宇宙射线：来自外太空的神秘力量

老乔

科学内核是科幻电影的重要组成部分。《流浪地球》《疯狂的外星人》《阿丽塔：战斗天使》，这些2019开年大片着实吸引了众多影迷的眼球。而就在这些科幻电影中，都提及了一个元素——宇宙射线。那么同学们，你们知道宇宙射线到底是什么吗？被宇宙射线照射会意外获得超能力？地球上的生物会不会被宇宙射线杀死？要回答这些问题，看完这篇文章，你就知道了。

是谁发现了宇宙射线？

1895-1897年这3年间，人们相继发现了X射线、放射性和电子，研究微观粒子的大门由此被打开，“原子”不再是德谟克利特的抽象哲学概念，而是可以在实验室里进行量化研究的实体。通过研究具有放射性的矿石，人们逐渐意识到，矿石中的不稳定元素会释放出微观粒子，它们形成了天然放射线。如铀矿中所含的铀-238会自发地释放出带正电的氦离子（即氦原子核）、带负电的电子和不带电的光子，这些粒子从铀矿中飞出，分别形成带正电的α射线、带负电的β射线和不带电的y射线。中文里也把它们称为甲、乙、丙种射线，对应α、β、y。

1910年，德国科学家西奥多-伍尔夫利用他设计的灵敏静电计，探测到了空气里存在着射线。这些射线会电离空气分子，进而产生可以被静电计测到的带电离子。一个很自然的假设是，这些射线是来自地壳表层（比如土壤和矿石）的放射性元素。如果远离地表的话，静电计的读数应该会减小。于是他来到了法国，利用当时最高的建筑——324米高的埃菲尔铁塔来验证他的假设。他发现，在塔顶的放射性读数约为塔底的0.58倍。而按照他的推算，在80米高处读数就应该减半，因而这些多出来的放射性并非来自地表。然而，由于埃菲尔铁塔本身的材料里含有一些放射性元素，因此他的结论无法被人们接受。

1911-1913年，富有冒险精神的美国物理学家弗兰兹·赫斯乘坐热气球，上升到5.3千米的高空来进行这一实验。出乎意料的是，从地表到距地表1千米高处，在空气中测到的放射性确实是在不断减少;但是在高于1千米时，放射性居然大大增加了;到5千米的时候，竟达到地表处的2倍。这说明空气中的射线不仅仅来自于地表的放射性元素，还来自于其他地方。他认为这些射线主要来自外太空，它们能量很高，可以穿透大气层。他的结论马上被著名物理学家密立根证实，后者将之称为“宇宙射线”。活跃星系核释放的宇宙射线

在大型星系的中心（比如我们的银河系），一般存在大质量的黑洞（太阳质量的100万～1亿倍）。这些黑洞周围的星系物质被黑洞的引力吸引，不断堆积到黑洞周围所形成的区域，称为“活跃星系核”。这一区域的尺度约为几光年，相当于恒星之间的距离，与整个星系的尺度相比是极小的，约为太阳与银河系中心距离的万分之一，但是所含的能量却极高。在天文照片中，我们可以看到银河系中心的亮度要高于其他区域，实际上高出了好几个量级。在活跃星系核的巨大能量下，释放出大量能量极高的微观粒子。就算它们来自遥远的星系，当它们长途跋涉抵达地球的时候，能量依然可以达到10（15平方）eV以上。

宇宙射线也可以美美的

初级宇宙射线

在浩瀚的宇宙中，无数天体永不停息地上演着一幕幕壮观的大戏。恒星活动、超新星爆发、脉冲星、黑洞活动、活跃星系核、伽马暴等，会产生大量高能量的微观粒子，这些在天体活动中产生的粒子束流称为原初宇宙射线，主要有电子、质子、原子核（氦、碳、氧、铁等元素）、光子、中微子以及相应的反物质粒子（如反电子、反质子、反氦核），等等。它们在宇宙空间中穿行，与其中的物质作用，改变运动状态，产生或转变为其他的粒子。原初宇宙射线在宇宙空间里磕磕碰碰，历经千辛万苦甚至改头换面终于抵达地球大气层，这些便是“初级宇宙射线”。

次级宇宙射线

地球就站在“枪林弹雨”的太空战场的一处——无时无刻不被宇宙射线中包含的微观粒子轰击着。高能粒子可以破坏生物体中的DNA和蛋白质等物质。而地球母亲有两层天然的“防护罩”来阻挡这些高能射线，减小宇宙射线对地球上的生命的伤害：一是地磁场，它使一些能量略低的带电粒子被阻挡在地球外围，形成如一瓣瓣桔子形状的“范艾伦辐射带”;其二是大气层，里面的碳、氢、氧、氮、氩等元素可以承受宇宙射线的轰击，吸收或者减小它们的能量，使它们转化成其他粒子再射向地面，称为“次级宇宙射线”。

它们大多来自银河系外

来源于太阳的原初宇宙射线，能量一般在10⁶～10¹⁰eV（电子伏特，1eV等于1个电子在1伏特电势差的电场中加速后所获得的动能，等于1.6×10^-19。焦耳）量级。太阳通过核反应不停地燃烧着，其所含的氢、氦原子在高温下被电离成带正电的质子、氦离子以及带负电的电子等粒子。若这些粒子的能量足够高，飞行速度足够快，就可以摆脱太阳的引力束缚，飞逸出来。这些来自太阳的粒子流被称为“太阳风”，它们吹向地球，有些在地球的磁场作用下聚集在地球外围的宇宙空间中，当太阳活动剧烈时，太阳风中更高能量的带电粒子会扭曲地球磁场，使本该被困在范艾伦辐射带的粒子逃脱并进入大气层，在地磁场的作用下在两极形成极光。

来自太阳系外的原初宇宙射线，能量较低（小于10¹⁰eV）的部分在太阳风和地磁场的作用下被部分阻挡，而能量更高的部分依然可以抵达地球。来自太阳系外、银河系内的原初宇宙射线，主要由超新星爆炸所产生，它们的能量在10¹⁰～10¹⁵eV量级。而能量在10¹⁵～10²⁰eV量级的宇宙射线，人们尚不确定它们的来源，其中一部分可能来自银河系内，但主要还是来自银河系外，主要由活跃星系核和伽马射线暴产生。

要读懂宇宙射线。确实有点难

目前，地球上有多个实验测得了初级宇宙射线的能量与流量的关系。如果把一块1平方米大小的平板放在大氣层外，对于能量在10⁹eV量级的宇宙射线，每秒可以有1万条打在平板上;对10¹²eV量级的而言，每秒有1条;而对10¹⁶eV量级的宇宙射线，1年才有几条;而能量更高的宇宙射线的流量极低，则非常罕见。

最终抵达地球大气层的初级宇宙射线，与大气层里的物质发生作用，产生大量次级粒子（次级宇宙射线）。而次级粒子如果具有足够的能量，可以继续与大气物质作用产生新的次级粒子，直到最后被大气吸收。就如同一束闪电分裂成大量的枝权一般，这一现象称为“空气簇射”。

初级宇宙射线一般在3万米的高空开始与大气层里的物质作用。产生的次级粒子一般在15 000米的高空，它们飞向地面时可以继续与大气物质作用产生新的次级粒子，之后能量逐渐降低。在次级粒子中，高能量的缪子穿透力很强，它可以一直飞到地面，穿透土壤，抵达地底深处;而中微子因为不受电磁作用影响，它几乎不与任何物质反应，闲庭信步地穿过地球，再次飞向太空深处。

因此，为了更好地研究原初和初级宇宙射线，需要利用在大气层外的太空望远镜和卫星探测器进行探测;研究次级宇宙射线，需要在高海拔的位置进行;而研究宇宙射线产生的缪子和中微子，一般要将实验装置设置在地下。

科学家测量宇宙射线的性质，主要有两个目的。一是进行天体物理和宇宙学的研究，了解宇宙中发生的事件——哪里有超新星爆发了，哪里有活跃的星系活动，等等。例如，2018年下半年，我国在西藏羊八井地区（海拔4300米）建造的宇宙射线观测站就发现了活跃星系核Mkn421。通过研究原初宇宙射线与星际物质的作用，也可以进一步了解宇宙的起源与构造。

另一个则是研究宇宙射线中所含的微观粒子的性质。20世纪时，在大型粒子加速器建造之前，大量新粒子的发现都有赖于对宇宙射线的测量。诺贝尔物理学奖得主大卫-安德森利用一种叫云室的探测装置，通过分析装置在山上探测到的宇宙射线，对其中的粒子轨迹进行甄别，发现了缪子和反电子（也是第一个发现的反物质）;另一位诺贝尔奖物理学奖得主鲍威尔通过感光乳胶装置，发现了π介子;日本的超级神冈实验则是通过对次级宇宙射线产生的大气中微子的研究，发现了中微子振荡这一奇特的物理现象。

正因为宇宙射线中蕴含着大量的信息，它是大自然赠送给人类的一本难懂的书。如前文所述，极高能量的宇宙射线的来源、宇宙射线的能量与流量关系背后的机制依然是个谜。同时，宇宙射线中也可能携带了尚未发现的新粒子，然而，人们依然去尝试读懂它。目前，有不少先进的技术来探测粒子，除了卫星和空间望远镜，地面上的宇宙射线探测方法主要有：地面带电粒子探测器阵列，切伦科夫探测器和荧光探测器。由于一些大质量天体活动会产生引力波，引力波和宇宙射线可以一起到达地球，如果能同时观测到它们，也能给我们带来更多有价值的信息。目前已经成功运行的引力波观测台正和一些宇宙射线观测站协作，一起解读来自宇宙的奥秘。

伽马射线暴产生的宇宙射线

伽玛射线暴是由距离地球非常遥远的银河系区域或河外星系中的天体活动产生的电磁辐射，是在短时间内突然爆发的高能量（大于10⁵eV）伽马射线，一般持续0.1～100秒，在地球上大约每天可以观测到1次。产生它们的天体活动有多种，比如超新星或者超亮超新星快速旋轉产生的电磁辐射、超大质量恒星的坍缩、2个中子星的合并等。

（责任编辑：司明婧 责任校对：曹伟）