Energien besitzen und deshalb bei jedem Ionisationsvorgang nur einen kleinen Teil der Bewegungsenergie verlieren, den sie besitzen.

      • Die Teilnehmer eines Open-Air-Konzerts könnten, wenn alle mit einem Smartphone ausgerüstet, eine Myonenmessung vornehmen indem jeweils zwei mit der DECO-App ausgerüstete Smartphones übereinandergelegt werden. Zeitgleich registrierte Dark-Counts würden auf ein Myon hinweisen.
        Noch eine Bemerkung zu meiner obigen Bemerkung „Ich staune aber am meisten darüber, dass Myonen es durch die ganze Atmosphäre schaffen, „. Myonen entstehen in etwa 10 bis 20 Kilometer Höhe durch Pionenzerfall, wobei Pionen selbst Sekundärprodukte kosmischer Strahlung sind. Ein Myon hat nur eine sehr kurze Halbwertszeit (1.5 Mikrosekunden) bevor es unter anderem in ein Elektron zerfällt. Trotzdem erreichen sehr viele Myonen die Erdoberfläche, weil sie mit relativistischen Geschwindigkeiten unterwegs sind.

        • Martin Holzherr schrieb (7. Oktober 2014 9:04):
          > […] indem jeweils zwei mit der DECO-App ausgerüstete Smartphones übereinandergelegt
          werden. Zeitgleich registrierte Dark-Counts würden auf ein Myon hinweisen.

          Oder, angesichts des im Artikel gezeigten Bildes („Myonen entstehen in regelrechten Scheuern kosmischer Teilchen in der Erdatmosphäre„):
          auf zwei oder mehr Myonen.

          > Myonen entstehen in etwa 10 bis 20 Kilometer Höhe durch Pionenzerfall […] Ein Myon hat nur eine sehr kurze Halbwertszeit (1.5 Mikrosekunden) bevor es unter anderem in ein Elektron zerfällt. Trotzdem erreichen sehr viele Myonen die Erdoberfläche, weil sie mit relativistischen Geschwindigkeiten unterwegs sind.

          Dem ist die folgende („Trotz„-lose) Bemerkung entgegenzusetzen:

          Myonen entstehen in etwa 10 bis 20 Kilometer Höhe durch Pionenzerfall.
          Von denjenigen, die mit relativistischen Geschwindigkeiten (gegenüber der Erdoberfläche bzw. auch gegenüber den Molekülen der Erdatmosphäre) gestartet bzw. unterwegs sind (β >~ 0,9), erreichen einige die Erdoberfläche.

          Aus dem Vergleich der Anzahl der auf der Erdoberfläche eintreffenden Myonen mit der Anzahl der in der Höhe entstandenen Myonen (ggf. unter Berücksichtigung von möglicher „Streuung zwischendurch“) hat man (auch) für diese Myonen eine Halbwertsdauer von ca. 1,5 Mikrosekunden ermittelt.

          (Mit β = 0,9
          ergibt sich in diesen Versuchen der Wert des Halbwerts-Reisedistanzverhältnisses

          c β T_halb / Sqrt[ 1 – β^2 ] / Distanz_Quelle_Detektor

          von höchstens ca. 0,1.)

  3. Ich frage mich, ob mir einmal ein Cosmic Ray ins Netz gegangen ist. Siehe Foto Hier: http://www.schremmer.de/aktuell/Cosmic_Ray_MG_6649_combine.jpg.

    Das ist ein Foto aus einer langen Serie, die Nachts aufgenommen wurde mit einem APS-C Sensor bei 30s Belichtungszeit. Die Spur war nur auf einer Aufnahme von tausenden, die ich mit dieser Kamera gemacht habe. Die Spur habe ich vergrößert und noch einmal ins Bild eingefügt. Die Spur ist absolut gerade, was bei einem aufgesetztem Fisheye Objektiv seltsam wäre. Die Spur verläuft zum Teil gegen den Himmelshintergrund und zum Teil vor einer Hecke.

    Was meint Ihr?

    • Jan Hattenbach

      Ist das bereits ein Crop (also das äußere Bild)? Wundere mich, weil ich keine Sterne sehen kann. Falls ja, müsste der Cosmic dann aber fast seitlich eindedrungen sein, so lang wie der ist, oder? Bei einem Fisheye sollte eine Satellitenspur gebogen sein, stimmt.

  4. Das ist ein Crop (ca. 1/3 der originalen Bildlänge) und in der Größe reduziert. Der weisse Fleck in der Bildmitte ist ein Stern. Ich habe mir die Originalbilder noch einmal angeschaut. Es war ziemlich diesig und es sind nur wenige Sterne drauf. Bei Interesse hier das Original: http://www.schremmer.de/aktuell/Schremmer_6649.JPG
    Ich habe mir auch überlegt, das die Richtung per Zufall ziemlich exakt in der Sensorrichtung gelegen haben muss. Bei einem elektronischen Artefakt, was auch eine Erklärung wäre, würde ich eher eine Spalte oder Zeile erwarten, die Fehler hat – und keine schräge Spur.

    • Jan Hattenbach

      Das sieht wirklich seltsam aus. Ein Cosmic müsste den Chip ja wirklich genau gestreift haben, das kommt mir sehr unwahrscheinlich vor. Tut mir leid, ich habe im Moment keine Erlärung dafür…

  5. Pingback: Komet Siding Spring am Marshimmel › Himmelslichter › SciLogs - Wissenschaftsblogs

  6. Observing Ultra-High Energy Cosmic Rays with Smartphones will kosmische Strahlung ultrahoher Energie (>10^18 ev) mit Smartphones aufzeichnen.

    Extensive air showers generated by cosmic rays produce muons and high-energy photons, which can be detected by the CMOS sensors of smartphone cameras. The small size and low efficiency of each sensor is compensated by the large number of active phones. We show that if user adoption targets are met, such a network will have significant observing power at the highest energies.

    Und so funktioniert es

    The per-shower effciency is calculated in simulation by sampling randomly placed phones in the path of a shower and determining the number of phones which register a hit. If at least five phones register a hit, the shower is labeled as found; see Fig. 9. The per-shower efficiency is then the fraction of showers which have at least five phones registering hits. The per-shower efficiency rises
    with incident particle energy due to the increase in the number of particles in the shower. The expected rate per area per year is the incident ux [22] integrated over energy bins and multipliedby the per-shower efficiency, see Fig 10;

    Und das sind die Herausforderungen um es zu realisieren

    Building an installed user base of more than 1M devices operating reliably poses a social and organizational challenge. We have begun to address these by reducing the barriers to participation via automatic and inobstrusive operation, and providing incentives for users

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