尋找宇宙“引擎”

一百年過去了，高能空間微粒依然是謎。

那是1912年8月7日，為破解一樁奧秘，奧地利物理學(xué)家維克多·赫斯登上了一個氣球。氣球上搭載著三部驗電器，用途是探查大氣層中的帶電微粒。大氣層中不可見的微粒是一個頗為古老的謎題——早在1785年，這樣的微粒就被探查到，但是人們一直沒有搞清楚它們究竟來自哪里。

早晨6時剛過，赫斯乘坐的氣球從波西米亞城鎮(zhèn)烏斯季升空。6小時后，氣球升至5300米高空，然后降落在柏林附近。在此過程中，赫斯取得了一個重要發(fā)現(xiàn)：他的驗電器在離地4500米處記錄到的帶電微粒的數(shù)量是地面的帶電微粒的3倍，這證明了這些微粒并非來自地球自身，而是來自太空。此前，人們利用驗電器，在地下、水中和埃菲爾鐵塔上進(jìn)行的實驗都未獲得確定性的結(jié)論。赫斯因此獲得諾貝爾獎。

奧地利物理學(xué)家維克多·赫斯1912年進(jìn)行氣球探測試驗的場景（繪畫及實景）

神秘的宇宙射線

時至今日，赫斯的氣球之行已過去百年，而科學(xué)家仍在研究早在20世紀(jì)20年代就已知道的東西——宇宙射線。其實，謂之“宇宙射線”是當(dāng)時的一種誤導(dǎo)，它們其實是一直以來“轟擊”地球的亞原子微粒，或者說是從遙遠(yuǎn)的地方跑到地球的“太空旅行者”。其中一部分來自銀河系以內(nèi)，另一部分以極大能量撞擊地球，它們無疑來自銀河系以外。

大約90%的宇宙射線以高能質(zhì)子的形式到達(dá)地球，可能只有1%是電子，其余的都比原子核重，例如氦和鐵——這便是科學(xué)家知道的關(guān)于宇宙射線的所有知識。

那么，宇宙射線究竟來自何方？它們是怎樣來到地球的？誰是超高能宇宙射線的“引擎”？無人能給出準(zhǔn)確答案。要知道，分享宇宙射線的“故事”可不容易。除了在太陽爆發(fā)期間產(chǎn)生的一些低能量宇宙射線外，其余的宇宙射線大都來歷不明——它們迂回地來到地球，因而將來時路上的一切痕跡都抹掉了。神秘而罕見的超高能宇宙射線挑戰(zhàn)著科學(xué)家的想象力?？茖W(xué)家認(rèn)為，發(fā)射超高能宇宙射線的“引擎”一定是宇宙間最大的“引擎”——他們稱之為“天體物理加速器”。

科學(xué)家在地下、海面下和太空中建造了強(qiáng)力探測器，以期查明有關(guān)宇宙射線的種種。最近的探索證明，銀河系內(nèi)部的超新星會加速宇宙射線；科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了來自更遠(yuǎn)處的超高能宇宙射線的化學(xué)組成元素的線索。但是，至今仍然無人知道把這些高能的“宇宙訪客”發(fā)射進(jìn)太空的“引擎”究竟是什么。步赫斯之后塵，過去10年來，在寒冷的南極冰蓋上空集聚了一系列的氣球試驗。南極冰蓋堪稱“天然的通用實驗室”，它的反射性或許有助于揭示超高能宇宙射線背后的匿名加速器。

超新星和“超級泡泡”

相對來說，科學(xué)家對于來自銀河系內(nèi)的宇宙射線的了解較多一些。銀河系宇宙射線很常見，每分鐘經(jīng)過你的拇指的微粒大約有10個。如果是在地球大氣層以上，這個數(shù)量則會達(dá)到50倍，這也就是為什么說長時間太空飛行有風(fēng)險的原因之一。星系宇宙射線以0～10的18次方電子伏特的能量到達(dá)地球，其最大能量是歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)中質(zhì)子碰撞所產(chǎn)生能量的數(shù)萬倍。不過，大多數(shù)射線的能量在1億～100億電子伏特之間。由于帶電，處于這些能量級的射線會被磁場束縛。一顆在銀河系中“流浪”，最終到達(dá)地球的微粒所采取的應(yīng)該是醉漢的步態(tài)，它最終到達(dá)地球時的方向與它當(dāng)初出發(fā)時的方向無關(guān)（行星和恒星等大型天體的磁場能讓微粒的飛行軌跡發(fā)生偏移，星系本身的磁場也能捕獲宇宙射線，而后讓它們飛來飛去，就像裝在密封瓶里的蒼蠅一樣）。

這些都讓科學(xué)家很難跟蹤它們的確切源頭。不過，科學(xué)家認(rèn)為他們至少已經(jīng)找到了其中一個源頭，那就是超新星（只可惜，還沒有任何直接觀測證據(jù)能把入射微粒和遙遠(yuǎn)的恒星爆發(fā)聯(lián)系起來）。根據(jù)天體物理學(xué)，宇宙射線有可能來自于由超新星和狂暴巨恒星組成的狂亂加速器，因為由兩者構(gòu)成的混沌宇宙環(huán)境不僅能產(chǎn)生微粒，而且能捕捉微粒，并把它們射向周圍，最終把它們踢出去。

如此之地被稱為“超級泡泡”。美國宇航局的“費米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡”（以下簡稱“費米”）最近的觀測結(jié)果，已接近證實“超級泡泡”正是星系宇宙射線的加速器之一。

“費米”在窺視天鵝座“超級泡泡”（銀河系中距離地球4500光年的一大片恒星形成區(qū)）時，看到了一大簇伽馬射線，其分布與“超級泡泡”的形狀很匹配。伽馬射線是電磁輻射的一種高能形式。尋找伽馬射線的“費米”之所以有助于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙射線加速器，是因為伽馬射線是在宇宙射線與星際介質(zhì)交互作用時產(chǎn)生的，它們不帶電，且直接指向自己的源頭，那里也是宇宙射線的家園。

科學(xué)家獲得的另一個證據(jù)是，星系宇宙射線中較重的元素也在這些“超級泡泡”中被“烹煮”。就像指紋一樣，不同元素例如鐵、鎳和氖的比例可暗示宇宙射線的起源。宇宙射線中大約20%的材料被科學(xué)家稱作“超級泡泡”材料，其余80%很可能是一般的星際材料，但其中大部分可能被用于為這些遙遠(yuǎn)的恒星加速。

利用在南極洲上空30000米以上高度飄飛的“老虎號”氣球探測器（以下簡稱“老虎”）等裝置，科學(xué)家正在解讀這些元素之間的比例的故事。

“噢，我的上帝微?！?/p>

不管是“超級泡泡”還是孤獨的超新星，都不能揭開一個更大的奧秘：什么樣的超巨大天體物理加速器才能讓那些銀河系外的超高能量的宇宙射線來到地球？在赫斯發(fā)現(xiàn)宇宙射線來自太空的證據(jù)50年后，科學(xué)家接待了一個不請自來的“客人”——一種能量為10的18次方電子伏特的微粒。1962年，這種微粒撞上了位于美國新墨西哥州的一個探測器陣列。1991年，比這種微粒的能量還高3倍的微粒擊中了美國猶他州大學(xué)的“蠅眼”探測器。它被稱作“噢，我的上帝微?！?。這樣的亞原子微粒以前所未見的超高能量穿行，正是它們的到來，帶來了新的奧秘：超高能宇宙射線?？茖W(xué)家至今仍在搜尋發(fā)射它們的超超級加速器。

一個好消息是，不像能量較低的星系親戚，這些極高能宇宙射線在路途中未偏離方向，而是一直指向發(fā)源地。壞消息是，這些射線實在是太少見，科學(xué)家都沒機(jī)會好好打量它們。較早的估計是，一顆這樣的微粒登陸1平方千米空間的概率為100年1次，較新的估計則是1000年3次。為了研究如此罕見的微粒，科學(xué)家需要超巨大探測器。目前，“皮埃爾·奧格天文臺”（以下簡稱“奧格”）擁有“最大探測器陣列”的頭銜，它包括1600只每只裝水12000升的水箱，它們的分布范圍寬達(dá)3000平方千米以上。這個捕捉宇宙微粒的陣列蜷縮在阿根廷沙漠中的群山之間。

當(dāng)宇宙微粒與另一種大氣層原子（通常為氮原子核）碰撞時，它們會碎裂成許多較小的微粒，產(chǎn)生所謂的空氣簇射，并最終落在多達(dá)30平方千米的范圍內(nèi)，這就是探測器陣列需要分布在一片廣大區(qū)域內(nèi)的原因之所在。當(dāng)微粒擊中水后，它們會產(chǎn)生一點點內(nèi)部探測器可見的光線。其中一些能量形式是紫外光，能被另外一個24部熒光望遠(yuǎn)鏡陣列看見。

2007年，一部超高能“引擎”被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時，科學(xué)家報告了入射微粒和活躍的星系核——在遙遠(yuǎn)星系中央暴烈翻滾的超大質(zhì)量黑洞——之間的一種誘人相關(guān)。在繪制的多個星系核圖上，近30個微粒整齊地排成一線，這是超能宇宙射線“引擎”的良好指針。

遠(yuǎn)未破解的奧秘

然而，隨著探測數(shù)據(jù)增多，這種關(guān)聯(lián)消失了。接著，問題更加深化。較新數(shù)據(jù)暗示，超高能宇宙射線并非大多由質(zhì)子組成，而是由較重的原子核如鐵原子核構(gòu)成。這幾乎讓科學(xué)家豁然開朗：較重的微粒攜帶更多電荷，因而更容易被加速到更快的速度。但仍不清楚的是，這些發(fā)現(xiàn)怎樣與現(xiàn)行的高能物理理論切合。讓科學(xué)家最吃驚的是，盡管有能量高達(dá)10的18次方電子伏特的超高能微粒，但更像鐵的微粒卻具有更高的能量。

雖然令人困惑，但如此場景可能與另一個令人難解的結(jié)果是一致的?？茖W(xué)家在2012年4月報告說，“南極”實驗室的“冰立方”探測器（目前最領(lǐng)先的超級探測器，以下簡稱“冰立方”）未能識別到超高能宇宙射線源自伽馬射線爆的任何跡象。隱身在南極冰下的“冰立方”占據(jù)1立方千米的空間。就像“奧格”的水箱一樣，“冰立方”搜索的也是切倫科夫輻射——宇宙微粒與水（或冰）交互作用而產(chǎn)生的閃光。但與“奧格”不同的是，“冰立方”并不直接尋找宇宙射線。它聚焦的是中微子：一些高能宇宙射線穿越太空時產(chǎn)生的滑溜、可變形的微粒。像伽馬射線一樣，中微子也直線穿行，并指向故土。

在兩年中觀測了超過300次伽馬射線爆之后，科學(xué)家卻未能看見任何中微子。如果現(xiàn)行天體物理學(xué)理論無誤，那么這一令人沮喪的結(jié)果就給伽馬射線爆與超高能宇宙射線之間的關(guān)聯(lián)打上了問號。然而，如果伽馬射線爆出人意料地吐出較重的微粒，“奧格”和“冰立方”的探測結(jié)果就嚙合了。較重的原子核如鐵原子核的行為與質(zhì)子不同，產(chǎn)生的中微子較少，這就能解釋為什么“冰立方”沒有發(fā)現(xiàn)伽馬射線爆與中微子之間的關(guān)聯(lián)。不過，這個奧秘依然遠(yuǎn)未破解。

不久之后，第二部大型中微子探測器陣列——“天壇無線電陣列”（以下簡稱“天壇”）就將與“冰立方”在南極聯(lián)手。建立“天壇”的目的，是為了探測這樣一種中微子：當(dāng)銀河系外的超高能宇宙射線被加速至與大爆炸剩下的熱輻射交互的程度時，這種中微子就產(chǎn)生了。運用無線電波而非光線探測中微子自有優(yōu)點：入射微粒的路徑更長，冰對射電爆比對光線更透明?？茖W(xué)家眼下仍在構(gòu)筑“天壇”，它的37部探測器將全部埋在冰下200米處，覆蓋面積達(dá)200平方千米。

南極之所以在過去10年中成為研究宇宙射線的各個科學(xué)團(tuán)隊的匯聚點，是由于它那固定的冰反射器和季節(jié)風(fēng)。在一些探測器深埋地下的同時，另一些探測器則乘坐氣球高飛，被每年11月開始攪動的極地渦流帶到大氣層。氣球被疾風(fēng)帶著環(huán)繞南極，一次可在cbd89e3ab3c3b22ab05f60f44fe2923bc6ab37ea03a9aa50295616426e73f38a空中飄浮幾周時間，與赫斯當(dāng)初的6小時相比已經(jīng)有了長足進(jìn)步。除了飛得更久之外，今天的氣球也飛得更高，離地可達(dá)30000米以上。今天的氣球還更大，大到能裝下一個美式橄欖球場。南極宇宙射線氣球探測器試驗除了“老虎”外還有“安妮塔”，后者探測的是當(dāng)高能微粒碎裂、造成無線電脈沖所產(chǎn)生的無線電波。這種無線電脈沖在南極洲被冰面反射掉，而“老虎”采用空中無線電天線陣列觀察反射來的脈沖。

8年來，還有另一個氣球試驗——“安迪克”在“嗅聞”高能電子的水平。高能電子或許是未受重視的一類星系宇宙射線，不受重視的原因是它們在入射微?？偭恐械谋戎叵鄬Φ?。而“安迪克”發(fā)現(xiàn)了奇怪之物：能量在3000億～6500億電子伏特之間的電子過于頻繁地?fù)糁刑綔y器，這用常規(guī)天體物理學(xué)無法解釋。被捕捉到的210顆微粒暗示，潛伏在附近的某個或某些天體必定在把它們推至地球方向。稍晚時候，“安提克-4號”的跟進(jìn)試驗證實了最初發(fā)現(xiàn)的異常的確存在。這一發(fā)現(xiàn)引起了一系列瘋狂猜測，其中包括暗物質(zhì)源的可能性。但最可能的標(biāo)準(zhǔn)天體物理學(xué)解釋看來是脈沖星，當(dāng)然答案不可能這么簡單——作為迅速旋轉(zhuǎn)的中子星，雖然脈沖星或許能加速微粒，但微粒找不到容易出逃的路徑。

破解宇宙射線之謎的線索，一點一滴地從地球不同地方浮現(xiàn)。它們既來自沙漠，也來自極地，還來自環(huán)繞地球的軌道器。然而，宇宙射線之謎依舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)未解。終極答案可能將來自更大的探測器，甚至需要把探測器安裝到月球背面（月球背對地球的那一面）。也許你會問，如此孜孜不倦的探索，究竟是為了什么？最可能的答案是，我們將認(rèn)識到天體物理學(xué)的極端程度的前所未見。宇宙奧秘之多、之深奧，超出我們的想象。

探測器陣列

如今無論在地下、海里，還是天上，都有宇宙射線探測器，它們的目的都是試圖弄清是什么東西在加速宇宙高能微粒。

陸地 對于地面上和地面下的宇宙射線探測器陣列來說，規(guī)模是個重要因素。龐大的探測器能提高捕捉到宇宙射線的機(jī)會。為了把規(guī)模提升至最大，一家名叫“圖像遠(yuǎn)見”的公司正開發(fā)一種手機(jī)應(yīng)用軟件，它將把任何智能手機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€宇宙射線天文臺，從而讓宇宙射線探測器陣列遍布全球。

海洋 不管是水還是冰，都有助于探測宇宙射線。一些科學(xué)家已經(jīng)在使用水下望遠(yuǎn)鏡。例如位于法國的地中海沿岸海底的與“冰立方”類似的“安塔雷斯”中微子望遠(yuǎn)鏡。不過，并非所有探測器都處于如此幸運的位置。例如，“貝加爾深海中微子望遠(yuǎn)鏡”已經(jīng)被埋沒在冰冷的西伯利亞湖中數(shù)年之久。

天空 宇宙射線探測器既有搭載于高空氣球上的，也有被稱作飛船、游弋在銀河系中的，例如搭載于“高級組分探索飛船”（簡稱ACE）上的“宇宙射線同位素光譜儀”。發(fā)射于1997年的ACE翱翔在地球上空150萬千米，發(fā)射于2008年的“費米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡”位于地面以上550千米。更接近地球的“阿爾法磁光譜儀”自2011年起就開始在國際空間站上探測宇宙微粒。幾年后，它將與致力于尋找高能電子的“卡里特”探測器為伴。計劃于2016年發(fā)射的一部熒光探測器，則與“奧格”探測器陣列相似。

云中 一種在20世紀(jì)70年代提出、一直有爭議的理論暗示，來自外太空的高能宇宙射線可能通過形成云而在改變地球氣候方面起了作用。隨著太陽經(jīng)歷自己11年的磁活動周期，宇宙射線的影響也會有起伏。一個磁活動更加活躍的太陽應(yīng)該會讓入射微粒偏離方向。理論上說，與大氣中的蒸氣微粒交互的宇宙射線會形成降雨種子。較少的宇宙射線意味著較少的云和較高的溫度。現(xiàn)在，科學(xué)家正運用一只云艙來確定宇宙射線是否真的導(dǎo)致了云的產(chǎn)生。在云艙中，科學(xué)家組建和大氣一樣的成分，包括引入上層大氣中的水蒸氣，然后發(fā)射合成宇宙射線束到云艙中?？茖W(xué)家在2012年報告說，與硫酸氣溶膠交互的合成宇宙射線的確導(dǎo)致了大氣中小微粒的形成，但這些微粒沒有達(dá)到足夠降雨的程度?？茖W(xué)家目前在測試加入更多水蒸氣的效果。