解密宇宙线

□ 编译 / 谢 懿

解密宇宙线

□ 编译 / 谢 懿

宇宙中最高能粒子的起源是一个谜。它们被统称为宇宙线，包含质子和其他原子核，会以接近光速的速度在宇宙中疾驰。它们长途跋涉，从四面八方向地球涌来，以接近光速的速度撞击地球大气层。但是什么把它们加速到了如此极端的高能？在琢磨了一个多世纪之后，科学家们已在太空和地面建造了探测器，开始寻找期待已久的答案。

宇宙线轰击地球大气引发大气簇射产生级联粒子的概念图。版权：ASPERA/ Novapix/ L.Bret。

宇宙线研究

但是，要想更多地了解宇宙线却非易事。天文学的基础是观测来自宇宙的不同波长的光线——从波长最长的射电波到波长最短的γ射线——它们都是沿着最笔直的路径进入到望远镜中的。不同于不带电的光子，宇宙线是带电的，这使得它们在空间中的行进路线变得更为复杂。贯穿太阳系、银河系和宇宙的磁场会扭曲它们的路径，抹掉它们真正来自哪个方向的信息。缺少了直线轨迹的指引，宇宙线科学家必须利用其他线索来揭示这些粒子的来源。

这其中最主要的是宇宙线抵达地球时的流量、组成成分和能量。宇宙线的能量可以跨越12个数量级，即最高能粒子其所携带的能量是最低能粒子的一万亿倍。在一段时间里抵达地球的宇宙线数量——被称为流量——会随着宇宙线的能量而有所不同。能量越高的宇宙线粒子，越罕见。在地球上每6.5平方厘米的面积上每一秒钟都会遭受几个低能宇宙线的打击，而对于超高能的宇宙线来说在2.6平方千米的区域中每世纪才会出现一个。对于如此多样的研究对象，科学家们采取了不同的观测手段。

当宇宙线轰击地球大气层时，它们会与其中的分子发生碰撞。这些撞击会产生次级粒子级联——被称为大气簇射或粒子簇射，由此隐藏了其母宇宙线的信息。搭载在气球上的（简称“球载”）和空间中的探测器位于绝大多数大气分子之上，因此也位于大气簇射上方，可以探测到原宇宙线。另一方面，地面上探测器通过粒子级联的特性可以回推并反演出入射宇宙线的种类。这两种类型的观测表明，宇宙线是被剥离了电子的原子——氢（即质子）、氦、碳、氧、铁以及甚至更重元素的原子核。

通过大自然的粒子加速器，这些原子核被加速到了相对论性的能量——这意味着它们的运动速度接近光速。但是，一百年来，这些加速器究竟是什么以及它们到底是如何工作的则一直是个谜。

从天而降的辐射

太空中存在某种形式电离辐射，即高速运动的带电粒子，它们可以打掉原子周围的电子，这一想法可追溯到1785年。那年，法国物理学家查尔朱.室啸朱俘×愆×怜兰众Dibsmft. Augustin de Coulomb）发现，即便被很好地绝缘，可探测物体电量的验电器也会自发地流失其自身的电荷。19世纪末，放射性的发现对此给出了部分的解答：放射性物质会产生高能粒子（当时简称为“射线”）。当它们打到验电器上时，会通过敲击掉电子使得其电荷流失。到1911年，通过把验电器带入隧道和水下并将其放在金属屏蔽层中，科学家力图更多地了解这些具有贯穿力的辐射。它们是由地壳还是大气发出的？抑或来自地球之外？

通过用气球把验电器带到5.3千米眯饮怵伛室妇吡猸甥崔巯缓卦掊×贿朱（Victor Hess）在1912年回答了这个问题。赫斯发现，随着验电器的上升，地面之上的辐射流量立即出现了降低，直到约1.0千米的高度之后才开始再次增大。然后，在4.0～5.3千米之间，辐射流量达到了海平面的2倍。他称其为“从天而降的辐射”。他的实验表明，虽然有一些电离辐射来自于地表，但绝大部分来自太空。1936年，赫斯因发现电离辐射起源自地外而获得了诺贝尔物理学奖。

第一次世界大战后，宇宙线研究的重心转移到了美国，物理学家罗伯獐×市笳槟众Spcfsu!Njmmjlbo优噱镙畜×恂柚难众Bsuivs!Dpnqupo优干嵊嵴线的本质进行了著名的辩论。他们的争论上了1932年12月31日《纽约时报》的头版。密立根深信，电离辐射由被称为γ射线的高能光子组成。他提出，它们是星系际空间中氢核聚变的副产品，并为它们取名“宇宙线”。另一方面，康普顿则认为，电离辐射与γ射线不同，是带电粒子。虽然密立根所起的名字流传了下来，但康普顿的观点却是正确的。

最终平息这场争论的是一个环球旅行者。1927年，荷兰科学家雅各徭×卦莞众Kbdpc!Dmbz优兮哽怵幻裰僳的爪哇前往意大利的热那亚。在此次旅行中，他发现宇宙线的流量并非是处处相等的，它会随着纬度而变化。为了进一步研究这一效应，康普顿召集了世界各地100名科学家来测量不同地方的宇宙线流量。他推测，如果宇宙线是带电粒子，那地球磁场会使它们发生偏转，导致在不同的纬度测到不同的结果——这也正是他和他的合作者们所看到的。

胼厅撩×遂栽众Wjdups!Iftt优娆2∶23悱热气球飞行之后所拍摄的照片，在这次飞行中他发现宇宙线来自太空。版权：National Geographic。

谜解开了？

对宇宙线有着极大兴趣的，不仅有粒子物理学家，还有天体物理学家。他们想知道天体是如何把这些亚原子粒子加速到如此高速的，这些粒子又会对宇宙和生物系统产生什么样的影响。

1934年，德国天文学家沃尔獐×徘愆众Xbmufs!Cbbef优噱畛孓孱有崔巯恽鄹茜×厕缓婧众Gsju{![xjdlz优提出，仅超新星释放的能量就足以解释观测到的宇宙线。2013年，综合美国宇航局费米γ射线空间望远镜和意大利空间局γ射线轻型探测器的数据，他们的想法最终得到了证实。W44和IC443这两个超新星遗迹为宇宙线来自其边缘提供了绝佳的证据。在这一新结果基础上，天文学家可以回溯我们银河系中超新星的历史，解释我们今天所看到的宇宙线分布。

在被超新星遗迹加速之后，在很长一段时间里宇宙线会在银河系逐渐扩散。由于磁场会扭转它们的行进路线，几千万年后它们才会到达地球，宇宙线能量越低，所花的时间越长。相比之下，因为沿直线运动，中性粒子只要花10万年就能穿越银河系的长度。通过测量不同能量宇宙线的相对丰度，科学家可以更多地了解它们的磁扩散过程。一系列开创性的球载和空间实验在认识银河系内宇宙线的历史中做出了极大的贡献。

通过这些实验科学家发现，宇宙线中某些原子核的丰度要远超太阳系中的。例如，宇宙线中锂、铍、硼核的丰度是它们在太阳系中的10万倍。宇宙的组成在每个地方都应该是大致相同的。这一结果表明，由重原子核构成的宇宙线一定与星际物质发生了碰撞，分解成了这些更小的粒子。基于这些统计，天文学家可以分辨出宇宙线路径上的平均密度。分析表明，宇宙线的运动轨迹长达数百万光年，比银盘的厚度——仅几千光年——还要长。

银河系宇宙线在宇宙线能谱上横跨了至少8个数量级。在低能段，质子占据了主导，高能段则被直到铁的更重的元素所占据。天文学家认为，这一向重元素的过渡是由于银河系宇宙线蜿蜒穿行于银河系磁场所致。其逃逸的概率取决于它们的能量和电荷之比。和宏观的物体一样，在相同的速度之下，质量越大的原子核具有越高的能量。能量居中的宇宙线来自银河系内的超新星遗迹，能量最低的则来自太阳，被称为太阳粒子。

观测显示有宇宙线在从超新星遗迹IC443中射出，插图显示的是其中的一颗中子星。版权：X射线：NASA/CXC/B.Gaensler等人/ ROSAT/Asaoka & Aschenbach；射电：NRC/DRAO/D.Leahy/NRAO/ VLA可见光：DSS。

不断超越

不同的观测技术可以让科学家探测能量相差12个数量级的宇宙线：从1亿电子伏特到超过1万亿亿电子伏特。1电子伏特的能量相当于电子穿过1伏特的电势之后所获得的能量。作为比较，室温下一个分子的能量约为0.04电子伏特。

超高能宇宙线在天空中并非是均匀分布的，这也许会为它们的起源提供线索。图中的红圈标出的是禺孕式×劁涉将栋台探测到的结果。版权：Pierre Auger Collaboration。

球载和空间实验可以探测到能量高达1000万亿电子伏特的宇宙线，但再往上其流量太低，因此科学家们转而观测由它们所产生大气簇射的次级粒子。对于直接检测，国际空间站上搭载了被宇宙线轰击的仪器。阿尔法磁谱仪是其中的第一台，它目前正在精确地测量不同类型宇宙线的成分和能谱。之后还有两台新的宇宙线探测器计划将被安装到国际空间站上，分别是量热电子望远镜与国际空间站宇宙线能量和质量实验。这些灵敏的实验装置试图澄清银河系宇宙线的本质，并发现宇宙辐射能谱中一些此前未知的成分。

然而，持续时间最长的宇宙线空间探测是已工作了36年的“旅行者”1号和2号。“旅行者”1号于1977年9月5日发射，几个星期后它的孪生兄弟“旅行者”2号也发射升空。在探访外行星的过程中，它们也发回了在太阳系中最遥远地点的宇宙线探测结果。2012年8月，“旅行者”1号成为第一个从星际空间发回信号的人造物体。宇宙线信号可以指引科学家了解这些星际边界。太阳磁场会把太阳风粒子限制在太阳系内，并把一部分的银河系宇宙线阻挡在太阳系之外。太阳宇宙线流量的下降和银河系宇宙线流量的上升标志着“旅行者”1号进入了星际空间。现在，“旅行者”1号已成为第一个能直接探测低能银河系宇宙线的探测器，此前这是遥不可及的。

超高能量射线

当能量超过约10亿亿电子伏特时，来自银河系之外的河外宇宙线就会占据主导，它们大多数是较轻的元素。

在什么能量上河外宇宙线会超过银河系宇宙线仍是一个悬而未决的问题。其他依然存在的谜题还包括这些超高能河外粒子的起源。它们是由遥远星系中心的超大质量黑洞所产生的吗？或者是形成于宇宙中最大结构碰撞并合所导致的激波？又或者是形成于大质量恒星诞出黑洞或中子星的剧烈爆炸？最后，宇宙线的能量究竟能高到什么程度？

1962年，超高能宇宙线探测的先颂翘奖猸甥崔巯细耠×棠朱吡众Kpio! Linsley）利用位于美国新墨西哥州火山牧场的大型阵列探测器观测到了1万亿亿电子伏特的宇宙线事件。这相当于一个亚原子粒子具有了和一个高速网球相同的能量。4年后，美国物理学家肯幻朱×槠阖武众Lfoofui!Hsfjtfo优俦苎肟猸甥崔巯健宏×掀鄣怀众Hfpshjz!U/! [butfqjo优噱疣辎寺×怜厕锢众Wbejn! Kuzmin）一起预言，由于和宇宙微波背景辐射之间的相互作用，相对于正常的流量随能量上升而下降，1万亿亿电子伏特左右的宇宙线会变得更少。在他1966年具有里程碑意义的论文中，格雷森指出精确测量这一流量的陡降幅度将会澄清超高能宇宙线的起源。

科学家会使用两种主要设备来探测超高能宇宙线：地面阵列和荧光望远镜。当次级粒子抵达地面并打到探测器上时，地面阵列会对大气簇射进行采样。荧光天文台则会探测随着大气簇射的进行大气中氮分子所发出的紫外线。快速和灵敏的相机会记录下这些辐射，后者相当于一个几十千米之外以光速运动的家用灯泡。荧光技术率先被用在了位于美国犹他州的蝇眼探测器上，它在1991年观测到了迄今能量最高的宇宙线事件，达3万亿亿电子伏特，挑战了格雷森、扎采平和库兹闵的预言。

饮吉转璃蜍矸噱睇娠幂×剔沁孱有台最近测定了某特定能量的高能宇宙线眯瞥帜借怵〃凯僖镙槟恨伛睇娠幂×剔歇天文台是世界上最大的宇宙线探测器，占地3,000平方千米，配备有切伦科夫水箱探测器阵列和4架荧光望远镜。它还发现，超高能量宇宙线并非均匀地来自天空的每一个角落，一些地方的流量会高于其他的。这一非均匀分布可能是其神秘河外起源的第一批线索。科学家能把这些宇宙线在天空中的位置与已知的天体相匹配。例如，这些宇宙线的方向对应于活动星系。

最近，又有一个地面阵列——望远镜阵列项目——投入使用。它位于美国犹他州，占地700平方千米，是皮埃幂×剔沁孱有喉好咳哒甜眯蟾卡〃

新一代的天文台也在筹划中，目标是观测到足够的极端粒子来解决超高能宇宙线起源的谜题。例如，日本的高灵敏度荧光望远镜将被安装到国际空间站上。它会向下观测，把地球自身的大气用作一个巨大的粒子探测器。

科学家之所以如此深入地研究宇宙线，部分原因是这些研究可以带来粒子物理学和天文学的新发现。此外，他们感兴趣也是因为这些高能粒子已改变了地球的历史和地球上生命的历史。事实上，没有宇宙线可能就不会出现生命。当宇宙线电离大气的时候，会触发闪电并影响云的形成，这可能有助于加热原初地球的海洋。它们还可以通过其他方式影响了生命，例如引起基因突变和促进演变。

尽管宇宙线可能有助于早期生命，但它们也会给我们的未来带来问题。当人类离开地球大气层时，宇宙线的流量会升高，它是阻碍人类长距离太空旅行的最大挑战之一。不过，来自未来新仪器设备的认识将会帮助我们克服这些障碍，安全地穿行了太空之中。

（责任编辑 张长喜）

縻帮庞冢涔娆躞踝禺孕式×劁涉将栋嗝祺晶炜妃〃版权：ASPERA/Pierre Auger Collaboration。