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这到底有什么用,宇宙射线由什么构成

日期:2019-12-04编辑作者:财神彩票

当玛丽·居里和亨利·贝克勒尔首次发现物质的“放射性”时,科学家们认为这仅仅是大气电离 (电子从空气分子中剥离) 的作用,是存在于地面岩石中的放射性元素或大气中的放射性气体本身所产生的辐射而已。然后,另一位名叫维克多·赫斯(Victor Hess)的物理学家用绑在气球上的三个静电计做了一个实验。

出品:科普中国

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制作:鱼长弓(北京航空航天大学物理系)

图解:维克托·赫斯——发现宇宙射线的诺贝尔物理学奖获得者。

监制:中国科学院计算机网络信息中心

他发现在4600米高度的电离率比在地面上的电离率高几倍,如此高的电离率只能解释为:有一个从上方强烈冲击着地球大气层的“辐射源”存在。进而,宇宙射线被发现了。

近日,中日合作西藏ASgamma实验团队利用我国西藏羊八井ASgamma实验阵列发现能量高达450TeV的宇宙伽马射线,这是迄今为止最高能量的宇宙伽马射线。这一发现成为国内外媒体关注的焦点。此次中日联合团队发现了24个100 TeV以上的伽玛射线事例,超出宇宙线背景5.6倍标准偏差,其中能量最高的约为450 TeV。这标志着伽马射线天文观测进入到100TeV以上的能段,对于探究天体的物理过程和规律具有重要意义。

什么是宇宙射线?

那么什么是高能宇宙射线?高能伽马射线是如何产生的?科学家又是如何观测到它的?为什么高能宇宙伽马射线的发现备受关注?这篇文章将为大家一一道来。

宇宙射线是高能辐射的一种形式(包含原子核或高能质子),它们在我们的星系中传播,也就是说,它们在银河系、宇宙中广泛传播。宇宙射线可能是由太阳产生的,但大多数已知的射线起源于太阳系之外,并在整个星系中传播。

无处不在的宇宙射线

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图解:宇宙射线——一名艺术家描绘了超大质量黑洞中心产生的宇宙射线。

图1 左:地磁场阻挡来自太阳宇宙射线的示意图 右:Vector Hess在进行高空气球实验

大多数银河系宇宙射线由氢原子的原子核构成,约12%的宇宙射线由α粒子构成。剩余的则是原子核和重原子电子。

宇宙射线是来自外太空的高能粒子,宇宙射线成分复杂。大约89%的宇宙射线是单纯的质子,10%是氦原子核,还有1%是重元素。伽马射线是宇宙射线的一种,但在其中只占极小的一部分。宇宙射线可大致分为两类:原生宇宙射线和衍生宇宙射线。原生宇宙射线是由宇宙射线源产生,然后成功逃逸到宇宙空间且未与星际物质发生相互作用的粒子流;衍生宇宙射线指的是原生宇宙射线和星际物质作用后产生的各种粒子。

当这些高能粒子撞击地球大气层并与大气原子核相互作用时,它们会产生二次粒子簇射,也被称为“空气簇射”。

宇宙射线几乎无处不在,影响宇宙射线剂量的主要因素有海拔、纬度、屏蔽等因素。海拔越高、纬度越大,辐射越强。宇宙射线的发现可以追溯到一百多年前。1912年,奥地利物理学家Vector Hess在高空热气球实验中首次发现了宇宙射线。自发现至今,人们研究了宇宙射线的成分、能量分布等性质以及随空间、时间的变化规律。宇宙射线已经发展成为一门独立的学科。但宇宙射线在何处产生?是什么把它加速到如此高的能量?这些依然是宇宙射线物理的核心问题。

空气簇射

千里迢迢“赶”到地球的高能宇宙伽马射线

当宇宙射线与其他大气原子核相互作用时,大气中的电磁辐射和电离粒子(如电子、光子和介子)就会发生广泛的级联。

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图2 左:欧洲大型强子对撞机 右:蟹状星云

图解:空气簇射_艺术家描绘的1TeV质子撞击地球表面以上20公里的大气层所产生的宇宙射线空气簇射。

想必大家都听过粒子加速器,加速器是一种能使带电粒子能量增加的科学装置。目前世界上最大的粒子加速器是位于日内瓦近郊的欧洲大型强子对撞机。这台设备可以将质子加速到6.5TeV,要知道可见光的能量只有几个电子伏特。而此次西藏羊八井ASgamma实验平台探测到的伽马光子能量在100TeV以上。宇宙加速器远远超过了人类最先进的机器。

1937年,法国物理学家皮埃尔·奥格尔发现,当宇宙射线与大气层中悬浮的粒子发生碰撞会产生如此大量的空气簇射。

西藏羊八井探测到的高能伽马射线来自于蟹状星云。蟹状星云位于金牛座,距离地球大约6500光年,是公元1054年一次明亮的超新星爆发的残骸。在蟹状星云中,最初的爆炸为加速创造了条件。研究人员认为,蟹状星云中高速旋转的脉冲星能够产生超高能量电子,这些电子与周围宇宙微波背景辐射发生“逆康普顿散射”,就会产生100TeV以上的高能伽马射线。伽马射线向外发射,最终到达地球上被探测器探测到。可以推断出,蟹状星云就是“银河系内天然的高能粒子加速器”。

宇宙辐射的量在南极或北极附近达到最大,所以如果航空公司的工作人员经常在这些区域工作,他们会经受更多的宇宙射线。

怎么才能“看见”宇宙伽马射线

在发现宇宙射线之前,物理学家认为他们实际上是γ射线,是放射性衰变的结果。直到20世纪30年代,一系列的实验才证明了宇宙射线大部分是带电粒子。接着在1954年,剑桥麻省理工学院罗西宇宙X射线小组收集了第一批大量的空气簇射样本。

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图3 左:广延大气簇射 右:西藏ASgamma实验探测器示意图,白色小方块为表面探测器阵列,彩色部分为地下缪子水切伦科夫探测器

图解:宇宙线对能量的分布。

仅凭肉眼是无法观察到伽马射线的。那要如何才能“看见”它们呢?答案是必须借助探测器才可以。高能的原生宇宙射线进入地球大气后,会在10到15公里的高空和大气中的介质(主要是氧原子核和氮原子核)发生相互作用产生次级粒子、次级粒子继续反应产生更多的粒子,这就是“广延大气簇射”。以广延大气簇射为基础,人们发展了地面阵列探测技术。

宇宙射线的分类

西藏羊八井ASgamma实验阵列主要分为地上地下两个部分。地上表面探测阵列使用了近600个闪烁体探测器,分布在65000平方米的区域内(约为150个篮球场的面积);而地下部分则是有效面积为4200平方米的缪子水切伦科夫探测器。表面探测阵列的优势在于视场大,可以进行全天候、大天区的观测。它能够记录次级粒子到达探测器的时间信息、粒子的密度分布和粒子的电荷等信息,从而重建出原生宇宙射线的方向、能量以及成分。

科学家将宇宙射线分为四大类。

我们在前面的文章中提到过,在宇宙射线中,伽马射线所占的比例极小,其他的粒子与大气中的介质反应也会产生次级粒子,这些次级粒子会对探测伽马射线产生干扰。地下缪子水切伦科夫探测器就是为了去除这些干扰。羊八井实验平台所使用的地下缪子水切伦科夫探测器能够剔除99.92%的干扰。也正是地下缪子水切伦科夫探测器的存在,使得西藏羊八井ASgamma实验平台成为世界范围内100TeV以上能区最灵敏的伽玛射线天文台,并成功的“看见”100TeV伽玛射线。

反常宇宙射线

为什么要研究高能宇宙伽马射线?

它们是低能宇宙射线,来自于不受太阳风(太阳大气层中释放的带电粒子流)影响的日球层鞘(远超出冥王星轨道的气泡状空间区域,也就是太阳系的边缘)。

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图4 α、β、γ三种射线在磁场中的不同表现

图解:太阳宇宙射线

宇宙射线的成分非常多样,大体上可以将之分为带电粒子和不带电粒子。我们都知道,带电粒子在磁场中会发生偏转。地球周围存在磁场,同样的,在银河系内也存在磁场。宇宙射线组成部分中的带电粒子,在银河系磁场中会发生偏转,因此我们无法根据带电粒子的抵达位置来判断其产生的源头位置。而伽玛光子是电中性的,即不带电的。伽马射线在飞行过程中不受磁场影响,不发生偏转。

人们认为当日球层鞘中的电中性原子电离和加速时,就会产生反常宇宙射线。有趣的是,当旅行者1号探测器经过日球层鞘时,并没有检测到这种粒子加速的存在。

我们可以根据伽马射线的抵达位置来探寻其产生的源头,而超高能量的伽玛射线又是由高能带电粒子产生的。因此,观测超高能量的伽马射线可以研究这些高能粒子的加速过程,同时可以研究这些高能粒子是在怎样的极端环境下产生的。

旅行者1号现在已经离太阳非常远了,并已到达日鞘区域。在这里,星际气体和太阳风开始混合。

高能量伽马射线是探索宇宙的重要探针之一,它能够让我们更好地认识宇宙。对伽马射线(尤其是高能量伽马射线)进行研究,有助我们厘清伽马射线的产生机制,确认发射宇宙射线的天体,是人类探索宇宙及其演化的重要途经。

银河系宇宙射线

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通常简称为GCR,从外部进入太阳系,但一般是形成于太阳系内。航天科学家认为这些类型的宇宙射线是强大的超新星的产物。

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图解:银河系宇宙射线——一些银河系宇宙射线与星际介质作用产生γ射线。这是高能伽马射线实验望远镜全天巡视伽马射线的图像。

有人提出在超新星爆炸之后,粒子在气体残留物中反复弹跳,加速形成宇宙射线,直到达到某种程度散入银河系。

太阳宇宙射线

太阳宇宙射线泛指大量的宇宙射线,它们来自太阳系的中心恒星——太阳。这些射线大部分只是能量相对较低的质子,从太阳表面的强磁场获取能量。

超高能宇宙射线

顾名思义,就是具有极高动能的宇宙射线粒子。这些粒子极其罕见,天文学家还没有完全了解其来源。

位于阿根廷的国际宇宙射线观察站,皮埃尔·奥格尔观测站已经成立,旨在探测超高能宇宙射线,解开宇宙射线的起源和存在之谜!

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