解密宇宙線

□ 編譯 / 謝 懿

解密宇宙線

□ 編譯 / 謝 懿

宇宙中最高能粒子的起源是一個謎。它們被統(tǒng)稱為宇宙線，包含質(zhì)子和其他原子核，會以接近光速的速度在宇宙中疾馳。它們長途跋涉，從四面八方向地球涌來，以接近光速的速度撞擊地球大氣層。但是什么把它們加速到了如此極端的高能？在琢磨了一個多世紀(jì)之后，科學(xué)家們已在太空和地面建造了探測器，開始尋找期待已久的答案。

宇宙線轟擊地球大氣引發(fā)大氣簇射產(chǎn)生級聯(lián)粒子的概念圖。版權(quán)：ASPERA/ Novapix/ L.Bret。

宇宙線研究

但是，要想更多地了解宇宙線卻非易事。天文學(xué)的基礎(chǔ)是觀測來自宇宙的不同波長的光線——從波長最長的射電波到波長最短的γ射線——它們都是沿著最筆直的路徑進(jìn)入到望遠(yuǎn)鏡中的。不同于不帶電的光子，宇宙線是帶電的，這使得它們在空間中的行進(jìn)路線變得更為復(fù)雜。貫穿太陽系、銀河系和宇宙的磁場會扭曲它們的路徑，抹掉它們真正來自哪個方向的信息。缺少了直線軌跡的指引，宇宙線科學(xué)家必須利用其他線索來揭示這些粒子的來源。

這其中最主要的是宇宙線抵達(dá)地球時的流量、組成成分和能量。宇宙線的能量可以跨越12個數(shù)量級，即最高能粒子其所攜帶的能量是最低能粒子的一萬億倍。在一段時間里抵達(dá)地球的宇宙線數(shù)量——被稱為流量——會隨著宇宙線的能量而有所不同。能量越高的宇宙線粒子，越罕見。在地球上每6.5平方厘米的面積上每一秒鐘都會遭受幾個低能宇宙線的打擊，而對于超高能的宇宙線來說在2.6平方千米的區(qū)域中每世紀(jì)才會出現(xiàn)一個。對于如此多樣的研究對象，科學(xué)家們采取了不同的觀測手段。

當(dāng)宇宙線轟擊地球大氣層時，它們會與其中的分子發(fā)生碰撞。這些撞擊會產(chǎn)生次級粒子級聯(lián)——被稱為大氣簇射或粒子簇射，由此隱藏了其母宇宙線的信息。搭載在氣球上的（簡稱“球載”）和空間中的探測器位于絕大多數(shù)大氣分子之上，因此也位于大氣簇射上方，可以探測到原宇宙線。另一方面，地面上探測器通過粒子級聯(lián)的特性可以回推并反演出入射宇宙線的種類。這兩種類型的觀測表明，宇宙線是被剝離了電子的原子——氫（即質(zhì)子）、氦、碳、氧、鐵以及甚至更重元素的原子核。

通過大自然的粒子加速器，這些原子核被加速到了相對論性的能量——這意味著它們的運(yùn)動速度接近光速。但是，一百年來，這些加速器究竟是什么以及它們到底是如何工作的則一直是個謎。

從天而降的輻射

太空中存在某種形式電離輻射，即高速運(yùn)動的帶電粒子，它們可以打掉原子周圍的電子，這一想法可追溯到1785年。那年，法國物理學(xué)家查爾朱.室嘯朱俘×愆×憐蘭眾Dibsmft. Augustin de Coulomb）發(fā)現(xiàn)，即便被很好地絕緣，可探測物體電量的驗電器也會自發(fā)地流失其自身的電荷。19世紀(jì)末，放射性的發(fā)現(xiàn)對此給出了部分的解答：放射性物質(zhì)會產(chǎn)生高能粒子（當(dāng)時簡稱為“射線”）。當(dāng)它們打到驗電器上時，會通過敲擊掉電子使得其電荷流失。到1911年，通過把驗電器帶入隧道和水下并將其放在金屬屏蔽層中，科學(xué)家力圖更多地了解這些具有貫穿力的輻射。它們是由地殼還是大氣發(fā)出的？抑或來自地球之外？

通過用氣球把驗電器帶到5.3千米瞇飲怵傴室婦吡猸甥崔巰緩卦掊×賄朱（Victor Hess）在1912年回答了這個問題。赫斯發(fā)現(xiàn)，隨著驗電器的上升，地面之上的輻射流量立即出現(xiàn)了降低，直到約1.0千米的高度之后才開始再次增大。然后，在4.0～5.3千米之間，輻射流量達(dá)到了海平面的2倍。他稱其為“從天而降的輻射”。他的實驗表明，雖然有一些電離輻射來自于地表，但絕大部分來自太空。1936年，赫斯因發(fā)現(xiàn)電離輻射起源自地外而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

第一次世界大戰(zhàn)后，宇宙線研究的重心轉(zhuǎn)移到了美國，物理學(xué)家羅伯獐×市笳檳眾Spcfsu!Njmmjlbo優(yōu)噱鏍畜×恂柚難眾Bsuivs!Dpnqupo優(yōu)干嵊嵴線的本質(zhì)進(jìn)行了著名的辯論。他們的爭論上了1932年12月31日《紐約時報》的頭版。密立根深信，電離輻射由被稱為γ射線的高能光子組成。他提出，它們是星系際空間中氫核聚變的副產(chǎn)品，并為它們?nèi)∶坝钪婢€”。另一方面，康普頓則認(rèn)為，電離輻射與γ射線不同，是帶電粒子。雖然密立根所起的名字流傳了下來，但康普頓的觀點卻是正確的。

最終平息這場爭論的是一個環(huán)球旅行者。1927年，荷蘭科學(xué)家雅各徭×卦莞眾Kbdpc!Dmbz優(yōu)兮哽怵幻裰僳的爪哇前往意大利的熱那亞。在此次旅行中，他發(fā)現(xiàn)宇宙線的流量并非是處處相等的，它會隨著緯度而變化。為了進(jìn)一步研究這一效應(yīng)，康普頓召集了世界各地100名科學(xué)家來測量不同地方的宇宙線流量。他推測，如果宇宙線是帶電粒子，那地球磁場會使它們發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致在不同的緯度測到不同的結(jié)果——這也正是他和他的合作者們所看到的。

胼廳撩×遂栽眾Wjdups!Iftt優(yōu)嬈2∶23悱熱氣球飛行之后所拍攝的照片，在這次飛行中他發(fā)現(xiàn)宇宙線來自太空。版權(quán)：National Geographic。

謎解開了？

對宇宙線有著極大興趣的，不僅有粒子物理學(xué)家，還有天體物理學(xué)家。他們想知道天體是如何把這些亞原子粒子加速到如此高速的，這些粒子又會對宇宙和生物系統(tǒng)產(chǎn)生什么樣的影響。

1934年，德國天文學(xué)家沃爾獐×徘愆眾Xbmufs!Cbbef優(yōu)噱畛孓孱有崔巰惲鄹茜×廁緩婧眾Gsju{![xjdlz優(yōu)提出，僅超新星釋放的能量就足以解釋觀測到的宇宙線。2013年，綜合美國宇航局費米γ射線空間望遠(yuǎn)鏡和意大利空間局γ射線輕型探測器的數(shù)據(jù)，他們的想法最終得到了證實。W44和IC443這兩個超新星遺跡為宇宙線來自其邊緣提供了絕佳的證據(jù)。在這一新結(jié)果基礎(chǔ)上，天文學(xué)家可以回溯我們銀河系中超新星的歷史，解釋我們今天所看到的宇宙線分布。

在被超新星遺跡加速之后，在很長一段時間里宇宙線會在銀河系逐漸擴(kuò)散。由于磁場會扭轉(zhuǎn)它們的行進(jìn)路線，幾千萬年后它們才會到達(dá)地球，宇宙線能量越低，所花的時間越長。相比之下，因為沿直線運(yùn)動，中性粒子只要花10萬年就能穿越銀河系的長度。通過測量不同能量宇宙線的相對豐度，科學(xué)家可以更多地了解它們的磁擴(kuò)散過程。一系列開創(chuàng)性的球載和空間實驗在認(rèn)識銀河系內(nèi)宇宙線的歷史中做出了極大的貢獻(xiàn)。

通過這些實驗科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙線中某些原子核的豐度要遠(yuǎn)超太陽系中的。例如，宇宙線中鋰、鈹、硼核的豐度是它們在太陽系中的10萬倍。宇宙的組成在每個地方都應(yīng)該是大致相同的。這一結(jié)果表明，由重原子核構(gòu)成的宇宙線一定與星際物質(zhì)發(fā)生了碰撞，分解成了這些更小的粒子?；谶@些統(tǒng)計，天文學(xué)家可以分辨出宇宙線路徑上的平均密度。分析表明，宇宙線的運(yùn)動軌跡長達(dá)數(shù)百萬光年，比銀盤的厚度——僅幾千光年——還要長。

銀河系宇宙線在宇宙線能譜上橫跨了至少8個數(shù)量級。在低能段，質(zhì)子占據(jù)了主導(dǎo)，高能段則被直到鐵的更重的元素所占據(jù)。天文學(xué)家認(rèn)為，這一向重元素的過渡是由于銀河系宇宙線蜿蜒穿行于銀河系磁場所致。其逃逸的概率取決于它們的能量和電荷之比。和宏觀的物體一樣，在相同的速度之下，質(zhì)量越大的原子核具有越高的能量。能量居中的宇宙線來自銀河系內(nèi)的超新星遺跡，能量最低的則來自太陽，被稱為太陽粒子。

觀測顯示有宇宙線在從超新星遺跡IC443中射出，插圖顯示的是其中的一顆中子星。版權(quán)：X射線：NASA/CXC/B.Gaensler等人/ ROSAT/Asaoka & Aschenbach；射電：NRC/DRAO/D.Leahy/NRAO/ VLA可見光：DSS。

不斷超越

不同的觀測技術(shù)可以讓科學(xué)家探測能量相差12個數(shù)量級的宇宙線：從1億電子伏特到超過1萬億億電子伏特。1電子伏特的能量相當(dāng)于電子穿過1伏特的電勢之后所獲得的能量。作為比較，室溫下一個分子的能量約為0.04電子伏特。

超高能宇宙線在天空中并非是均勻分布的，這也許會為它們的起源提供線索。圖中的紅圈標(biāo)出的是禺孕式×劁涉將棟臺探測到的結(jié)果。版權(quán)：Pierre Auger Collaboration。

球載和空間實驗可以探測到能量高達(dá)1000萬億電子伏特的宇宙線，但再往上其流量太低，因此科學(xué)家們轉(zhuǎn)而觀測由它們所產(chǎn)生大氣簇射的次級粒子。對于直接檢測，國際空間站上搭載了被宇宙線轟擊的儀器。阿爾法磁譜儀是其中的第一臺，它目前正在精確地測量不同類型宇宙線的成分和能譜。之后還有兩臺新的宇宙線探測器計劃將被安裝到國際空間站上，分別是量熱電子望遠(yuǎn)鏡與國際空間站宇宙線能量和質(zhì)量實驗。這些靈敏的實驗裝置試圖澄清銀河系宇宙線的本質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)宇宙輻射能譜中一些此前未知的成分。

然而，持續(xù)時間最長的宇宙線空間探測是已工作了36年的“旅行者”1號和2號?！奥眯姓摺?號于1977年9月5日發(fā)射，幾個星期后它的孿生兄弟“旅行者”2號也發(fā)射升空。在探訪外行星的過程中，它們也發(fā)回了在太陽系中最遙遠(yuǎn)地點的宇宙線探測結(jié)果。2012年8月，“旅行者”1號成為第一個從星際空間發(fā)回信號的人造物體。宇宙線信號可以指引科學(xué)家了解這些星際邊界。太陽磁場會把太陽風(fēng)粒子限制在太陽系內(nèi)，并把一部分的銀河系宇宙線阻擋在太陽系之外。太陽宇宙線流量的下降和銀河系宇宙線流量的上升標(biāo)志著“旅行者”1號進(jìn)入了星際空間?，F(xiàn)在，“旅行者”1號已成為第一個能直接探測低能銀河系宇宙線的探測器，此前這是遙不可及的。

超高能量射線

當(dāng)能量超過約10億億電子伏特時，來自銀河系之外的河外宇宙線就會占據(jù)主導(dǎo)，它們大多數(shù)是較輕的元素。

在什么能量上河外宇宙線會超過銀河系宇宙線仍是一個懸而未決的問題。其他依然存在的謎題還包括這些超高能河外粒子的起源。它們是由遙遠(yuǎn)星系中心的超大質(zhì)量黑洞所產(chǎn)生的嗎？或者是形成于宇宙中最大結(jié)構(gòu)碰撞并合所導(dǎo)致的激波？又或者是形成于大質(zhì)量恒星誕出黑洞或中子星的劇烈爆炸？最后，宇宙線的能量究竟能高到什么程度？

1962年，超高能宇宙線探測的先頌翹獎猸甥崔巰細(xì)耠×棠朱吡眾Kpio! Linsley）利用位于美國新墨西哥州火山牧場的大型陣列探測器觀測到了1萬億億電子伏特的宇宙線事件。這相當(dāng)于一個亞原子粒子具有了和一個高速網(wǎng)球相同的能量。4年后，美國物理學(xué)家肯幻朱×櫧闔武眾Lfoofui!Hsfjtfo優(yōu)儔苧肟猸甥崔巰健宏×掀鄣懷眾Hfpshjz!U/! [butfqjo優(yōu)噱疣輜寺×憐廁錮眾Wbejn! Kuzmin）一起預(yù)言，由于和宇宙微波背景輻射之間的相互作用，相對于正常的流量隨能量上升而下降，1萬億億電子伏特左右的宇宙線會變得更少。在他1966年具有里程碑意義的論文中，格雷森指出精確測量這一流量的陡降幅度將會澄清超高能宇宙線的起源。

科學(xué)家會使用兩種主要設(shè)備來探測超高能宇宙線：地面陣列和熒光望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)次級粒子抵達(dá)地面并打到探測器上時，地面陣列會對大氣簇射進(jìn)行采樣。熒光天文臺則會探測隨著大氣簇射的進(jìn)行大氣中氮分子所發(fā)出的紫外線?？焖俸挽`敏的相機(jī)會記錄下這些輻射，后者相當(dāng)于一個幾十千米之外以光速運(yùn)動的家用燈泡。熒光技術(shù)率先被用在了位于美國猶他州的蠅眼探測器上，它在1991年觀測到了迄今能量最高的宇宙線事件，達(dá)3萬億億電子伏特，挑戰(zhàn)了格雷森、扎采平和庫茲閔的預(yù)言。

飲吉轉(zhuǎn)璃蜍矸噱睇娠冪×剔沁孱有臺最近測定了某特定能量的高能宇宙線瞇瞥幟借怵〃凱僖鏍檳恨傴睇娠冪×剔歇天文臺是世界上最大的宇宙線探測器，占地3,000平方千米，配備有切倫科夫水箱探測器陣列和4架熒光望遠(yuǎn)鏡。它還發(fā)現(xiàn)，超高能量宇宙線并非均勻地來自天空的每一個角落，一些地方的流量會高于其他的。這一非均勻分布可能是其神秘河外起源的第一批線索?？茖W(xué)家能把這些宇宙線在天空中的位置與已知的天體相匹配。例如，這些宇宙線的方向?qū)?yīng)于活動星系。

最近，又有一個地面陣列——望遠(yuǎn)鏡陣列項目——投入使用。它位于美國猶他州，占地700平方千米，是皮埃冪×剔沁孱有喉好咳噠甜瞇蟾卡〃

新一代的天文臺也在籌劃中，目標(biāo)是觀測到足夠的極端粒子來解決超高能宇宙線起源的謎題。例如，日本的高靈敏度熒光望遠(yuǎn)鏡將被安裝到國際空間站上。它會向下觀測，把地球自身的大氣用作一個巨大的粒子探測器。

科學(xué)家之所以如此深入地研究宇宙線，部分原因是這些研究可以帶來粒子物理學(xué)和天文學(xué)的新發(fā)現(xiàn)。此外，他們感興趣也是因為這些高能粒子已改變了地球的歷史和地球上生命的歷史。事實上，沒有宇宙線可能就不會出現(xiàn)生命。當(dāng)宇宙線電離大氣的時候，會觸發(fā)閃電并影響云的形成，這可能有助于加熱原初地球的海洋。它們還可以通過其他方式影響了生命，例如引起基因突變和促進(jìn)演變。

盡管宇宙線可能有助于早期生命，但它們也會給我們的未來帶來問題。當(dāng)人類離開地球大氣層時，宇宙線的流量會升高，它是阻礙人類長距離太空旅行的最大挑戰(zhàn)之一。不過，來自未來新儀器設(shè)備的認(rèn)識將會幫助我們克服這些障礙，安全地穿行了太空之中。

（責(zé)任編輯 張長喜）

縻幫龐冢涔嬈躞踝禺孕式×劁涉將棟嗝祺晶煒妃〃版權(quán)：ASPERA/Pierre Auger Collaboration。