什么是宇宙射线？|原子|地球|大气层|宇宙射线|粒子|辐射

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您是否曾想过，有哪些无形的力量从太空轰炸我们的星球，悄悄地穿透大气层，在我们不知情的情况下穿过一切，包括我们？这些难以捉摸的旅行者，被称为宇宙射线，携带着来自宇宙最遥远地方的秘密。在本文中，我们将探讨宇宙射线的发现、其特征以及揭示其起源的研究。

宇宙射线的历史始于 19 世纪末的一个意外发现。1896年，法国物理学家亨利·贝克勒尔在研究非磷光铀盐时偶然发现了放射性。他发现铀盐无需任何外部能源即可发出辐射。这一革命性的发现引起了许多科学家的兴趣，其中包括著名的居里夫人。随后，玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里对放射性进行了一段时期的深入研究，包括确定钍元素也具有放射性，并发现了其他放射性元素钋和镭。

当科学家深入研究放射性时，他们注意到一个有趣的现象。即使在没有放射性物质的情况下，用于测量放射性的仪器也能检测到恒定水平的电离辐射（亚原子粒子或具有足够能量电离原子或分子的电磁波）。这一背景让研究人员感到困惑，让他们想知道其来源。它可能来自地球本身还是有更神秘的起源？

寻找答案

当时大多数科学家认为，电离源源自陆地——来自土壤矿物质的放射性——并假设在大气中测量到的电离度会随着距地球距离的增加而减少。因此，1910 年，西奥多·武尔夫 (Theodore Wulff) 设计并制造了一种静电计，可以检测高能带电粒子（或电磁波）的存在。他测量了巴黎埃菲尔铁塔底部和顶部的电离水平，发现如果这种效应仅由地球引起，顶部的电离水平明显高于预期。这一发现使科学家们推测源头位于更高的地方，而不是在地球上。

于是，1911年，奥地利裔美国物理学家维克多·赫斯决定进行一项实验。赫斯将他的仪器安装在气球上，并在三年内（1911-1913）进行了一系列单独的上升，测量电离水平。他发现电离首先随着海拔高度的增加而降低，然后开始迅速增加。在几英里的高度，电离度比地球表面高几倍。他得出的结论是，辐射从上方穿透大气层。

1912 年，赫斯在热气球飞行后着陆

人们可能会认为是太阳发出这种辐射。为了测试这一点，赫斯于 1912 年 4 月 17 日在日偏食期间乘坐热气球升空，并排除了太阳作为可能的原因。即使当太阳被半遮蔽时，他也没有观察到电离辐射水平的显着变化。因此，源头不可能是太阳本身。它必须来自外太空。他发现了“宇宙射线”。

电离随高度的增加，由 Hess 于 1912 年（左）和 Caulhurster 于 1913-1914 年（右）测量

1936 年，赫斯因其开创性工作与发现正电子的卡尔·大卫·安德森一起荣获诺贝尔物理学奖。

宇宙射线的性质

那么什么是宇宙射线呢？这些高能粒子来自太空，不断轰击地球。宇宙射线可分为两大类：初级和次级。初级宇宙射线是穿过太空并直接到达地球大气层的粒子。它们主要由质子组成，还有少量的氦核和重元素。

当初级宇宙射线与地球大气层中的原子和分子碰撞时，它们会产生一系列次级粒子。这些次级宇宙射线包括介子、介子和电子，它们继续相互作用并产生更多粒子，形成到达表面的复杂辐射流。

初级宇宙粒子与大气分子碰撞，形成空气簇射

几十年来，了解宇宙射线的起源一直是科学研究的主要目标。当今流行的理论是，宇宙射线是由宇宙中一些最剧烈和最有活力的过程加速的。超新星，即大质量恒星的爆炸，被认为是银河宇宙射线的主要来源之一。这些灾难产生的冲击波可以将粒子加速到令人难以置信的高速度，推动它们穿过银河系。

但并非所有宇宙射线都起源于我们的银河系。观测表明，一些最高能量的宇宙射线来自河外来源。活跃星系核（AGN）是遥远星系中心的超大质量黑洞，可以将粒子加速到非常高的能量。此外，伽马射线暴是宇宙中一些最具能量的事件，也被认为是超高能宇宙射线的潜在来源。但很难准确确定宇宙射线的来源。由于它们是带电粒子，因此会受到太空磁场的影响，并且在到达我们之前可以徘徊很长时间。

宇宙射线有作用吗？

宇宙射线在增进我们对宇宙的理解方面发挥了重要作用。它们充当宇宙信使，传递有关太空中最活跃和最剧烈过程的信息。通过分析宇宙射线，天文学家可以深入了解超新星、黑洞和其他极端事件的驱动机制。

除了科学意义外，宇宙射线还具有实际意义。它们对太空探索构成了挑战，因为高能粒子会损坏电子设备并对宇航员造成健康风险。了解宇宙射线对于为未来的太空任务制定有效的保护策略至关重要。

在地球上，宇宙射线对我们的星球有着微妙但重大的影响。它们在云的形成、影响天气和气候条件方面发挥着重要作用。宇宙射线还会影响电子设备的运行，导致计算机系统出现错误并影响通信网络。

现代检测与未来展望

近年来，技术进步彻底改变了我们探测和研究宇宙射线的能力。阿根廷的皮埃尔奥格天文台和犹他望远镜阵列等地面天文台使用大量探测器来捕获和分析宇宙射线簇射。这些天文台覆盖了大片区域，使科学家能够以前所未有的精度研究最高能量的宇宙射线。同样，国际空间站上的阿尔法磁谱仪 (AMS-02) 收集并分析了数十亿个宇宙射线事件，并识别出其中 900 万个为电子或正电子。