20.4: 宇宙射线

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

定义宇宙射线并描述其构成
解释为什么很难研究宇宙射线的起源，以及目前关于宇宙射线可能来自何处的主要假设

除了气体和尘埃之外，在星际空间中还发现了第三类粒子，这些粒子因其高速传播而引人注目。 宇宙射线是奥地利物理学家维克多·赫斯在 1911 年发现的，他在气球上使用简单的仪器，证明高速粒子是从太空到达地球的（图\(\PageIndex{1}\)）。 “宇宙射线” 一词具有误导性，暗示它可能像一束光线，但我们一直坚持这个名字。它们绝对是粒子，其成分与普通星际气体几乎相同。但是，它们的行为与我们到目前为止讨论的天然气截然不同。

alt — 图\(\PageIndex{1}\)：维克多·赫斯（1883—1964）。宇宙射线先驱维克多·赫斯从1912年的气球飞行中返回，该飞行高度达到5.3千米。正是在这样的气球飞行中，赫斯发现了宇宙射线。

宇宙射线的本质

宇宙射线主要是高速原子核和电子。典型的速度等于光速的90％。将近 90% 的宇宙射线是氢核（质子）从伴随的电子中剥离的。氦和较重的原子核构成了大约 9%。大约1％的宇宙射线的质量等于电子的质量，其中10-20％的宇宙射线携带正电荷，而不是作为电子特征的负电荷。具有电子质量的带正电荷的粒子被称为正电子，是一种反物质（我们在《太阳：核强国》中讨论了反物质）。

宇宙射线中各种原子核的丰度反映了恒星和星际气体的丰度，但有一个重要的例外。宇宙射线中的锂、铍和硼的轻元素比太阳和恒星中的含量要多得多。这些轻元素是在碳、氮和氧的高速宇宙射线核与星际空间中的质子碰撞并分裂时形成的。（顺便说一句，如果你像大多数读者一样，没有记住所有元素，想看看我们提到的任何元素如何融入元素序列，你会发现在附录K中按它们所含质子数量的顺序列出了它们。）

宇宙射线大量到达地球，我们可以通过直接捕获它们或通过观察它们与大气中的原子碰撞时发生的反应来确定它们的性质。宇宙射线在地球大气层中沉积的总能量仅为从太阳获得的能量的十亿分之一左右，但它与以星光形式接收的能量相当。有些宇宙射线从太阳表面进入地球，但大多数来自太阳系以外。

它们来自哪里？

在识别宇宙射线的来源方面存在严重的问题。由于光线是直线传播的，我们只要看就能分辨出它来自哪里。宇宙射线是带电粒子，它们的运动方向可以通过磁场来改变。宇宙射线的路径既由星际空间中的磁场弯曲，也由地球自身的磁场弯曲。计算表明，低能宇宙射线在进入我们可以探测到的大气层之前，可能会在地球上旋转多次。如果飞机在着陆前多次绕机场盘旋，观察者很难确定飞机起飞的方向。因此，在宇宙射线环绕地球数次之后，也无法知道它的旅程是从哪里开始的。

但是，关于宇宙射线可能在哪里产生，有一些线索。例如，我们知道，星际空间中的磁场足够强大，足以阻止除最有活力的宇宙射线之外的所有射线逃离银河系。因此，它们似乎很可能是在银河系内部的某个地方生产的。唯一可能的例外是那些能量最高的人。这样的宇宙射线移动得如此之快，以至于它们没有受到星际磁场的显著影响，因此，它们可以逃离我们的银河系。比方说，它们也可以逃离其他星系，因此我们探测到的一些能量最高的宇宙射线可能是在某个遥远的星系中产生的。尽管如此，大多数宇宙射线的来源必须位于银河系内。

我们还可以估计典型的宇宙射线在撞击地球之前会传播多远。轻元素锂、铍和硼是钥匙。由于这些元素是在碳、氮和氧气撞击星际质子时形成的，因此我们可以计算出宇宙射线平均必须穿越太空多长时间才能经历足够的碰撞以考虑它们所含的锂和其他轻元素的量。事实证明，所需的距离约为环绕银河系的30倍。在接近光速的速度下，普通宇宙射线大约需要300万至1000万年才能传播这个距离。这只是银河系或宇宙时代的一小部分，所以宇宙射线肯定是最近才在宇宙时间尺度上产生的。

宇宙射线源的最佳候选者是超新星爆炸，它标志着一些恒星的暴力死亡（我们将在《星之死》中对此进行讨论）。爆炸喷出的物质会产生冲击波，冲击波穿过星际介质。带电粒子可能会被困住，在冲击波正面来回反弹多次。每次穿过冲击时，其内部的磁场都会越来越多地加速粒子。最终，它们以接近光速行驶，可以逃离冲击变成宇宙射线。在适当的情况下，一些倒塌的恒星（包括超新星爆炸遗留的恒星残余物）也可能充当粒子的加速器。无论如何，我们再次发现恒星的生命周期丰富了银河系的原材料。在下一节中，我们将更详细地介绍这个浓缩过程。

量热电子望远镜 (CALET) 任务

你可以观看关于量热电子望远镜（CALET）任务的简短视频，这是国际空间站的宇宙射线探测器。该链接将带你进入美国宇航局约翰逊的 “太空站直播：国际空间站的宇宙射线探测器”。

视频\(\PageIndex{1}\)：美国宇航局评论员帕特·瑞安与路易斯安那州立大学的约翰·韦弗尔博士讨论了量热电子望远镜（CALET），这是一项天体物理学任务，旨在寻找暗物质的特征并提供宇宙射线电子谱的最高能量直接测量。

摘要

宇宙射线是以光速的90％的典型速度穿越星际空间的粒子。宇宙射线中最丰富的元素是氢和氦原子核，但也发现了电子和正电子。许多宇宙射线很可能是在超新星冲击中产生的。

词汇表

宇宙射线: 原子核（主要是质子）和电子，观察到它们以极高的能量撞击地球大气层。