探尋宇宙線的起源

陳思

無形的宇宙使者：宇宙線

渺渺星空、浩瀚宇宙，蘊藏無限奧秘，始終激發人類探索未知、發現新奇的熱情和勇氣。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標本，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現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平衡具有重大影響。可見，宇宙線的探測和研究，對于天文學、物理學以及生物學等領域，都有非常重要的意義。

宇宙線是在大氣層中誘發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大學官網）

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，帶電粒子經過漫長的“旅程”到達地球時，會喪失最初的方向。因此根據地球上觀測到的宇宙線方向，很難找到它的發源地。

讓人類倍感欣慰的是，研究發現，在宇宙線的起源地，宇宙線會與當地的介質氣體碰撞產生中性高能伽馬射線。這就幫了大忙，因為中性粒子不受磁場影響，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

尋找宇宙線起源的秘密武器：辣叟

那么，接下來，就讓我們認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生的切倫科夫光或熒光。

辣叟各種觀測手段示意圖

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

（責任編輯/高琳 美術編輯/李子夜）

高海拔宇宙線觀測站項目模擬圖（繪圖/駱玫）