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        探尋宇宙線的起源

        2021-09-16 20:49:49陳思
        知識就是力量 2021年8期
        關(guān)鍵詞:伽馬射線原子核高能

        陳思

        無形的宇宙使者:宇宙線

        渺渺星空、浩瀚宇宙,蘊(yùn)藏?zé)o限奧秘,始終激發(fā)人類探索未知、發(fā)現(xiàn)新奇的熱情和勇氣。各式各樣從空間深處投向地球的射線,給人類帶來了探索宇宙奧秘的鑰匙,為人類打開了探索未知的大門。它們與天體傳來的可見光線不同,是一種人眼看不見的射線。但是,正是這些無形的使者,給人類帶來了了解宇宙的更多可能,它們就是宇宙線。

        什么是宇宙線?宇宙線是在大氣層中誘發(fā)的一堵以接近真空中的光速傳播的高能粒子墻,其主要成分是原子核,其中大部分是氫原子核,約占87%;其次是氦原子核,約占12%;另外還有氧、氮、鐵、鉆、鎳、碳、鋰、鋇、硼等元素的原子核。除原子核外,也會有電子、光子以及幾乎不與物質(zhì)作用的中微子等其他微觀粒子。

        宇宙線作為太陽系外唯一的物質(zhì)標(biāo)本,是人類探索宇宙及其演化的重要途徑。同時,宇宙線也是極強(qiáng)大的天然高能基本粒子源,對于原子核物理研究也十分重要。例如,人類就是在研究次級宇宙線時才第一次發(fā)現(xiàn)了正電子和介子等基本粒子。另外,高能輻射線能使物生物遺傳基因發(fā)生改變或受到破壞,引起生物變異。因此,宇宙線對地球上的生物演化和生態(tài)平衡具有重大影響。可見,宇宙線的探測和研究,對于天文學(xué)、物理學(xué)以及生物學(xué)等領(lǐng)域,都有非常重要的意義。

        宇宙線是在大氣層中誘發(fā)的一堵以接近真空中的光速傳播的高能粒子墻(圖片來源/澳大利亞斯溫伯恩工業(yè)大學(xué)官網(wǎng))

        如何捕捉宇宙信使?

        既然宇宙線這么重要,我們要如何捕捉它呢?這位信使可不是輕易能夠被我們探測到的。

        宇宙線中絕大多數(shù)都是帶電粒子,但宇宙中處處存在著磁場,比如銀河系磁場、太陽磁場、地球磁場,帶電粒子經(jīng)過漫長的“旅程”到達(dá)地球時,會喪失最初的方向。因此根據(jù)地球上觀測到的宇宙線方向,很難找到它的發(fā)源地。

        讓人類倍感欣慰的是,研究發(fā)現(xiàn),在宇宙線的起源地,宇宙線會與當(dāng)?shù)氐慕橘|(zhì)氣體碰撞產(chǎn)生中性高能伽馬射線。這就幫了大忙,因?yàn)橹行粤W硬皇艽艌鲇绊?,因此科研人員只要在地球上觀測到伽馬射線,反推它原來的方向,就可以研究宇宙線起源。因此,通過高能伽馬射線,特別是1014電子伏特(eV)及以上能量的伽馬射線,是目前尋找宇宙線起源非常重要的手段。

        通過對比阿爾法(α)射線、貝塔(β)射線和伽馬(γ)射線穿透紙、鋁和鉛,可知伽馬(γ)射線穿透力最強(qiáng)

        尋找宇宙線起源的秘密武器:辣叟

        那么,接下來,就讓我們認(rèn)識一個尋找宇宙線起源的“秘密武器”——辣叟。它位于中國四川省稻城縣海子山,占地面積約1.36平方千米。

        在技術(shù)上,辣叟有四大“殺手锏”:電磁粒子探測器陣列、繆子探測器陣列、水切倫科夫探測器陣列、廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列。這四大“殺手锏”可以測量宇宙線空氣簇射中的次級電磁粒子;宇宙線空氣簇射中的繆子含量;重建出原初伽馬射線或宇宙線的到達(dá)方向、能量;高能宇宙線或高能伽馬射線通過簇射在大氣中產(chǎn)生的切倫科夫光或熒光。

        辣叟各種觀測手段示意圖

        科學(xué)家預(yù)測,只有極高能宇宙線在銀河系中轟擊原子核才可以產(chǎn)生少量伽馬射線,因此,從這種角度看,我們真正“觸碰”到了電磁波探測的盡頭。當(dāng)然,這也是我們當(dāng)今認(rèn)知的盡頭。不過,毋庸置疑的是,辣叟已經(jīng)為我們開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”的新時代!

        (責(zé)任編輯/高琳 美術(shù)編輯/李子夜)

        高海拔宇宙線觀測站項(xiàng)目模擬圖(繪圖/駱玫)

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