改寫歷史的天空捕手

2007年5月7日，美國宇航局（NASA）天文學(xué)家們在距地球2.4億光年的茫茫太空中發(fā)現(xiàn)了一顆正在猛烈爆炸、迄今為止最大最亮的超級新星，并預(yù)期類似的“太空煙花匯演”會(huì)在距地球不遠(yuǎn)的星體上演。天文學(xué)家表示，這一爆炸不會(huì)危及地球，而且南半球的人們將能有幸目睹這一奇觀。

“超宇宙射線”之謎

大家知道，一個(gè)星體要到生命盡頭的時(shí)候，會(huì)突然變得特別的亮，這個(gè)時(shí)候的星體被稱為“超新星”。超新星誕生一般認(rèn)為是由于大型恒星內(nèi)核停止產(chǎn)生新的能量，因自身重力產(chǎn)生的巨大引力導(dǎo)致整個(gè)星體向中心坍塌，從而出現(xiàn)劇烈爆炸，形成超新星爆發(fā)。具有磁場的星系等天體就像一個(gè)密閉的帶有電粒子的容器。當(dāng)星系內(nèi)的超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波會(huì)使質(zhì)子等帶電粒子加速向外輻射，這樣的“天然加速器”因其質(zhì)量的大小與磁場的強(qiáng)弱提供給“宇宙射線”的能量不同，質(zhì)量越大，磁場越強(qiáng)，射線的能量越大。

所謂“宇宙射線”是從宇宙入射到地上的高速粒子，今天科學(xué)家圍繞著超宇宙射線的觀測，引起了一場有趣的爭議。隨著今后科技的進(jìn)一步發(fā)展，為當(dāng)今物理學(xué)和天文學(xué)帶來巨大變革也未可知。據(jù)此，科學(xué)家或許能夠進(jìn)一步證實(shí)愛因斯坦在其相對論中提出的“界限”，或是存在至今天文學(xué)上無法解釋的未知天體。

氣球上的發(fā)現(xiàn)

宇宙射線是由20世紀(jì)初奧地利物理學(xué)家海瑟通過驗(yàn)電器的箔片顯示，發(fā)現(xiàn)的奇怪現(xiàn)象。如果驗(yàn)電器箔片帶電，則里面的兩枚箔片因斥力張開。但是不可思議的是，如果不管它，則箔片自己會(huì)慢慢地閉合上。

當(dāng)時(shí)已知鈾等礦物會(huì)發(fā)射眼睛看不見的射線，這種射線能把空氣中原子里的電子撞擊出來。認(rèn)為箔片閉合可能是地殼發(fā)射的射線所為。如果那樣的話，那么遠(yuǎn)離地面則輻射減弱。但是在埃菲爾塔上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究者發(fā)現(xiàn)，塔上的輻射并沒有期待的那么弱。

接著海瑟帶著箔片驗(yàn)電器乘上氣球，在高空測定輻射。出人意料的是越遠(yuǎn)離地面，輻射變得越強(qiáng)，這說明輻射發(fā)生源在地球之外。這樣就發(fā)現(xiàn)了從宇宙射來的強(qiáng)力射線，即宇宙射線。海瑟由此獲得1936年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1938年，法國物理學(xué)家皮埃爾發(fā)現(xiàn)了“空氣簇射”效應(yīng)。來到地球的一條宇宙射線與空氣中的原子核碰撞產(chǎn)生許多簇狀的宇宙射線。為了加以區(qū)分，我們將來到地球的宇宙射線稱為初級宇宙線，碰撞后產(chǎn)生的宇宙射線稱為次級宇宙線。

不可思議法則

現(xiàn)在專家已經(jīng)知道，宇宙線是“高速飛行的粒子”。宇宙線的粒子主要是由質(zhì)子或氦、鐵等的原子核組成，此外電子、光子、中微子等也作為宇宙線來到地球。但是質(zhì)子或原子核、電子等是帶電粒子。一旦帶電粒子飛到磁場中，它因受到一種稱作“洛侖茲力”的影響，帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生彎曲。目前，研究基本粒子用的“環(huán)行加速器”就是利用這一原理，將帶電粒子密閉在環(huán)行的容器里，用強(qiáng)電場加速粒子。

到達(dá)地球上的各種宇宙線，能量較低的可能自我們的銀河系，能量高的可能來自銀河系以外，但是從什么天體來還是一個(gè)謎。

讓人感興趣的是，飛到地球上的宇宙線能量與頻數(shù)的關(guān)系：低能量的宇宙線頻繁地射入地球，越是高能量的宇宙線射入地球的頻數(shù)越低。宇宙線的能量大小以電子伏（ev）為單位表示。相對能量在10¹²ev以上的宇宙線是每平方米每秒大約入射1個(gè)，如果是10¹⁶ev以上的宇宙線，同樣面積每年只入射1個(gè)。

如果將宇宙能量與入射頻數(shù)的關(guān)系繪制成對數(shù)坐標(biāo)圖的話，幾乎成一直線。這意味著“宇宙線的能量上升10倍，超過此數(shù)的宇宙射線的入射頻數(shù)減少1%。但是為何來自各種發(fā)生源的宇宙線服從這個(gè)法則是一個(gè)很大的謎。

相對論決定“宇宙線能量上限”

那么，到底是在什么地方的高能量宇宙線能到達(dá)地球呢？實(shí)際上有專家預(yù)言：不管具有多高能量的宇宙線，經(jīng)過宇宙空間的長途跋涉后肯定減弱到4×10¹⁹ev左右，這就是到達(dá)地球的宇宙射線的能量上限。

這個(gè)預(yù)言關(guān)系到充滿我們宇宙的光，即“宇宙背景輻射”。所謂宇宙背景輻射，是1965年發(fā)現(xiàn)的被視為宇宙大爆炸之后宇宙殘留的光。

作為宇宙線是以高速前進(jìn)在宇宙空間中的質(zhì)子。宇宙空間正以每立方厘米約400個(gè)光子（宇宙背景輻射）被布滿。為此，前進(jìn)在宇宙空間里的質(zhì)子以某個(gè)概率與光子碰撞。如果質(zhì)子的能量在4×10¹⁹ev以下，它幾乎不發(fā)生碰撞照樣前進(jìn)；若質(zhì)子的能量超過4×10¹⁹ev，則與光子碰撞概率急速提高。在這個(gè)碰撞中產(chǎn)生π介子，因?yàn)樗鼛ё哔|(zhì)子的部分能量，所以質(zhì)子的能量減到碰撞前的8～9成。

其后，直到質(zhì)子能量減到4×10¹⁹ev之前，它會(huì)反復(fù)與光子碰撞減少能量。按計(jì)算，即使再高能量的質(zhì)子，經(jīng)過1.5億光年左右的宇宙空間旅行后，肯定其能量會(huì)減到4×10¹⁹ev以下。也就是說，從整個(gè)宇宙來看，只要發(fā)生源在地球附近，即1.5億光年內(nèi)，地球上理應(yīng)沒有4×10¹⁹ev以上的高能量宇宙線入射。人們將這個(gè)上限值以三位發(fā)現(xiàn)者的名字的第一個(gè)字母來命名，稱之“GZK界限”。順便指出，4×10¹⁹ev上限值是以愛因斯坦相對論為基礎(chǔ)，使用洛侖茲變換，從質(zhì)子質(zhì)量與宇宙背景輻射的溫度計(jì)算出來的。

11個(gè)超GZK的宇宙線

伴隨觀測裝置的大型化，科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)超過GZK界限的宇宙線，向上述那個(gè)頻數(shù)的正確性發(fā)起挑戰(zhàn)。

如前所述，越是高能量的宇宙線入射地球的頻數(shù)變低。例如，假定超過GZK界限的10²⁰ev的宇宙線，按計(jì)算在100平方千米的大范圍每年僅有1個(gè)。據(jù)此，日本科學(xué)家于1990年在100平方千米的范圍內(nèi)準(zhǔn)備巨大的檢測器等待超GZK宇宙線射入。在大約100平方千米的土地上以每1千米的間隔設(shè)置了111臺(tái)閃爍檢測器，如果有宇宙線通過就能顯示閃爍。所有閃爍檢測器用光纖連接，顯示空氣簇射的信號集中到觀測站。如果分析閃爍檢測器信號的時(shí)間差，就可能確定初級宇宙線入射的方向。

日本科學(xué)家自1990年以來的13年間共捕捉到11例10²⁰ev以上的超GZK宇宙線，多是按原來理論無法解釋的。目前有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，可能在距地球1.5億光年內(nèi)的近旁存在這樣高能量宇宙線的發(fā)生源。如果調(diào)查大量集中超GZK宇宙線的入射方向，則或許能發(fā)現(xiàn)未知高能量天體也未可知。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，“GZK界限”的預(yù)言條件存在一定破綻。

結(jié)束爭論的計(jì)劃

實(shí)際上，專家對上述觀測結(jié)果也存有異議。美國的研究小組用望遠(yuǎn)鏡捕捉空氣簇射在大氣中發(fā)出的熒光進(jìn)行宇宙線觀測。美國的宇宙線檢測裝置與日本裝置一樣，同為世界上最大規(guī)模的宇宙線檢測裝置。專門捕捉超過10²⁰ev的高能量宇宙線。但是美國的觀測規(guī)模比日本的大1倍多，不過，它檢測到超過10²⁰ev的宇宙線比日本檢測到的少，只有3例。如果是這個(gè)數(shù)，則與理論吻合。為此，美國的研究小組認(rèn)為日本的宇宙線檢測裝置在能量測定上有誤。

兩個(gè)研究小組結(jié)論究竟哪個(gè)正確呢？為了結(jié)束爭論，雙方科學(xué)家最終決定在美國猶太州760平方千米的廣闊原野上安裝576臺(tái)宇宙線檢測器，其靈敏度比日本的檢測裝置高10倍以上，美日科學(xué)家共同觀測。

總之，如果日本的結(jié)果是正確的話，則可能意味著相對論的失效，甚至可能從根基上動(dòng)搖現(xiàn)代物理學(xué)；或者有可能發(fā)現(xiàn)潛藏在地球近旁的未知高能量天體，這也將是天文學(xué)上的一件大事。現(xiàn)在人們正拭目以待這場紛爭將給出什么樣的結(jié)果。