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?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(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(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目模擬圖（繪圖/駱玫）