宇宙射线简介

　　原文标题：Bob Berman's guide to cosmic rays
　　作者：Bob Berman 原文来自：Astronomy   Posted：2016年11月刊
　　编译：京晶   审校：数星星的猫 （编译版权所有，未经许可请勿转载）
　　我们总希望有朝一日奔向遥远的太空。但在那一天到来之前，还有不少人把宇宙当成“外面的世界”——一个遥远的、与地球没有关联的独立个体。的确，就在不久以前，地球还被看作是一个独一无二的、与外界完全分开的所在。地球上有生命、有水流、有构成细胞的蛋白质、还有大量的氧气，在已知的宇宙里似乎再没有其他地方拥有这些东西中的任何一样了。这很符合“我们生来与众不同”这种传统看法。
　　在几颗卫星上发现液态水，又在星云和彗星上找到几种氨基酸，给了这种“地球岛”想法重重一击。但这还只是修正我们认知的第一步。当我们细想这样一个令人惊奇的现实——宇宙物质碎片不停地从我们的体内穿过，我们就真地开始明白地球和更广阔的宇宙之间存在着联系。这意味着宇宙就在我们身边。此时此刻，它正从我们的脑海中掠过。
　　忽视这些永不停止地、来自于遥远天体的物质碎片未免愚蠢。虽然它们仍然是令人费解的迷，但我们认识它们的过程本身就是一个令人惊叹的故事。

　　这幅图展示了在超新星爆发中核聚变形成的较重的原子如何衰变成次级原子。这个过程常伴随有宇宙射线的产生。宇宙射线粒子虽然名为射线，却是携带能量的辐射性粒子。由于宇宙射线不是单个粒子，在与其它物质碰撞时，它们会碎裂成更小的粒子。甚至还有单个粒子从原子中脱离出来。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）
　　来自高空的辐射
　　29岁的物理学家维克多·赫斯（Victor Hess）最先发现了宇宙射线。1910年，他拿到奥地利格拉茨大学的博士学位时年仅23岁，是一个颇有天赋的年轻人。他决定跟随Paul Drude学习，正是后者最先用c表示光速。后来，他的导师自杀了，赫斯则到维也纳大学任教。当时，居里夫妇发现镭的消息传遍了全世界。赫斯开始认真研究物理学最热门的课题——辐射。他发现即使附近没有放射性元素，验电器还是总能探测到带电粒子。而且，无论怎么对验电器进行绝缘处理也没用。这个现象把他迷住了。当时公认的解释是，地球上的矿物质发出周期性辐射，导致验电器有读数。若果真如此，把测量仪器放到远离地面的高处时，带电粒子的数目应该会减少。
　　一篇被普遍接受的学术论文阐述了这个想法：假设地球表面均匀分布着放射性岩石，那么在离地面十米高处（大约三层楼高）辐射量应该减小到地面辐射量的83%。在一千米的高空，辐射量应该只剩下地面辐射量的0.1%。
　　可是，一些科学家却看到了正好相反的情况。1910年，Theodore Wulf把验电器分别放在（法国巴黎）埃菲尔铁塔的底部和顶部。他发现塔顶（离地面三百米高）的电离效果远远超过预期（如果这个电离只是由地面辐射引起的话）。
　　有没有可能产生这个电离效应的主要源头在天上，而非地面？赫斯把他的仪器放到一个热气球上，从1911年开始，他在三年的时间里让气球飞上天十次，做了一系列电离效果的测量。每次测量结果都一样。随着气球升高，辐射强度一开始减小，然后又快速增加。当装置上升到五千米高空时，仪器的读数总是比地面辐射的强度大至少两倍。赫斯发表了一篇科学论文，宣布“有一种穿透力极强的辐射自高空进入了我们的大气层。
　　赫斯需要收集更多信息，而且他也不是胆怯之辈。为了去除太阳这个辐射源的影响，他还进行了一次危险的夜间飞行。在夜幕低垂后，他依然测到了很高的读数，这一点确定无疑。1912年4月17日发生了一次近乎完全的日全食（太阳的绝大部分光芒都被月球遮住了），他借机又把装置送上了天。辐射强度还是没有减小。
　　赫斯没有办法，只好在1913年宣布这个辐射肯定不是太阳发出的，也不是地球上的岩石产生的，而是来自于太空。十年后，Robert Millikan证实了赫斯的发现，并把这种神秘的辐射叫作“宇宙射线”。接下来，赫斯在1936年因为他在宇宙射线方面的研究工作而获得了诺贝尔物理学奖。
　　赫斯获奖之后并没有停止研究。在受到纳粹的威胁后（赫斯的妻子是犹太人），赫斯移民去了美国，成为福特汉姆大学（Fordham University）的教授。在原子弹轰炸广岛后，他继续测量辐射强度，甚至跑到帝国大厦的第八十七层去测量。他在这个研究领域不断做出贡献直至1964年去世。
　　东-西效应
　　Millikan曾经假设赫斯发现的高能粒子是一种肉眼看不见的光，可能是伽马射线。不过，虽然真的探测到了它，Millikan的解释很快就被证实是错的。1927年，研究者发现辐射强度会随到赤道的距离变化。如果宇宙射线是一种光，这就无法解释了。但如果它们被地球的磁场偏折了，这就能说通了。因此，它们必定是某种带电粒子，而不是光子。

　　宇宙射线和伽马射线的产生都与恒星事件有关。但是，除了名字里都带有“射线”一词外，这两者有着显著的不同。伽马射线源自于与原子核有关的事件（无论发生在地面还是宇宙中），常常与中子星和黑洞脱不开关系。伽马射线是光子，在传播时走直线路径。宇宙射线可能是在超新星中产生的，有处于电离态的粒子组成，能够衰变成次级原子。由于外力可以使它们“转向”，所以很难确定它们的发源地。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）
　　尽管如此，“射线”这个词却很顽固，直到今天还被广泛采用。后来，到了1930年，一个更古怪的现象出现了。科学家开始注意到从东边进入地球大气的宇宙射线其强度与从西边进来的不同。这个“东-西效应”指出宇宙射线粒子不仅带电，带的还是正电。那意味着绝大多数粒子是质子或者氢原子核。
　　在二战即将结束时，科学家们已经或多或少地确定了宇宙射线真正的物质构成。结论并不怎么有吸引力。宇宙射线粒子有90%是质子——氢原子核，9%是阿尔法粒子（由两个质子、两个中子构成的较重的粒子，即氦原子核）。极少一部分是更重元素的原子核，只占整体的1%。所以，宇宙射线的整个物质构成与宇宙的物质构成完全一样！显然，有一份非常准确的宇宙物质样本稳定地从各个方向直冲地球而来，然后在地球磁场的引导下到达地球。
　　1%的宇宙射线粒子是电子，这一点非常不可思议。这在当时很令人费解，时至今日依然让人困惑。太阳既发射质子，也发射电子，并且宇宙中的质子和电子数目一样多。为什么宇宙射线粒子有一半都不是电子？它们到底经历过什么？
　　不仅如此，许多宇宙射线的能量非常高，不可能来自于太阳。所以，天体物理学家从一开始就假设绝大多数的宇宙射线来自于非常遥远的超新星爆发和其它激烈的事件，例如一些星系的中心发生爆炸、黑洞坍缩。然而，仍有一小部分宇宙射线拥有令人难以置信的、无法解释的超高能量。
　　不合理的能量
　　测量宇宙射线的能量时使用的单位是兆（百万）电子伏特或者吉（十亿）电子伏特。在一伏特的电势场加速一个电子所需要的能量就是一电子伏特。这听起来好像我们在讨论电场，但别忘了电场只不过是电子的运动，所以这么说也合情合理。
　　太阳发出的宇宙射线通常比较微弱，除非在像日冕物质抛射那样的大爆发中太阳把大量物质抛向我们。然而，银河系发出的宇宙射线其能量大体上要比太阳发出的射线高多了，介于100兆电子伏特至10吉电子伏特之间。由于宇宙射线粒子有90%都是质子，有相同的质量（每个质子的质量相当于1.836个电子质量），为什么会有一些质子的能量高于其它质子呢？
　　唯一的解释是它们的运动速度不同。在谈到宇宙射线的能量时，我们讨论的其实是速度。如果宇宙射线的能量是100兆电子伏特，粒子的运动速度就必须达到光速的43%，这个速度非常快。但还有许多宇宙射线的能量高达10吉电子伏特，其对应的运动速度是光速的99.6%。
　　按照常理，快速运动的物体其破坏性要比慢速物体大。宇宙射线的能量最高可达1020电子伏特。每个粒子携带的能量与(棒球运动中)一个被猛抛出的快球的动能差不多，只不过这些能量被压缩在一个质子大小的作用区域里！有不少宇宙射线粒子在高层大气就被散射掉了，但若有一个粒子到达地面，它对我们的基因序列会有什么影响呢？

　　宇宙射线在穿过地球大气层到达地面的过程中会发生越来越多的碰撞，致使射线中的原子碎裂成越来越小的原子。与此同时，它们的能量也逐渐降低，危害性也随之减少。当大多数宇宙射线到达地面时，它们已经对人畜无害了。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）
　　不健康的食品
　　如果把每年你都暴露在哪些自然辐射中一一列举出来，那么有半数的辐射都来自于地面。有一小部分辐射是从我们自己体内发出的——来自于食物、水或者其它来源（例如香蕉中的钾40）。还有十分之一的辐射是从高空穿透我们的身体，它们就是宇宙射线。正如赫斯发现的，离地面越远，辐射强度越高。所以，生活在高海拔地区（例如美国丹佛市）的人们经受的辐射量比低海拔地区高两倍。
　　对那些长时间待在比珠穆朗玛峰还高的地方的人来说，情况更糟；飞机在高空飞行时，你会受到更多的辐射。那么，飞行员和机组人员的情况又如何呢？由于有宇宙射线，他们受到的辐射量是我们的两倍。这使他们患癌的几率比一般人高1%。
　　还有更糟的。那就是从宇宙深空喷发的一束束强度最高的宇宙射线流。其中大部分通常会在太阳系的边界（日球层顶）偏转方向。日球层顶是汹涌的太阳风从超声波变到亚超声波时形成的激波区。但是，提供这份动力的太阳的能量会随着11年太阳周期发生变化。因此，到达地球的宇宙射线的强度也会发生变化，与太阳黑子数目的变化呈负相关。
　　当太阳活动减弱时（宁静太阳时期，大体上就像我们现在所处的这个自2000年开始的特别阶段），这个激波区也会变弱，保护屏障漏洞百出。这就是为什么来自于深空的宇宙射线现在正以超出正常水平的高强度流向地球的原因。
　　在出现特别强烈的太阳耀斑爆发时，太阳本身也发射宇宙射线，飞北极航线的航班就会遭受额外的辐射轰击。在这样的时期，没人想当宇航员或者未来的火星殖民者。在飞往火星的、为时半年的旅途中，你会特别虚弱。一次猛烈的宇宙射线轰击就能给你造成实实在在的伤害。
　　当27名阿波罗号宇航员（分为三组）在1968年至1972年离开地球时，他们遇到了人类在那之前或者自那以后都没有经历过的事。他们到地球磁层（保护地球的磁场）外去探险，前途未卜且极为凶险。每一名宇航员每隔2.9分钟就会看见闪光。美国宇航局的物理学家当场提出了一个理论解释，后来得到了证实。能量强劲的宇宙射线在通过宇航员的眼睛时，在眼球的液体环境里聚焦形成了这些闪光。
　　宇宙射线会是挡路石吗？
　　到了二十世纪四十年代末和五十年代初，人们认为宇宙射线会严重危害在大气层外活动的生物，可能成为载人航天的“路障”。为了找出答案，美国空军在James Henry上校的指挥下，以David Simons舰长为首，用俘获的德国V-2火箭首次把果蝇、老鼠、然后是灵长类动物送到大气层的上部。
　　1948年6月11日，科学家把第一只猴子送上了天。到1954年，他们已经转而用高空气球做测试了。但人们对宇宙射线的危害仍不清楚。后来，他们又把一只品种古怪的黑色老鼠送上了天，因为辐射会破坏毛皮卵泡里的色素，迅速把毛发颜色变成白色。
　　在下一年以及现在的试验对象是爪哇的猴子。Simons已经完成了数十次测试飞行，动物们也都毫发无损地返回地面。但直至1955年，人们才最终认识到宇宙射线对未来的宇航员不会产生致命影响，虽然在那之后也有几项研究发现宇航员患癌症的风险较高。
　　永远的μ子
　　在5万6千米的高空，宇宙射线开始猛烈撞击空气分子。它们把原子撞裂，就像把一堆台球打散那样，原子内的粒子以接近光速的速度如雨点般坠落地面。在四散而出的物质碎片中就有μ子。这些奇异的、寿命较短的粒子既不特别重，也不特别轻。它们的质量等于208个电子的总质量。它们的寿命也不长，半衰期只有两百万分之一秒。

　　在漫画故事里，宇宙射线会导致变异和变形。真实情况却不美妙。绝大多数宇宙射线在到达地面时已经减速，不致引起伤害。然而，人们已经知道几个宇宙射线伤人的事实了。到地球保护层外去探险的阿波罗号宇航员患心脏病的比例较高。2015年的一项研究指出，子宫癌患病几率的增加与宇宙射线的活动有关。宇宙射线会伤害正在发育的胎儿，增加孕妇日后患子宫癌的风险。宇宙射线还能破坏人类的基因，使长期在太空中活动的宇航员患癌症的几率增加。阿波罗号宇航员报告说即使闭着眼也能看见闪光。这些闪光是宇宙射线轰击他们的眼球引起的。在他们之中还有人报告说出现了失明。而在Edmond Hamilton创作的短篇小说《演化后的人类》里，实验室里暴露在宇宙射线中的生物加速演化，形成了较大的大脑。在1958年的B级影片《爬行的手》中，宇宙射线使一条宇航员的断臂被外星生物操纵，并洗劫了一个小镇。漫威漫画公司出版的《神奇四侠》漫画中，宇宙射线能导致极端的变形，把故事里的一个人物的皮肤变成类似岩石的物质。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY AND LINDA BUCKLIN OF DREAMSTIME）
　　但在μ子（常被认为是宇宙射线）消失之前，如果它们撞到了细胞核里不该撞的基因片段，将会带来危害。2016年在《自然》杂志发表的一项研究显示，患癌症的几率与宇宙射线的活动性相关，而每秒钟大约有240个μ子从你的体内一闪而过。如果你居住在危险的丹佛，就会遭受更多次μ子轰击，但你若选择住在地下，或者你正好大部时间都待在地下停车场里，就没有一个μ子会撞到你。
　　至于那些能量极高的宇宙射线，我们仍然不知道它们是如何获得那么快的速度的：它们的来源仍是一个谜。最近，人们认为像NGC 4038和NGC 4039（天线星系）那样正在并合的星系可能是高能宇宙射线的源头，但这个想法本身也存在问题。如今，最有可能的候选者是活动星系核（例如M82），有10%的星系内部存在这样的天体。有观点认为在把宇宙射线加速到不可思议的速度和能量方面，超大质量黑洞扮演着关键的角色。最近的测量指出，超高能宇宙射线的方向与活跃星系所在的位置存在关联，虽然这些射线几乎无处不在，我们却很难下定论。
　　还有一种想法来自于理论假说：当暗物质粒子衰变成高速质子对，其中一个质子落入黑洞，另一个飞入宇宙时，就会产生超高能宇宙射线。
　　也许事实真是如此。也或者这只不过是绝望又困惑的天文学家把古怪的事当证据，来证明奇特的事罢了。
　　当你无所事事，决定做些什么的时候，几千束宇宙射线正从你的体内一闪而过。除非你已决定在地下停车场闲逛得更久一点。