什麼是宇宙射線以及它們來自何處?

2020-12-03 天文在線
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當瑪麗·居裡和亨利·貝克勒爾首次發現物質的「放射性」時，科學家們認為這僅僅是大氣電離 (電子從空氣分子中剝離) 的作用，是存在於地面巖石中的放射性元素或大氣中的放射性氣體本身所產生的輻射而已。然後，另一位名叫維克多·赫斯(Victor Hess)的物理學家用綁在氣球上的三個靜電計做了一個實驗。

圖解：維克託·赫斯——發現宇宙射線的諾貝爾物理學獎獲得者。

他發現在4600米（15000英尺）高度的電離率比在地面上的電離率高几倍，如此高的電離率只能解釋為：有一個從上方強烈衝擊著地球大氣層的「輻射源」存在。進而，宇宙射線被發現了。

什麼是宇宙射線？

宇宙射線是高能輻射的一種形式（包含原子核或高能質子），它們在我們的星系中傳播，也就是說，它們在銀河系、宇宙中廣泛傳播。宇宙射線可能是由太陽產生的，但大多數已知的射線起源於太陽系之外，並在整個星系中傳播。

圖解：宇宙射線——一名藝術家描繪了超大質量黑洞中心產生的宇宙射線。（圖片來源：WJ共享資源）

大多數銀河系宇宙射線（約85%）由氫原子的原子核（質子）構成，約12%的宇宙射線由α粒子（氦核）構成。剩餘的則是原子核和重原子電子。

當這些高能粒子撞擊地球大氣層並與大氣原子核相互作用時，它們會產生二次粒子簇射，也被稱為「空氣簇射」。

空氣簇射

當宇宙射線與其他大氣原子核相互作用時，大氣中的電磁輻射和電離粒子(如電子、光子和介子)就會發生廣泛的級聯(有時會到達地表)。

圖解：空氣簇射_藝術家描繪的1TeV質子撞擊地球表面以上20公裡的大氣層所產生的宇宙射線空氣簇射。

（圖片來源：迪諾伊/WJ共享資源）

1937年，法國物理學家皮埃爾·奧格爾發現，當宇宙射線與大氣層中懸浮的粒子發生碰撞會產生如此大量的空氣簇射。

宇宙輻射的量在南極或北極附近達到最大，所以如果航空公司的工作人員經常在這些區域（輻射源）工作，他們會經受更多的宇宙射線。

在發現宇宙射線之前，物理學家認為他們實際上是γ射線，是放射性衰變的結果。直到20世紀30年代，一系列的實驗才證明了宇宙射線大部分是帶電粒子。接著在1954年，劍橋麻省理工學院羅西宇宙X射線小組收集了第一批大量的空氣簇射樣本。

圖解：宇宙線對能量的分布。

宇宙射線的分類

科學家將宇宙射線分為四大類。

反常宇宙射線

它們是低能宇宙射線，來自於不受太陽風（太陽大氣層中釋放的帶電粒子流）影響的日球層鞘（遠超出冥王星軌道的氣泡狀空間區域，也就是太陽系的邊緣）。

圖解：太陽宇宙射線——圖片來源：NASA

人們認為當日球層鞘中的電中性原子電離和加速時，就會產生反常宇宙射線。有趣的是，當旅行者1號探測器經過日球層鞘時，並沒有檢測到這種粒子加速的存在。

圖解：日鞘區域——這張圖片顯示了旅行者1號和旅行者2號的位置。

旅行者1號現在已經離太陽非常遠了，並已到達日鞘區域。在這裡，星際氣體和太陽風開始混合。（圖片來源：Walt Feimer / NASA /維基共享資源）

銀河系宇宙射線

通常簡稱為GCR，從外部進入太陽系，但一般是形成於太陽系內。航天科學家認為這些類型的宇宙射線是強大的超新星的產物。

圖解：銀河系宇宙射線——一些銀河系宇宙射線與星際介質作用產生γ射線。這是高能伽馬射線實驗望遠鏡全天巡視伽馬射線的圖像。

有人提出在超新星爆炸之後，粒子在氣體殘留物中反覆彈跳，加速形成宇宙射線，直到達到某種程度散入銀河系。

太陽宇宙射線

太陽宇宙射線泛指大量的宇宙射線，它們來自太陽系的中心恆星——太陽。這些射線大部分只是能量相對較低的質子，從太陽表面的強磁場獲取能量。

超高能宇宙射線

顧名思義，就是具有極高動能的宇宙射線粒子。這些粒子極其罕見，天文學家還沒有完全了解其來源。

圖解：阿根廷的皮埃爾·奧格爾宇宙射線觀測站正在研究超高能宇宙射線，這是落在地球上的宇宙能量最高的粒子。

位於阿根廷的國際宇宙射線觀察站，皮埃爾·奧格爾觀測站已經成立，旨在探測超高能宇宙射線，解開宇宙射線的起源和存在之謎！

參考資料

宇宙射線—WJ百科

空氣簇射（物理）—WJ百科

超高能宇宙射線—WJ百科

反常宇宙射線— NASA’s Cosmicopia

宇宙射線—詹姆斯·肖伯特（俄勒岡大學）

宇宙射線來自爆炸的恆星——SLAC國家加速器實驗室（史丹福大學）

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. sciab

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