宇宙射線：來自外太空的神秘力量

老喬

科學(xué)內(nèi)核是科幻電影的重要組成部分。《流浪地球》《瘋狂的外星人》《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》，這些2019開年大片著實(shí)吸引了眾多影迷的眼球。而就在這些科幻電影中，都提及了一個(gè)元素——宇宙射線。那么同學(xué)們，你們知道宇宙射線到底是什么嗎？被宇宙射線照射會(huì)意外獲得超能力？地球上的生物會(huì)不會(huì)被宇宙射線殺死？要回答這些問題，看完這篇文章，你就知道了。

是誰發(fā)現(xiàn)了宇宙射線？

1895-1897年這3年間，人們相繼發(fā)現(xiàn)了X射線、放射性和電子，研究微觀粒子的大門由此被打開，“原子”不再是德謨克利特的抽象哲學(xué)概念，而是可以在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行量化研究的實(shí)體。通過研究具有放射性的礦石，人們逐漸意識(shí)到，礦石中的不穩(wěn)定元素會(huì)釋放出微觀粒子，它們形成了天然放射線。如鈾礦中所含的鈾-238會(huì)自發(fā)地釋放出帶正電的氦離子（即氦原子核）、帶負(fù)電的電子和不帶電的光子，這些粒子從鈾礦中飛出，分別形成帶正電的α射線、帶負(fù)電的β射線和不帶電的y射線。中文里也把它們稱為甲、乙、丙種射線，對(duì)應(yīng)α、β、y。

1910年，德國科學(xué)家西奧多-伍爾夫利用他設(shè)計(jì)的靈敏靜電計(jì)，探測(cè)到了空氣里存在著射線。這些射線會(huì)電離空氣分子，進(jìn)而產(chǎn)生可以被靜電計(jì)測(cè)到的帶電離子。一個(gè)很自然的假設(shè)是，這些射線是來自地殼表層（比如土壤和礦石）的放射性元素。如果遠(yuǎn)離地表的話，靜電計(jì)的讀數(shù)應(yīng)該會(huì)減小。于是他來到了法國，利用當(dāng)時(shí)最高的建筑——324米高的埃菲爾鐵塔來驗(yàn)證他的假設(shè)。他發(fā)現(xiàn)，在塔頂?shù)姆派湫宰x數(shù)約為塔底的0.58倍。而按照他的推算，在80米高處讀數(shù)就應(yīng)該減半，因而這些多出來的放射性并非來自地表。然而，由于埃菲爾鐵塔本身的材料里含有一些放射性元素，因此他的結(jié)論無法被人們接受。

1911-1913年，富有冒險(xiǎn)精神的美國物理學(xué)家弗蘭茲·赫斯乘坐熱氣球，上升到5.3千米的高空來進(jìn)行這一實(shí)驗(yàn)。出乎意料的是，從地表到距地表1千米高處，在空氣中測(cè)到的放射性確實(shí)是在不斷減少;但是在高于1千米時(shí)，放射性居然大大增加了;到5千米的時(shí)候，竟達(dá)到地表處的2倍。這說明空氣中的射線不僅僅來自于地表的放射性元素，還來自于其他地方。他認(rèn)為這些射線主要來自外太空，它們能量很高，可以穿透大氣層。他的結(jié)論馬上被著名物理學(xué)家密立根證實(shí)，后者將之稱為“宇宙射線”?；钴S星系核釋放的宇宙射線

在大型星系的中心（比如我們的銀河系），一般存在大質(zhì)量的黑洞（太陽質(zhì)量的100萬～1億倍）。這些黑洞周圍的星系物質(zhì)被黑洞的引力吸引，不斷堆積到黑洞周圍所形成的區(qū)域，稱為“活躍星系核”。這一區(qū)域的尺度約為幾光年，相當(dāng)于恒星之間的距離，與整個(gè)星系的尺度相比是極小的，約為太陽與銀河系中心距離的萬分之一，但是所含的能量卻極高。在天文照片中，我們可以看到銀河系中心的亮度要高于其他區(qū)域，實(shí)際上高出了好幾個(gè)量級(jí)。在活躍星系核的巨大能量下，釋放出大量能量極高的微觀粒子。就算它們來自遙遠(yuǎn)的星系，當(dāng)它們長途跋涉抵達(dá)地球的時(shí)候，能量依然可以達(dá)到10（15平方）eV以上。

宇宙射線也可以美美的

初級(jí)宇宙射線

在浩瀚的宇宙中，無數(shù)天體永不停息地上演著一幕幕壯觀的大戲。恒星活動(dòng)、超新星爆發(fā)、脈沖星、黑洞活動(dòng)、活躍星系核、伽馬暴等，會(huì)產(chǎn)生大量高能量的微觀粒子，這些在天體活動(dòng)中產(chǎn)生的粒子束流稱為原初宇宙射線，主要有電子、質(zhì)子、原子核（氦、碳、氧、鐵等元素）、光子、中微子以及相應(yīng)的反物質(zhì)粒子（如反電子、反質(zhì)子、反氦核），等等。它們?cè)谟钪婵臻g中穿行，與其中的物質(zhì)作用，改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生或轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌牧Ｗ?。原初宇宙射線在宇宙空間里磕磕碰碰，歷經(jīng)千辛萬苦甚至改頭換面終于抵達(dá)地球大氣層，這些便是“初級(jí)宇宙射線”。

次級(jí)宇宙射線

地球就站在“槍林彈雨”的太空戰(zhàn)場(chǎng)的一處——無時(shí)無刻不被宇宙射線中包含的微觀粒子轟擊著。高能粒子可以破壞生物體中的DNA和蛋白質(zhì)等物質(zhì)。而地球母親有兩層天然的“防護(hù)罩”來阻擋這些高能射線，減小宇宙射線對(duì)地球上的生命的傷害：一是地磁場(chǎng)，它使一些能量略低的帶電粒子被阻擋在地球外圍，形成如一瓣瓣桔子形狀的“范艾倫輻射帶”;其二是大氣層，里面的碳、氫、氧、氮、氬等元素可以承受宇宙射線的轟擊，吸收或者減小它們的能量，使它們轉(zhuǎn)化成其他粒子再射向地面，稱為“次級(jí)宇宙射線”。

它們大多來自銀河系外

來源于太陽的原初宇宙射線，能量一般在10⁶～10¹⁰eV（電子伏特，1eV等于1個(gè)電子在1伏特電勢(shì)差的電場(chǎng)中加速后所獲得的動(dòng)能，等于1.6×10^-19。焦耳）量級(jí)。太陽通過核反應(yīng)不停地燃燒著，其所含的氫、氦原子在高溫下被電離成帶正電的質(zhì)子、氦離子以及帶負(fù)電的電子等粒子。若這些粒子的能量足夠高，飛行速度足夠快，就可以擺脫太陽的引力束縛，飛逸出來。這些來自太陽的粒子流被稱為“太陽風(fēng)”，它們吹向地球，有些在地球的磁場(chǎng)作用下聚集在地球外圍的宇宙空間中，當(dāng)太陽活動(dòng)劇烈時(shí)，太陽風(fēng)中更高能量的帶電粒子會(huì)扭曲地球磁場(chǎng)，使本該被困在范艾倫輻射帶的粒子逃脫并進(jìn)入大氣層，在地磁場(chǎng)的作用下在兩極形成極光。

來自太陽系外的原初宇宙射線，能量較低（小于10¹⁰eV）的部分在太陽風(fēng)和地磁場(chǎng)的作用下被部分阻擋，而能量更高的部分依然可以抵達(dá)地球。來自太陽系外、銀河系內(nèi)的原初宇宙射線，主要由超新星爆炸所產(chǎn)生，它們的能量在10¹⁰～10¹⁵eV量級(jí)。而能量在10¹⁵～10²⁰eV量級(jí)的宇宙射線，人們尚不確定它們的來源，其中一部分可能來自銀河系內(nèi)，但主要還是來自銀河系外，主要由活躍星系核和伽馬射線暴產(chǎn)生。

要讀懂宇宙射線。確實(shí)有點(diǎn)難

目前，地球上有多個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了初級(jí)宇宙射線的能量與流量的關(guān)系。如果把一塊1平方米大小的平板放在大氣層外，對(duì)于能量在10⁹eV量級(jí)的宇宙射線，每秒可以有1萬條打在平板上;對(duì)10¹²eV量級(jí)的而言，每秒有1條;而對(duì)10¹⁶eV量級(jí)的宇宙射線，1年才有幾條;而能量更高的宇宙射線的流量極低，則非常罕見。

最終抵達(dá)地球大氣層的初級(jí)宇宙射線，與大氣層里的物質(zhì)發(fā)生作用，產(chǎn)生大量次級(jí)粒子（次級(jí)宇宙射線）。而次級(jí)粒子如果具有足夠的能量，可以繼續(xù)與大氣物質(zhì)作用產(chǎn)生新的次級(jí)粒子，直到最后被大氣吸收。就如同一束閃電分裂成大量的枝權(quán)一般，這一現(xiàn)象稱為“空氣簇射”。

初級(jí)宇宙射線一般在3萬米的高空開始與大氣層里的物質(zhì)作用。產(chǎn)生的次級(jí)粒子一般在15 000米的高空，它們飛向地面時(shí)可以繼續(xù)與大氣物質(zhì)作用產(chǎn)生新的次級(jí)粒子，之后能量逐漸降低。在次級(jí)粒子中，高能量的繆子穿透力很強(qiáng)，它可以一直飛到地面，穿透土壤，抵達(dá)地底深處;而中微子因?yàn)椴皇茈姶抛饔糜绊?，它幾乎不與任何物質(zhì)反應(yīng)，閑庭信步地穿過地球，再次飛向太空深處。

因此，為了更好地研究原初和初級(jí)宇宙射線，需要利用在大氣層外的太空望遠(yuǎn)鏡和衛(wèi)星探測(cè)器進(jìn)行探測(cè);研究次級(jí)宇宙射線，需要在高海拔的位置進(jìn)行;而研究宇宙射線產(chǎn)生的繆子和中微子，一般要將實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置在地下。

科學(xué)家測(cè)量宇宙射線的性質(zhì)，主要有兩個(gè)目的。一是進(jìn)行天體物理和宇宙學(xué)的研究，了解宇宙中發(fā)生的事件——哪里有超新星爆發(fā)了，哪里有活躍的星系活動(dòng)，等等。例如，2018年下半年，我國在西藏羊八井地區(qū)（海拔4300米）建造的宇宙射線觀測(cè)站就發(fā)現(xiàn)了活躍星系核Mkn421。通過研究原初宇宙射線與星際物質(zhì)的作用，也可以進(jìn)一步了解宇宙的起源與構(gòu)造。

另一個(gè)則是研究宇宙射線中所含的微觀粒子的性質(zhì)。20世紀(jì)時(shí)，在大型粒子加速器建造之前，大量新粒子的發(fā)現(xiàn)都有賴于對(duì)宇宙射線的測(cè)量。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主大衛(wèi)-安德森利用一種叫云室的探測(cè)裝置，通過分析裝置在山上探測(cè)到的宇宙射線，對(duì)其中的粒子軌跡進(jìn)行甄別，發(fā)現(xiàn)了繆子和反電子（也是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的反物質(zhì)）;另一位諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主鮑威爾通過感光乳膠裝置，發(fā)現(xiàn)了π介子;日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)則是通過對(duì)次級(jí)宇宙射線產(chǎn)生的大氣中微子的研究，發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩這一奇特的物理現(xiàn)象。

正因?yàn)橛钪嫔渚€中蘊(yùn)含著大量的信息，它是大自然贈(zèng)送給人類的一本難懂的書。如前文所述，極高能量的宇宙射線的來源、宇宙射線的能量與流量關(guān)系背后的機(jī)制依然是個(gè)謎。同時(shí)，宇宙射線中也可能攜帶了尚未發(fā)現(xiàn)的新粒子，然而，人們依然去嘗試讀懂它。目前，有不少先進(jìn)的技術(shù)來探測(cè)粒子，除了衛(wèi)星和空間望遠(yuǎn)鏡，地面上的宇宙射線探測(cè)方法主要有：地面帶電粒子探測(cè)器陣列，切倫科夫探測(cè)器和熒光探測(cè)器。由于一些大質(zhì)量天體活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生引力波，引力波和宇宙射線可以一起到達(dá)地球，如果能同時(shí)觀測(cè)到它們，也能給我們帶來更多有價(jià)值的信息。目前已經(jīng)成功運(yùn)行的引力波觀測(cè)臺(tái)正和一些宇宙射線觀測(cè)站協(xié)作，一起解讀來自宇宙的奧秘。

伽馬射線暴產(chǎn)生的宇宙射線

伽瑪射線暴是由距離地球非常遙遠(yuǎn)的銀河系區(qū)域或河外星系中的天體活動(dòng)產(chǎn)生的電磁輻射，是在短時(shí)間內(nèi)突然爆發(fā)的高能量（大于10⁵eV）伽馬射線，一般持續(xù)0.1～100秒，在地球上大約每天可以觀測(cè)到1次。產(chǎn)生它們的天體活動(dòng)有多種，比如超新星或者超亮超新星快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁輻射、超大質(zhì)量恒星的坍縮、2個(gè)中子星的合并等。

（責(zé)任編輯：司明婧 責(zé)任校對(duì)：曹偉）