宇宙射线<br/>——地球人试图握住的“双刃剑”

宇宙射线
——地球人试图握住的“双刃剑”

2022-05-18韩大洋郭建广

发明与创新 2022年16期

◆韩大洋罗澜郭建广

当夜幕降临，我们仰望星空时，遥远的宇宙静谧深邃。然而，宇宙中每时每刻都发生着能量爆发，在人们看不到的地方，宇宙射线作为巨大质量星体的能量载体，能穿过星系介质进入银河系，冲向地球。

宇宙射线构成

1912年，物理学家维克托•赫斯乘热气球探测到电离室内的电流随海拔升高而变大，起初他认为辐射来源于太阳，但当他在夜间仍能探测到高空的电流示数时，得出结论：有一种来自地球外部空间的高穿透力射线进入大气层，从而产生了高空电流，这就是宇宙射线。

宇宙射线本质上是来自宇宙空间的高能带电粒子，其中主要包括约87%的质子和12%的α粒子。在宇宙射线冲向地面的过程中，需要穿过稠密的大气层，进而与大气分子和原子微粒发生碰撞，使得它们的速度大大降低，所以当它们到达地面时能量变弱，对地球生物已无影响。

宇宙深处的“信使”

宇宙射线联系着宏观宇宙和微观粒子世界，解析宇宙射线不仅能了解它携带的宇宙形成、天体演化等宇宙起源奥秘，还能捕捉可能面临的空间天气灾害的蛛丝马迹。我国羊八井宇宙线观测站就可以利用宇宙射线作为太阳活动和空间天气的“晴雨表”，进而开展空间天气、空间探测等领域的研究应用，为大气科学、地球科学等领域提供综合研究平台。

图1 羊八井国际宇宙线观测站实验阵列的探测器单元（图/新华社普布扎西摄）

位于青藏高原海拔4410米最大的古冰体遗迹海子山上，有一个名为“拉索”、占地面积达1.36平方千米的巨大“圆盘”，能够“接住”从太空撒向地球的带电粒子。“拉索”全称“高海拔宇宙线观测站”（LHAASO），因所处海拔高，空气稀薄，能减少大气对宇宙射线的影响。2021年5月，“拉索”在银河系内发现了多个超高能宇宙加速器，并记录到能量达1.4拍（拍=千万亿）电子伏特的伽马光子，这是人类迄今观测到的最高能量光子。

宇宙射线的发现为人类认识宇宙打开了一扇新的大门。有科学家认为，强烈的宇宙射线辐射导致恐龙灭绝，引起生物遗传物质变异，直接影响物种的进化方向。也有科学家认为，宇宙射线通过能量的注入影响云和雷电的形成，进而影响地球气候甚至造成全球变暖。除了来自宇宙深处的射线外，太阳也是一个巨大的辐射源。在结束了第24个太阳活动周之后，太阳也开始慢慢舒展筋骨，展现它的“威力”。

“不按套路出牌”的辐射

让人意外的是，随着太阳活动的不断加剧，人类测量到的辐射强度反而下降。自20世纪60年代起，芬兰奥卢大学就通过架设在地面的设备连续监测空气中的中子，它们是由包括宇宙射线和太阳高能射线与地球大气碰撞之后所产生的“碎片”，也就是人们日常接触到的宇宙辐射。伴随着每一个太阳活动周期，太阳发生爆发的次数由多到少再转多，而地面监测到的辐射剂量则呈现与太阳活动周期相反的规律，也就是说太阳活动越频繁、强度越大，到达地面的辐射反而越少。这种现象又该如何解释呢？

图2 高海拔宇宙线观测站（图/新华社）

图3 用便携式盖革计数器测出地面和空中的辐射剂量数值（图/韩大洋）

太阳本身具有极强的磁场，其影响范围遍及整个太阳系，而对于来自其他星系的宇宙射线而言，太阳磁场就是一张防护效果极佳的“保护罩”，能将这些外来能量阻挡在太阳系之外。随着太阳活动的减弱，磁场强度相应降低了，这就给外来宇宙射线趁虚而入的机会，所以太阳活动较弱的时候，到达地球的辐射反而更强。

太空风险无处不在

在地球之外的外太空，情况更复杂。距离地球约38万千米的月球，空间辐射环境也异常复杂。1972年8月发生了人类有记录以来最强的太阳质子事件，速度极快的带电粒子飞离太阳，恰逢“阿波罗16号”和“阿波罗17号”探月任务期间，据事后计算模拟，如果当时宇航员刚好在月球表面活动，将直接暴露在高能质子的轰击之下，其辐射剂量已达到致死等级。

与月球表面相比，在太空执行任务的航天员面临的辐射环境更加恶劣，就连空间站、卫星、空间望远镜等长期驻留在太空的人造航天器，都会在辐射的影响下出现仪器性能的老化、材料结构变化，甚至引发故障。

据人类太空活动长期积累的数据分析，在太阳活动平静的背景下，航天员在空间站驻留半年时间将受到约100毫西弗剂量的辐射，这是普通人每年所受辐射剂量的100倍。在太阳风暴爆发的极端情况下，这一数值会在此基础上增加10~20倍。2003年的“万圣节太阳风暴”期间，国际空间站临时关闭了飞船工作站和机械臂，宇航员终止一切任务，进入位于空间站尾部的防护舱中紧急避险。