29. 超高能的宇宙射线到底来自哪里？

Where do ultrahigh-energy cosmic rays come from?

当我们人类把各种仪器对准天空的时候，我们接收到的不仅仅是来自遥远外太空的肉眼可见的光波或看不见的电磁波，还有来自宇宙太空深处的各种粒子流。而宇宙射线就是来自遥远的外太空到达地球表面的高能粒子流。宇宙射线包含各种带电的亚原子粒子，比如带正电的质子，带负电的电子以及某些高能的原子核，比如氦核、碳核、氮核甚至重到铁的原子核等。简单地说宇宙射线就是来自外太空以接近光速到达地球表面的高能带电粒子流，而其最主要的成分是高能质子和电子。

图1 来自外太空的宇宙射线（来自网络侵删）

宇宙射线最令人惊讶的就是其粒子流的能量非常高，带电粒子的能量最高可以达到10¹¹GeV。这个能量到底有多高，我们可以通过爱因斯坦的质能公式E = m c²来计算一下：如果一个质子的质量全部变成能量，其能量才不到1个 GeV，也就是说宇宙射线中质子的能量是我们用世界上最好的粒子加速器加速质子所能达到的最大能量的上亿倍。这种超高能量的宇宙射线到底来自哪里，这些粒子流竟然能毫不损耗地穿过遥远的外太空到达地球表面，并且还具有这么高的能量？

宇宙射线的发现源于人们对大气自发电离现象的观测（1785年6月28日人们首次观测到静电计的自发放电现象）。大气本来是不导电的气体，但是科学家们发现密闭容器内的空气会自发放电，经常发现容器中的空气会莫名其妙地发生电离而发生漏电现象，对这个现象的后续研究导致了宇宙射线的发现。在大约1912年前后，奥地利物理学家维克多·赫斯利用热气球对高空大气电离现象进行了一系列开创性的研究工作，他测量了距离地球表面5公里高空的电离辐射水平，发现大气超常电离的原因应该是来源于有一种穿透能力很强的离子流到达了地球上空，赫斯的实验导致了宇宙射线的发现。1936年，赫斯因为发现宇宙射线而获得了诺贝尔物理学奖。

图2 高能宇宙射线导致的空气粒子浴示意图（来自网络侵删）

然而开始科学家们都认为宇宙射线只是高能的伽玛射线(核衰变中放出的极高频率的电磁波)，但在1937年，法国物理学家皮埃尔·奥格(1899-1993)发现，当宇宙射线与大气层高空的粒子碰撞时，会产生大量的粒子流(称为空气粒子浴air showers decay见图2和图3所示)，即大气会产生大量的电子、正电子、光子、μ子(类似于电子但质量是电子的200倍)以及其他到达地球表面的粒子。显然只有宇宙射线中存在高能的带电粒子流在穿透大气层时，才能解释这种观测结果。

图3 高能宇宙射线所产生的粒子浴的观测示意图（来自网络侵删）

然而这种高能的宇宙射线到底出自何处，到现在还没有完全确信的结论，尤其是超高能量的宇宙射线到底来自哪里，现在还是一个谜。1934年巴德和兹维基提出宇宙线可能来自于超新星爆发，但后来的观测发现宇宙射线不仅来自于超新星爆发，还可以来自太阳，来自银河系或某些银河系外高能爆发的天体。

通过对宇宙射线几十年的研究，天文学家把宇宙射线分为四种基本类型。第一种是低能量的，称为异常宇宙射线。它们可能来源于太阳系边缘的日鞘层，在那里太阳风对地球不再有任何影响（见图4所示）。天文学家认为，当日鞘中的电中性原子被电离并加速时，就会出现异常的宇宙射线。2012年，当旅行者1号飞船从日鞘进入星际空间时，它探测到的异常宇宙射线明显减少，而来自太阳系外的异常宇宙射线却大幅增加，这就是一个明显的证据。

图4 来自太阳日鞘的宇宙射线类型（来自网络侵删）

第二种宇宙射线的类型，就是来自银河系的宇宙射线，它从银河系的其他区域流入太阳系，形成到达地球的宇宙射线。2013年初，天文学家宣布确认超新星产生了大多数这种类型的宇宙射线。在超新星爆炸的余波中，粒子在气体残骸内的磁暴磁场中被反复弹射，并不断加速形成宇宙射线，并顺利逃离星系，形成到达地球的宇宙射线。

第三种类型则是来自太阳的宇宙射线。其大部分由质子和能量相对较低的粒子组成，太阳表面强烈的磁场为它们提供加速能量，从而脱离太阳，成为到达地球的一种宇宙射线。

图5 皮埃尔·奥格天文台的宇宙射线观测示意图（来自网络侵删）

第四种则是能量远大于10⁶GeV超高能量的宇宙射线，这是坐落在阿根廷的世界上最大的宇宙射线探测器：皮埃尔·奥格天文台和其他宇宙观测项目都正在研究的一种宇宙射线。2017年，研究人员宣布了令人信服的证据，表明这些超高能量的宇宙射线来自银河系之外的某些灾难性天体爆发事件，但他们依然无法确定射线的具体来源。研究人员希望，2022年开始运行的切伦科夫望远镜阵列将能帮助他们更好地理解形成这些极高能量宇宙射线的灾难性事件。