什么是宇宙射线？

宇宙射线不停地落在地球上，但是没有人知道它们到底来自哪里。(图片来源:DrPixel via Getty Images)

（蜘蛛网eeook.com）据美国太空网（Elizabeth Howell）：宇宙射线是从太阳系外落到地球上的原子碎片。它们以光速燃烧，并被指责为卫星和其他机械的电子问题。

宇宙射线于1912年被发现，一个多世纪后，许多关于宇宙射线的事情仍然是个谜。一个主要的例子就是它们的来源。大多数科学家怀疑它们的起源与超新星(恒星爆炸)有关，但挑战是宇宙射线的起源对多年来检查整个天空的天文台来说似乎是一致的。

2017年，皮埃尔·奥格天文台(Pierre Auger Observatory，位于阿根廷西部，占地3000平方公里，约合1160平方英里)研究了3万个宇宙粒子的到达轨迹，这是宇宙射线科学的一次重大飞跃。它的结论是，这些宇宙射线到达的频率是不同的，这取决于你看的地方。研究人员说，虽然它们的起源仍然模糊不清，但知道去哪里寻找是了解它们来自哪里的第一步。该结果发表在《科学》杂志上。

宇宙射线甚至可以用于天文学以外的应用。2017年11月，一个研究小组利用宇宙射线在公元前2560年左右建造的吉萨大金字塔中发现了一个可能的空洞。研究人员使用μ子断层扫描发现了这个空腔，μ子断层扫描检查宇宙射线及其穿透固体物体的情况。

虽然宇宙射线在20世纪才被发现，但科学家们早在18世纪80年代就知道神秘的事情正在发生。就在那时，法国物理学家查尔斯-奥古斯丁·德·库仑——以以他的名字命名电荷单位而闻名——观察到一个带电的球体突然神秘地不再带电了。

当时，空气被认为是绝缘体，而不是电导体。然而，随着更多的工作，科学家们发现，如果空气的分子带电或电离，空气可以导电。这通常发生在分子与带电粒子或X射线相互作用的时候。

但是这些带电粒子从何而来是一个谜；甚至试图用大量的铅来阻挡电荷也是徒劳的。1912年8月7日，物理学家维克多·赫斯驾驶一只高空气球飞到了17400英尺(5300米)。他发现那里的电离辐射是地面的三倍，这意味着辐射必须来自外太空。

但是追溯宇宙射线的“起源故事”花了一个多世纪。2013年，美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜发布了观测银河系中两颗超新星遗迹的结果:IC 433和W44。

这些恒星爆炸的产物中有伽马射线光子，它(与宇宙射线不同)不受磁场的影响。所研究的伽马射线与被称为中性π介子的亚原子粒子具有相同的能量特征。当质子被困在超新星冲击波内的磁场中并相互碰撞时，就会产生π介子。

换句话说，匹配的能量信号表明，质子可以在超新星内部以足够快的速度运动，从而产生宇宙射线。

我们向威斯康辛大学麦迪逊分校物理系和威斯康辛冰立方粒子天体物理中心的副教授贾斯汀·范登布鲁克询问了一些关于宇宙射线的常见问题。

贾斯汀·范登布鲁克副教授

威斯康星大学麦迪逊分校物理系和威斯康星冰立方粒子天体物理中心副教授

宇宙射线是外层空间自然发生的粒子加速器产生的高能亚原子粒子。它们跨越了巨大的能量范围和各种类型的粒子。严格来说，它们是带电粒子(电子、质子和原子核)，尽管也有密切相关的宇宙中性粒子(光子和中微子)。

最高能量的宇宙射线的动能相当于一个快速投掷的棒球，全部在一个亚原子粒子中！这是人类建造的粒子加速器所能达到的能量的数千万倍。大多数宇宙射线，尤其是在低能量范围内，都是单质子。但是许多是完整的原子核(质子和中子的簇)，跨越了周期表的很大范围。

自从宇宙射线在20世纪初被发现以来，物理学家和天文学家一直在努力回答这个问题。

许多，特别是低能量的，是由太阳产生的。在更高的能量下，宇宙射线的起源仍然是积极研究的课题。有强有力的证据表明，有些是在我们自己的星系(银河系)中的超新星遗迹中产生的(恒星爆炸后缓慢减速，导致其物质穿过周围的空间，这些空间密度较低，但不是完全真空的)。

在最高能量下，宇宙射线很可能来自我们的星系之外，在更高能的环境中，例如在遥远星系中心的巨大黑洞周围。继续确定宇宙射线的多种来源将有助于我们了解宇宙的这些最极端的部分，并使用这些自然发生的粒子加速器和它们产生的粒子来回答基本的物理问题。

当一条高能宇宙射线撞击地球时，它通常会在地球大气层的高处相互作用，与空气原子发生粒子物理反应，粉碎原子。向外的原子碎片通常能量充足，足以反过来击碎更多的原子，等等。

通过这种方式，高能亚原子粒子簇射发展起来。这场流星雨中的一小部分粒子可以到达地面并与那里的原子碰撞。这些次级亚原子粒子是作为地球大气簇射的一部分产生的，有时会与直接从天体物理源到达地球的粒子归为一类，统称为宇宙射线。

宇宙射线是电离辐射的一种，这意味着它们的能量足以将电子从原子中撞出来，使它们电离。如果原子是电子设备或计算设备的一部分，这可能会改变电子设备的性能或导致计算机出现一次性错误。如果原子是生物的一部分，也许是DNA分子的一部分，它会破坏生物组织，也许会导致DNA突变。

因此，宇宙射线是人们一生中自然产生的辐射剂量的一部分。因为地球的大气层吸收了宇宙射线的大部分能量，只有一小部分到达地面。地球磁场还会在许多原始宇宙射线到达大气层之前将其偏转，从而提供进一步的保护。

因此，宇宙射线只占人们接受的总辐射剂量的一小部分，比地壳中放射性同位素自然产生的氙还要少。此外，计算设备和生物组织在大多数情况下都可以识别和纠正由电离辐射引起的错误。在大气和地球磁场都无法保护人们免受宇宙射线伤害的情况下，例如在飞往火星的长途飞行中，宇宙射线的辐射剂量是一个更大的担忧。

科学家利用高空气球收集关于宇宙射线的宝贵数据。(图片鸣谢:NASA/BPO)

我们今天知道，银河宇宙射线是质子(带正电的粒子)、电子(带负电的粒子)、原子核等原子碎片。虽然我们现在知道它们可以在超新星中产生，但可能有其他来源可以产生宇宙射线。也不清楚超新星是如何快速产生这些宇宙射线的。

宇宙射线不断地落在地球上，虽然高能“初级”射线与地球高层大气中的原子碰撞，很少到达地面，但“次级”粒子从这种碰撞中喷射出来，并到达地面上的我们。

但是当这些宇宙射线到达地球时，就不可能追踪它们是从哪里来的了。这是因为当它们穿越多重磁场(银河系的、太阳系的和地球自身的)时，它们的路径已经改变了。)

科学家们正试图通过观察宇宙射线的构成来追溯宇宙射线的起源。他们可以通过观察每个原子核在辐射中发出的光谱信号，也可以通过称量撞击宇宙射线探测器的不同同位素(类型)的元素来解决这个问题。

NASA补充说，结果显示了宇宙中非常常见的元素。大约90%的宇宙射线原子核是氢(质子)，9%是氦(阿尔法粒子)。氢和氦是宇宙中最丰富的元素，也是恒星、星系和其他大型结构的起源点。剩下的1%都是元素，科学家可以从这1%中最好地寻找稀有元素，以便在不同类型的宇宙射线之间进行比较。皮埃尔·奥格天文台合作项目在2017年发现了宇宙射线到达轨迹的一些变化，为这些射线的起源提供了一些线索。

科学家还可以通过观察随时间减少的放射性原子核来确定宇宙射线的年代。测量每个原子核的半衰期可以估计出宇宙射线在太空中存在了多长时间。

2016年，美国宇航局的一艘飞船发现大多数宇宙射线可能来自(相对)附近的大质量恒星群。该机构的高级成分探测器(ACE)探测到宇宙射线，其中含有一种放射性铁形式，称为铁-60。由于这种形式的宇宙射线会随着时间的推移而退化，科学家估计它肯定起源于距离地球不超过3000光年的地方——相当于银河系本地旋臂宽度的距离。

一项名为ISS-CREAM(宇宙射线能量学和质量)的实验于2017年发射到国际空间站。预计它将运行三年，回答一些问题，如超新星是否产生最多的宇宙射线粒子，宇宙射线粒子何时起源，以及宇宙射线的所有能谱是否可以用单一机制来解释。但在2019年2月，美国宇航局停止了这项实验。根据发表在《今日物理学》上的一篇文章，ISS-CREAM的提前关闭是因为参与该项目的大多数科学家拒绝了美国宇航局的要求，即用该机构亲手挑选的继任者取代该项目的首席研究员(PI)、马里兰大学(UMD)物理学家Eun-Suk Seo。

国际空间站还拥有量热电子望远镜(CALET)，用于搜索最高能量类型的宇宙射线。CALET于2015年在那里推出。

超级老虎信息图。(图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心)

宇宙射线也可以通过气球来探测，例如通过超级跨铁银河元素记录器(SuperTIGER)实验，该实验包括美国宇航局喷气推进实验室和几所大学的参与。它飞行了几次，包括2012年12月至2013年1月期间在南极洲上空创纪录的55天飞行。“利用这次飞行的数据，我们正在研究宇宙射线的起源。特别是，测试OB协会中宇宙射线起源的新兴模型，以及确定哪些粒子将被加速的模型，”超级老虎网站说。

然后在2019年12月，超级老虎2:0飞上天。SuperTIGER宇宙射线实验的第二次飞行，正式命名为SuperTIGER-II，在南极洲上空飞行了一个多月，收集了宝贵的宇宙射线数据。

公民科学家也可以通过在网站crayfis.io注册来参与寻找宇宙射线。在那里，他们将加入俄罗斯国立研究大学高等经济学院大数据分析方法实验室(LAMBDA)开展的crayfis实验。那里的研究人员正在用手机检测超高能宇宙射线。

另一个名为DECO(分布式电子宇宙射线观测站)的公民科学项目也使用手机来帮助收集宇宙射线数据。该应用程序通过记录相机图像来工作，每1-2秒钟一次，然后应用程序分析图像以确定亮像素以及样本图像是否代表高能粒子相互作用。

地球的磁场和大气层屏蔽了地球上99.9%的来自太空的辐射。然而，对于地球磁场保护之外的人来说，空间辐射成为一种严重的危害。

“好奇号”火星探测器在其253天的火星之旅中搭载的一个仪器显示，即使是最短的地球-火星往返旅程，宇航员受到的辐射剂量也约为0.66西弗。这个量相当于每五六天接受一次全身CT扫描。

1西弗的剂量与致命癌症风险增加5.5%有关。生活在地球上的普通人每天接受的正常辐射剂量是10微西弗(0.00001西弗)。

月球没有大气层，磁场很弱。住在那里的宇航员必须提供他们自己的保护，例如将他们的栖息地埋在地下。

火星没有全球磁场。来自太阳的粒子剥离了大部分火星大气层，导致火星表面防辐射能力非常差。火星上的最高气压相当于地球表面以上22英里(35公里)的高度。在低海拔地区，火星的大气层对太空辐射的防护稍好一些。

2017年，美国宇航局对其空间辐射实验室(位于纽约布鲁克海文国家实验室)进行了一些升级，以进一步研究宇宙射线如何影响长途旅行中的宇航员，包括前往火星。由于软件控制，这些升级允许研究人员更容易地改变离子的类型和能量的强度。