老喬

科學內(nèi)核是科幻電影的重要組成部分?！读骼说厍颉贰动偪竦耐庑侨恕贰栋Ⅺ愃簯?zhàn)斗天使》，這些2019開年大片著實吸引了眾多影迷的眼球。而就在這些科幻電影中，都提及了一個元素——宇宙射線。那么同學們，你們知道宇宙射線到底是什么嗎？被宇宙射線照射會意外獲得超能力？地球上的生物會不會被宇宙射線殺死？要回答這些問題，看完這篇文章，你就知道了。

是誰發(fā)現(xiàn)了宇宙射線？

1895-1897年這3年間，人們相繼發(fā)現(xiàn)了X射線、放射性和電子，研究微觀粒子的大門由此被打開，“原子”不再是德謨克利特的抽象哲學概念，而是可以在實驗室里進行量化研究的實體。通過研究具有放射性的礦石，人們逐漸意識到，礦石中的不穩(wěn)定元素會釋放出微觀粒子，它們形成了天然放射線。如鈾礦中所含的鈾-238會自發(fā)地釋放出帶正電的氦離子（即氦原子核）、帶負電的電子和不帶電的光子，這些粒子從鈾礦中飛出，分別形成帶正電的α射線、帶負電的β射線和不帶電的y射線。中文里也把它們稱為甲、乙、丙種射線，對應α、β、y。

1910年，德國科學家西奧多-伍爾夫利用他設(shè)計的靈敏靜電計，探測到了空氣里存在著射線。這些射線會電離空氣分子，進而產(chǎn)生可以被靜電計測到的帶電離子。一個很自然的假設(shè)是，這些射線是來自地殼表層（比如土壤和礦石）的放射性元素。如果遠離地表的話，靜電計的讀數(shù)應該會減小。于是他來到了法國，利用當時最高的建筑——324米高的埃菲爾鐵塔來驗證他的假設(shè)。他發(fā)現(xiàn)，在塔頂?shù)姆派湫宰x數(shù)約為塔底的0.58倍。而按照他的推算，在80米高處讀數(shù)就應該減半，因而這些多出來的放射性并非來自地表。然而，由于埃菲爾鐵塔本身的材料里含有一些放射性元素，因此他的結(jié)論無法被人們接受。

1911-1913年，富有冒險精神的美國物理學家弗蘭茲·赫斯乘坐熱氣球，上升到5.3千米的高空來進行這一實驗。出乎意料的是，從地表到距地表1千米高處，在空氣中測到的放射性確實是在不斷減少;但是在高于1千米時，放射性居然大大增加了;到5千米的時候，竟達到地表處的2倍。這說明空氣中的射線不僅僅來自于地表的放射性元素，還來自于其他地方。他認為這些射線主要來自外太空，它們能量很高，可以穿透大氣層。他的結(jié)論馬上被著名物理學家密立根證實，后者將之稱為“宇宙射線”?；钴S星系核釋放的宇宙射線

在大型星系的中心（比如我們的銀河系），一般存在大質(zhì)量的黑洞（太陽質(zhì)量的100萬～1億倍）。這些黑洞周圍的星系物質(zhì)被黑洞的引力吸引，不斷堆積到黑洞周圍所形成的區(qū)域，稱為“活躍星系核”。這一區(qū)域的尺度約為幾光年，相當于恒星之間的距離，與整個星系的尺度相比是極小的，約為太陽與銀河系中心距離的萬分之一，但是所含的能量卻極高。在天文照片中，我們可以看到銀河系中心的亮度要高于其他區(qū)域，實際上高出了好幾個量級。在活躍星系核的巨大能量下，釋放出大量能量極高的微觀粒子。就算它們來自遙遠的星系，當它們長途跋涉抵達地球的時候，能量依然可以達到10（15平方）eV以上。

宇宙射線也可以美美的

初級宇宙射線

在浩瀚的宇宙中，無數(shù)天體永不停息地上演著一幕幕壯觀的大戲。恒星活動、超新星爆發(fā)、脈沖星、黑洞活動、活躍星系核、伽馬暴等，會產(chǎn)生大量高能量的微觀粒子，這些在天體活動中產(chǎn)生的粒子束流稱為原初宇宙射線，主要有電子、質(zhì)子、原子核（氦、碳、氧、鐵等元素）、光子、中微子以及相應的反物質(zhì)粒子（如反電子、反質(zhì)子、反氦核），等等。它們在宇宙空間中穿行，與其中的物質(zhì)作用，改變運動狀態(tài)，產(chǎn)生或轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌牧Ｗ印Ｔ跤钪嫔渚€在宇宙空間里磕磕碰碰，歷經(jīng)千辛萬苦甚至改頭換面終于抵達地球大氣層，這些便是“初級宇宙射線”。

次級宇宙射線

地球就站在“槍林彈雨”的太空戰(zhàn)場的一處——無時無刻不被宇宙射線中包含的微觀粒子轟擊著。高能粒子可以破壞生物體中的DNA和蛋白質(zhì)等物質(zhì)。而地球母親有兩層天然的“防護罩”來阻擋這些高能射線，減小宇宙射線對地球上的生命的傷害：一是地磁場，它使一些能量略低的帶電粒子被阻擋在地球外圍，形成如一瓣瓣桔子形狀的“范艾倫輻射帶”;其二是大氣層，里面的碳、氫、氧、氮、氬等元素可以承受宇宙射線的轟擊，吸收或者減小它們的能量，使它們轉(zhuǎn)化成其他粒子再射向地面，稱為“次級宇宙射線”。

它們大多來自銀河系外

來源于太陽的原初宇宙射線，能量一般在10⁶～10¹⁰eV（電子伏特，1eV等于1個電子在1伏特電勢差的電場中加速后所獲得的動能，等于1.6×10^-19。焦耳）量級。太陽通過核反應不停地燃燒著，其所含的氫、氦原子在高溫下被電離成帶正電的質(zhì)子、氦離子以及帶負電的電子等粒子。若這些粒子的能量足夠高，飛行速度足夠快，就可以擺脫太陽的引力束縛，飛逸出來。這些來自太陽的粒子流被稱為“太陽風”，它們吹向地球，有些在地球的磁場作用下聚集在地球外圍的宇宙空間中，當太陽活動劇烈時，太陽風中更高能量的帶電粒子會扭曲地球磁場，使本該被困在范艾倫輻射帶的粒子逃脫并進入大氣層，在地磁場的作用下在兩極形成極光。

來自太陽系外的原初宇宙射線，能量較低（小于10¹⁰eV）的部分在太陽風和地磁場的作用下被部分阻擋，而能量更高的部分依然可以抵達地球。來自太陽系外、銀河系內(nèi)的原初宇宙射線，主要由超新星爆炸所產(chǎn)生，它們的能量在10¹⁰～10¹⁵eV量級。而能量在10¹⁵～10²⁰eV量級的宇宙射線，人們尚不確定它們的來源，其中一部分可能來自銀河系內(nèi)，但主要還是來自銀河系外，主要由活躍星系核和伽馬射線暴產(chǎn)生。

要讀懂宇宙射線。確實有點難

目前，地球上有多個實驗測得了初級宇宙射線的能量與流量的關(guān)系。如果把一塊1平方米大小的平板放在大氣層外，對于能量在10⁹eV量級的宇宙射線，每秒可以有1萬條打在平板上;對10¹²eV量級的而言，每秒有1條;而對10¹⁶eV量級的宇宙射線，1年才有幾條;而能量更高的宇宙射線的流量極低，則非常罕見。

最終抵達地球大氣層的初級宇宙射線，與大氣層里的物質(zhì)發(fā)生作用，產(chǎn)生大量次級粒子（次級宇宙射線）。而次級粒子如果具有足夠的能量，可以繼續(xù)與大氣物質(zhì)作用產(chǎn)生新的次級粒子，直到最后被大氣吸收。就如同一束閃電分裂成大量的枝權(quán)一般，這一現(xiàn)象稱為“空氣簇射”。

初級宇宙射線一般在3萬米的高空開始與大氣層里的物質(zhì)作用。產(chǎn)生的次級粒子一般在15 000米的高空，它們飛向地面時可以繼續(xù)與大氣物質(zhì)作用產(chǎn)生新的次級粒子，之后能量逐漸降低。在次級粒子中，高能量的繆子穿透力很強，它可以一直飛到地面，穿透土壤，抵達地底深處;而中微子因為不受電磁作用影響，它幾乎不與任何物質(zhì)反應，閑庭信步地穿過地球，再次飛向太空深處。

因此，為了更好地研究原初和初級宇宙射線，需要利用在大氣層外的太空望遠鏡和衛(wèi)星探測器進行探測;研究次級宇宙射線，需要在高海拔的位置進行;而研究宇宙射線產(chǎn)生的繆子和中微子，一般要將實驗裝置設(shè)置在地下。

科學家測量宇宙射線的性質(zhì)，主要有兩個目的。一是進行天體物理和宇宙學的研究，了解宇宙中發(fā)生的事件——哪里有超新星爆發(fā)了，哪里有活躍的星系活動，等等。例如，2018年下半年，我國在西藏羊八井地區(qū)（海拔4300米）建造的宇宙射線觀測站就發(fā)現(xiàn)了活躍星系核Mkn421。通過研究原初宇宙射線與星際物質(zhì)的作用，也可以進一步了解宇宙的起源與構(gòu)造。

另一個則是研究宇宙射線中所含的微觀粒子的性質(zhì)。20世紀時，在大型粒子加速器建造之前，大量新粒子的發(fā)現(xiàn)都有賴于對宇宙射線的測量。諾貝爾物理學獎得主大衛(wèi)-安德森利用一種叫云室的探測裝置，通過分析裝置在山上探測到的宇宙射線，對其中的粒子軌跡進行甄別，發(fā)現(xiàn)了繆子和反電子（也是第一個發(fā)現(xiàn)的反物質(zhì)）;另一位諾貝爾獎物理學獎得主鮑威爾通過感光乳膠裝置，發(fā)現(xiàn)了π介子;日本的超級神岡實驗則是通過對次級宇宙射線產(chǎn)生的大氣中微子的研究，發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩這一奇特的物理現(xiàn)象。

正因為宇宙射線中蘊含著大量的信息，它是大自然贈送給人類的一本難懂的書。如前文所述，極高能量的宇宙射線的來源、宇宙射線的能量與流量關(guān)系背后的機制依然是個謎。同時，宇宙射線中也可能攜帶了尚未發(fā)現(xiàn)的新粒子，然而，人們依然去嘗試讀懂它。目前，有不少先進的技術(shù)來探測粒子，除了衛(wèi)星和空間望遠鏡，地面上的宇宙射線探測方法主要有：地面帶電粒子探測器陣列，切倫科夫探測器和熒光探測器。由于一些大質(zhì)量天體活動會產(chǎn)生引力波，引力波和宇宙射線可以一起到達地球，如果能同時觀測到它們，也能給我們帶來更多有價值的信息。目前已經(jīng)成功運行的引力波觀測臺正和一些宇宙射線觀測站協(xié)作，一起解讀來自宇宙的奧秘。

伽馬射線暴產(chǎn)生的宇宙射線

伽瑪射線暴是由距離地球非常遙遠的銀河系區(qū)域或河外星系中的天體活動產(chǎn)生的電磁輻射，是在短時間內(nèi)突然爆發(fā)的高能量（大于10⁵eV）伽馬射線，一般持續(xù)0.1～100秒，在地球上大約每天可以觀測到1次。產(chǎn)生它們的天體活動有多種，比如超新星或者超亮超新星快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁輻射、超大質(zhì)量恒星的坍縮、2個中子星的合并等。

（責任編輯：司明婧 責任校對：曹偉）