宇宙線是從哪里來的
——太陽是否為宇宙線源

武 莎 南云程

(中國科學院高能物理研究所 100049)

1912年奧地利物理學家維克托·赫斯通過高空氣球?qū)嶒炞C明了地球之外存在一種穿透能力很強的輻射，這些輻射自上而下進入大氣層并與大氣發(fā)生相互作用使大氣發(fā)生電離。在這些輻射被發(fā)現(xiàn)之后，人們本能地開始思考這些地球以外的輻射是誰發(fā)出的。首先想到的自然是太陽。太陽是距離我們最近的恒星，它的質(zhì)量在整個太陽系中占比高達99.8%，并無時無刻地將自身質(zhì)量或能量通過輻射或發(fā)射粒子的方式向外輸送。那有沒有一種可能性，赫斯在地球上發(fā)現(xiàn)的這種穿透能力很強的輻射就是來源于我們熟悉的太陽呢？時間回到1912年，讓我們跟著赫斯開啟高空氣球之旅，一起來探索這些輻射是否來自太陽。

一.1912年高空氣球之旅

在1911～1913 年間，赫斯將驗電器架設(shè)在氣球上(圖1)，進行了10次飛行實驗，測量空氣電離度隨海拔高度的變化。他發(fā)現(xiàn)一開始電離度隨著海拔高度升高而降低，繼而急劇上升。最關(guān)鍵的一次飛行來自1912 年4 月17 日。赫斯在幾近日全食期間將氣球上升到1900～2750 米的高空，發(fā)現(xiàn)大氣的電離在日全食期間并未減少。在接下來的飛行中也未發(fā)現(xiàn)白天和夜晚大氣電離度有明顯的差別。因此，赫斯斷定使大氣發(fā)生電離輻射的不是來自于地球之外的太陽——它必須來自更遠的宇宙①。1925年這種輻射被命名為宇宙線。赫斯因為這個發(fā)現(xiàn)獲得了1936年度的諾貝爾物理學獎。

圖1 (a)1912年赫斯氣球?qū)嶒灒?b)赫斯的驗電器

二.2022年地面“玩具”探秘

比起飛向高空，我們更希望能簡單地坐在地面上就測量到赫斯發(fā)現(xiàn)的宇宙線。于是我們做了一套叫作地面宇宙線探測器陣列的“玩具”。這個“玩具”由5臺塑料閃爍體探測器組成，可以放在地面或者屋頂，用于探測宇宙線中的次級粒子。每臺探測器的探測原理以及陣列的布局示意圖可以從《重走宇宙線發(fā)現(xiàn)之旅》一文中看到②。這個陣列的一部分真實數(shù)據(jù)已經(jīng)開放給對宇宙線感興趣的人。我們將共同坐在家里重走宇宙線的發(fā)現(xiàn)之旅，探索“宇宙線的太陽起源”之謎。

1.“玩具”的使用指南

數(shù)據(jù)獲?。褐刈哂钪婢€發(fā)現(xiàn)之旅的數(shù)據(jù)以EXCEL 的格式保存，可以直接從網(wǎng)上下載(https://github.com/nanyc2022/Revisit-the-cosmic-ray-journey)。

數(shù)據(jù)信息：主要包括直接觀測到的次級宇宙線和經(jīng)過幾何重建后得到的原初宇宙線。具體觀測量及含義如下：

次級宇宙線：

Nhit：“同時”測量到次級宇宙線的探測器個數(shù)。

t0-t4：0-4號探測器中每臺探測器測量到次級宇宙線的時間。

(X,Y)：0-4 號探測器中每臺探測器在地平笛卡爾坐標系下的位置。

原初宇宙線：

Time：原初宇宙線的觀測時間。

(θ,φ)：原初宇宙線在地平球坐標系下的方向，依次是天頂角，方位角。

dt：測量到相鄰兩個原初宇宙線的時間差。

新手入門：任務(wù)一是重建出原初宇宙線方向。地面探測器陣列接收到的是原初宇宙線在大氣層內(nèi)經(jīng)過級聯(lián)簇射后的次級粒子(圖2(a))，經(jīng)過廣延大氣簇射過程的次級粒子基本分布在一很薄的圓盤上，這個圓盤在中心附近可以近似為一個平面。如果求解出這個平面的法向量也就知道了原初宇宙線的方向，我們把這個過程叫作原初宇宙線方向重建。根據(jù)探測器的著火時間和位置信息(圖2(b))，可以對應(yīng)找到平面上的“點”，計算出原初宇宙線的方向。

圖2 (a)廣延大氣簇射示意圖；(b)宇宙線方向重建示意圖

任務(wù)二是了解并計算宇宙線事例率。在觀測宇宙線時，由于人為設(shè)置的觀測時長不同測量到的宇宙線數(shù)量可能不同。因此使用單位時間內(nèi)觀測到的宇宙線個數(shù)，即事例率來描述探測到宇宙線的真實情況。根據(jù)統(tǒng)計學原理，相鄰2 個原初宇宙線的時間差dt滿足指數(shù)分布，其函數(shù)表達式為：

其中t是時間，R即為事例率。在數(shù)據(jù)中統(tǒng)計不同時間差dt下的宇宙線個數(shù)，就能得到公式(1)的指數(shù)分布,進而確定事例率R。利用2021年12月27日的數(shù)據(jù)和EXCEL 軟件，計算得到陣列探測到的宇宙線事例率約為0.19 Hz(見圖3擬合公式中的指數(shù)系數(shù))。

圖3 相鄰兩個宇宙線觀測時間差的分布其中藍點是測量結(jié)果，紅線是趨勢線

2.白天和夜晚的宇宙線

與赫斯通過測量日夜空氣電離度來間接判斷宇宙線是否來自于太陽的原理相似，我們利用地面探測器陣列測量白天和夜晚的宇宙線事例率來繼續(xù)探索這個問題。隨著地球自轉(zhuǎn)，地面探測器陣列會在白天面向太陽，在夜晚由于地球自身的遮擋而背向太陽(圖4)。通過比較白天和夜晚宇宙線的事例率，就能判斷宇宙線是否來自太陽。

圖4 探測器在白天(上)和夜晚(下)觀測宇宙線示意圖左和右球體分別為太陽和地球

我們選取并利用2021年12月27日全天的觀測數(shù)據(jù)來探究這一問題。所有的原初宇宙線按照觀測時間平均分成白天和晚上兩個數(shù)據(jù)樣本，分別計算這些宇宙線的事例率。通過計算，白天和夜晚觀測到的宇宙線事例率分別為0.19 Hz和0.18 Hz。結(jié)果顯示，在夜晚探測器也能觀測到宇宙線，并且白天和夜晚觀測到的宇宙線的事例率相差僅5%。這說明宇宙線不僅僅來自于太陽方向，還來自于其他方向。因此，太陽并不是宇宙線的唯一來源。而觀測到的白天和夜晚事例率的5%的差別與統(tǒng)計量的多少、甚至與溫度、氣壓等因素有關(guān)。

3.日全食過程的宇宙線

月球在運動到日地之間時會遮擋住太陽照射到地球的光(見圖5中地球上的小陰影區(qū)域)從而形成日食。在日食過程中，太陽會逐步被月球遮擋再逐步顯現(xiàn)。根據(jù)觀測的遮擋特征，日食又分為日全食和日偏食等。日全食在全球范圍內(nèi)每1.5年發(fā)生約1次。赫斯則是在這樣一個罕見的日全食期間測量空氣電離度來判斷宇宙線是否來自于太陽。與赫斯的探究原理相似，我們也可以利用地面探測器陣列來測量日食前后，以及過程中(見圖5)宇宙線事例率隨時間的變化來繼續(xù)探索這個問題。

圖5 探測器在日食期間觀測宇宙線示意圖左、中和右球體分別為地球、月球和太陽

在現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)的時間范圍內(nèi)，暫時沒有出現(xiàn)日全食。更多的日食觀測時間、地點信息可以在國家科學天文數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站③上查詢，未來探測器也會繼續(xù)觀測并提供更多的數(shù)據(jù)。我們約好未來再一起探索。

4.為宇宙線拍一張照片

1912年受到測量方法的限制，赫斯不能利用驗電器來確定宇宙線的方向。在探索“宇宙線的太陽起源”之謎時，赫斯不得不在夜晚、日全食這種特殊條件下帶著驗電器乘坐氣球一次一次飛行。

而今天，先進的宇宙線探測器陣列可以通過重建得到原初宇宙線的方向信息。用這個“玩具”對著天空持續(xù)“曝光”，就可以為宇宙線拍一張照片。如果宇宙線是太陽發(fā)射的，那么在照片中我們應(yīng)該可以看到宇宙線集中在太陽運動的軌跡，即軌跡從東方升起，劃過我們的頭頂，向西方落下。

為了驗證這個猜想，我們將觀測數(shù)據(jù)中的所有原初宇宙線按照天頂角和方位角的大小排列在相紙上，拍攝了一張宇宙線的照片(圖6)。照片中，宇宙線并沒有集中在一條軌跡上，而是散落在整個天空。因此，太陽并不是宇宙線的主要起源。

圖6 宇宙線照片,其中藍色點代表宇宙線

三.上天入海探究宇宙線的起源

在宇宙線被發(fā)現(xiàn)的一百多年里，我們已經(jīng)了解到宇宙線中絕大部分粒子是帶電的原子核，只有少量的電子、光子和極難探測的巨大數(shù)量的中微子。宇宙線(如不做特殊說明，指的是宇宙線中的帶電原子核)在宇宙空間的星際磁場中經(jīng)過了漫長的傳播過程，受到洛倫茲力的影響，它們在到達地球前就失去了原初方向信息(圖7)。因此，直接定位加速宇宙線的天體變得非常困難。這些能量高的粒子究竟來自哪里呢？粒子能夠不斷獲得加速的前提條件是能被束縛在加速區(qū)，這就要求粒子的拉莫爾半徑不能超過星體的大小，即Emax～ZBR。其中，Z是帶電粒子電荷，B 是磁場強度，R 是星體的半徑。這樣根據(jù)天體目標的磁場和尺度信息便可鎖定候選源。從1912 年發(fā)現(xiàn)至今，只有少量能量較低(<1011eV)的宇宙線粒子已經(jīng)確定產(chǎn)生于太陽，而能量更高的宇宙線主要來自于太陽系以外的銀河系以及銀河系之外更加遙遠的地方。雖然人類還不能準確說出這些宇宙線是由什么地方產(chǎn)生的，但探尋它們的手段已經(jīng)多種多樣，解決宇宙線起源問題已經(jīng)指日可待。

宇宙線在星際磁場中的偏轉(zhuǎn)隨著能量的升高而減小，當宇宙線能量高到某一程度時(比如>1019eV)，我們觀測到的宇宙線到達方向已經(jīng)可以近似指向加速源所在的位置。這些極高能的宇宙線非常少，在1平方千米的面積上100年才落下1個。為了克服流強弱這個問題，極高能宇宙線探測器面積都建造得巨大。例如，著名的俄歇觀測站探測器的覆蓋面積達到3000平方千米。另一方面，宇宙線與星際介質(zhì)中物質(zhì)相互作用產(chǎn)生伽馬射線和中微子。伽馬射線和中微子不帶電，在宇宙空間中傳播不會偏轉(zhuǎn)(圖7)，是研究宇宙線起源問題的重要“探針”。中微子與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用的截面極小，不容易被探測到。如果想要捕獲中微子則需要龐大的探測介質(zhì)，這些探測介質(zhì)非人力可為，通常取自天然，如位于南極冰層下1450米到2450米體積1立方千米的冰立方實驗(圖8)。目前，冰立方實驗是觀測宇宙線中微子最好的探測器陣列，已經(jīng)觀測到多個中微子事例，但是還沒有找到宇宙線源。

圖7 宇宙線傳播過程示意圖④

圖8 冰立方實驗⑤

與中微子和極高能宇宙線相比，伽馬射線的探測容易了許多。隨著空間和地面探測技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有5000多個GeV(109eV)伽馬源(圖9)和251個TeV(1012eV)伽馬源被觀測到⑦。其中伽馬射線源的種類主要包括：位于銀河系內(nèi)的脈沖星及其星云、超新星遺跡、伽瑪射線雙星、超級泡等和位于銀河系外的活動星系核、星爆星系、伽瑪射線暴等。這些伽馬射線源的發(fā)現(xiàn)幫助我們進一步逼近宇宙線起源問題的真相。然而高能伽馬也可以由源區(qū)加速的高能電子產(chǎn)生，并不一定直接與宇宙線關(guān)聯(lián)。利用伽馬天文回答宇宙線起源問題的關(guān)鍵是觀測到更多數(shù)量、更多種類以及更高能量的伽馬源。同時聯(lián)合其他多波段的觀測，尋找到伽馬源和宇宙線的關(guān)聯(lián)證據(jù)。

圖9 Fermi十年對伽馬射線源的觀測結(jié)果⑥

面對宇宙線研究領(lǐng)域的科學機遇，瞄準宇宙線起源問題，我國宇宙線物理學家們提出了建設(shè)高海拔宇宙線觀測站(英文名稱為：Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)。LHAASO 位于海拔高度4410米的四川省稻城縣海子山，占地面積約1.36平方千米(圖10)。在探測技術(shù)上，LHAASO采用四種不同的手段，可以對宇宙線事例進行全方位、多變量的測量。LHAASO 的主體工程于2017年開始建設(shè)，至2021年7月LHAASO陣列全部建設(shè)完成，已經(jīng)成為國際上最活躍的宇宙線物理實驗平臺。LHAASO 1/2 陣列11 個月的數(shù)據(jù)已經(jīng)在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)12個穩(wěn)定的超高能伽馬射線源，并記錄到能量達1.4 拍電子伏的伽馬光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認知。LHAASO開啟了“超高能伽馬天文學”時代，有望揭開宇宙線起源之謎。

圖10 LHAASO陣列布局及四種探測手段