[科普中国]-宇宙射线

成分

亨利·贝克勒1896年发现放射性后，许多人认为大气中的电流（地球大气层的电离）仅来自于土中放射性物质或产生出的放射性气体（氡气的同位素）的辐射。1900至1910年，十年内逐增高度的电离率测量显示出一个能够通过空气对电离辐射的吸收解释的降值。其后，维克托·赫斯于1912年利用一个热气球，带着三台静电计，登上了5300米的高空。他探测到电离率增长到大约地面率的四倍。他得出的结论是“我的观察结果最好的解释是设想一种高穿透力的射线从上部进入大气层。”维克托·赫斯因为这次后人命名为“宇宙线”（cosmic rays）的发现于1936年获得诺贝尔物理学奖。

宇宙线大致可以分成两类：原生和衍生宇宙线。 来自太阳系外的天文物理产生的宇宙线是原宇宙线；这些原宇宙线会和星际物质作用产生衍生（二次）宇宙线。太阳在产生闪焰时，也会产生一些低能量的宇宙线。在地球大气层外的原宇宙线，确实的成分，取决于观测能量谱的哪些部分。不过，一般情况下，进入的宇宙线几乎90%是质子，9%是氦核（α粒子），和大约1%是电子。氢和氦核的比例（质量比氦核是28%）大约与这些元素在宇宙中的元素丰度（氦的质量占24%）相同。

其余丰富的部分是来自于恒星核合成最终产物的其它重原子核。衍生宇宙线包含其它的原子核，它们不是丰富的核合成或大爆炸的最终产物，原生的锂、铍、和硼。这些较轻的原子核出现在宇宙线中的比例远大于在太阳大气层中的比例（1:100个粒子），它们的丰度大约是氦的10。

这种丰度的差异是衍生宇宙线造成的结果。当宇宙线中重的原子核成分，即碳和氧的原子核，与星际物质碰撞时，它们分裂成较轻的锂、铍、硼原子核（此过程被称为宇宙射线散裂）。被发现的锂、铍和硼的能谱比来自碳或氧的更为尖细，这个值暗示有少数的宇宙射线散裂是由更高能量的原子核产生的，推测大概是因为它们是从银河的磁场逃逸出来的。散裂也对宇宙线中的钪、钛、钒和锰离子等的丰度负责，它们是宇宙线中的铁和镍原子核与星际物质撞击产生的（参见天然的背景辐射）。

即使卫星实验在原宇宙线中发现一些反质子和正电子存在的证据，但没有复杂的反物质原子核（例如反氦核）存在的证据。在原宇宙线中观测到的反物质丰度是符合它们也能由原宇宙线在深太空和普通物质撞击，在衍生宇宙线的程序中产生的理论。例如，一种在实验室中产生反质子的标准方法是以能量大于6GeV的质子去撞击其他的质子，而在原宇宙线中很轻易的就有许多质子的能量超过这个数值。无论是否在银河系中，当简单的反物质能够由这种程序产生时（不是在大气层的高层），它们仍可能传播遥远的距离抵达地球，而不会在星际空间中与其他的氢原子碰撞而湮灭。抵达地球的反质子特征是能量最多只有2GeV，显示它们产生的过程在基本上与宇宙线中的质子是截然不同的。

在过去，人们认为宙线的通量随着时间的推移一直是相当稳定。最近的研究显示，以1.5至2千年的时间尺度，有证据显示在过去的40,000年，宇宙线的通量是有变化的。4

射线发现1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。

宇宙线亦称为宇宙射线，是来自外太空的带电高能次原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。射线这个名词源自于曾被认为是电磁辐射的历史。主要的初级宇宙射线（来自深太空与大气层撞击的粒子） 成分在地球上一般都是稳定的粒子，像是质子、原子核、或电子。但是，有非常少的比例是稳定的反物质粒子，像是正电子或反质子，这剩余的小部分是研究的活跃领域。

大约89% 的宇宙线是单纯的质子或氢原子核，10%是氦原子核或α粒子，还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子（像是β粒子，虽然来源仍不清楚），构成其余1%的绝大部分；γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。

粒子能量的多样化显示宇宙线有着广泛的来源。这些粒子的来源可以是太阳（或其它恒星） 上的

一些程序或来自遥远的可见宇宙，由一些还未知的物理机制产生的。宇宙线的能量可以超过10E20eV，远超过地球上的粒子加速器可以达到的10E12至10E13 eV，使许多人对有更大能量的宇宙线感兴趣而投入研究[1]。

经由宇宙线核合成的过程，宇宙线对宇宙中锂、铍、和硼的产生，扮演着主要的角色。它们也在地球上产生了一些放射性同位素，像是碳-14。在粒子物理的历史上，从宇宙现中发现了正电子、μ和π介子。宇宙线也造成地球上很大部份的背景辐射，由于在地球大气层外和磁场中的宇宙线是非常强的，因此对维护航行在行星际空间的太空船上太空人的安全，在设计有重大的影响。

宇宙线大致可以分成两类：原生和衍生宇宙线。 来自太阳系外的天文物理产生的宇宙线是原宇宙线；这些原宇宙线会和星际物质作用产生衍生（二次）宇宙线。太阳在产生闪焰时，也会产生一些低能量的宇宙线。在地球大气层外的原宇宙线，确实的成份，取决于观测能量谱的哪些部份。不过，一般情况下，进入的宇宙线几乎90%是质子，9%是氦核（α粒子），和大约1%是电子。氢和氦核的比例（质量比氦核是28%）大约与这些元素在宇宙中的元素丰度（氦的质量占24%）相同。

调节太阳调节（solar modulation）指太阳或太阳风改变进入太阳系的银河系宇宙射线强度和能谱的过程。当太阳处于活跃时期，相比安静时期，银河系的宇宙射线会较少的进入太阳系。基于这个原因，银河系宇宙射线与太阳一样遵从11年周期，但不同的是：剧烈的太阳活动对应低宇宙射线（进入太阳系），反之亦然。

对早期地球的影响约在46亿年前，地球刚从太阳星云中形成。初生的地球，固体物质聚集成内核，外周则是大量的氢、氦等气体，称为第一代大气。

那时，由于地球质量还不够大，还缺乏足够的引力将大气吸住，又有强烈的太阳风（是太阳因高温膨胀而不断向外抛出的粒子流，在太阳附近的速度约为每秒350～450公里），所以以氢、氦为主的第一代大气很快就被吹到宇宙空间。地球在继续旋转和聚集的过程中，由于本身的凝聚收缩和内部放射性物质（如铀、钍等）的蜕变生热，原始地球不断增温，其内部甚至达到炽热的程度。于是重物质就沉向内部，形成地核和地幔，较轻的物质则分布在表面，形成地壳。

初形成的地壳比较薄弱，而地球内部温度又很高，因此火山活动频繁，从火山喷出的许多气体，构成了第二代大气即原始大气。

原始大气是无游离氧的还原性大气，大多以化合物的形式存在，分子量大一些，运动也慢一些，而此时地球的质量和引力已足以吸住大气，所以原始大气的各种成分不易逃逸。以后，地球外表温度逐渐降低，水蒸汽凝结成雨，降落到地球表面低凹的地方，便成了河、湖和原始海洋。当时由于大气中无游离氧（O2），因而高空中也没有臭氧（O3）层来阻挡和吸收太阳辐射的紫外线，所以紫外线能直射到地球表面，成为合成有机物的能源。此外，天空放电、火山爆发所放出的热量，宇宙间的宇宙射线（来自宇宙空间的高能粒子流，其来源目前还不了解）以及陨星穿过大气层时所引起的冲击波（会产生摄氏几千度到几万度的高温）等，也都有助于有机物的合成。但其中天空放电可能是最重要的，因为这种能源所提供的能量较多，又在靠近海洋表面的地方释放，在那里作用于还原性大气所合成的有机物，很容易被冲淋到原始海洋之中。

历史起源宇宙线的起源通常指宇宙线中的主要成分──各种原子核的发射和加速过程。宇宙线在空间中的运动和分布，属于宇宙线的传播问题。宇宙线的起源和传播问题是彼此密切相关的：加速和传播阶段不能截然划分开；相当一部分初级宇宙线原子核产生于传播过程中。

宇宙线的起源和传播是高能天体物理学中一个重要的问题。宇宙线是各种天体演化过程的产物，特别是各种高能天体物理过程的产物，携带着这些过程的丰富信息。

但是，宇宙线起源和传播的研究有许多困难：首先由于宇宙线带电粒子在星际空间传播过程中受到磁场的偏转，人们无法直接探知它们在空间的分布，只能由宇宙线在运动和作用过程中发射出的射电波、X 射线和γ射线间接地推断它们的存在。宇宙线在传播过程中，还同星际物质作用，不断改变其能量和组成，观测到的初级宇宙线成分和能谱，是由原始起源与传播过程共同决定的。从地球附近初级宇宙线推断产生源处原始宇宙线的情况，必须考虑宇宙线在传播过程中同星际物质的作用以及地球和太阳系磁场的调制，由射电、X射线和γ射线观测推断银河系内宇宙线粒子分布，也必须了解星际介质的分布情况；但是人们对于太阳系磁场和一些重要的星际介质（如星际氢分子）的认识还只是刚刚开始。此外，随着初级宇宙线观测的进展，现有核物理和高能物理知识（如原子核反应截面、长寿命放射性核素的衰变寿命和分支比）的不足，已越来越成为限制人们了解原始宇宙线的重要原因。

宇宙线高能粒子应起源于各种高能天体或天体高能过程。太阳和其他恒星表面的高能活动、超新星爆发、脉冲星、类星体和活动星系等，都可能是宇宙线源。目前人们普遍认为大多数宇宙线粒子起源于银河系内。太阳耀斑爆发等高能过程伴随着粒子的发射，但这种太阳活动只能产生太阳系空间宇宙线粒子的一个小部分，而且太阳粒子平均能量仅数十兆电子伏，大部分宇宙线应来自太阳系之外。银河系普通恒星的粒子发射只能产生银河系内宇宙线粒子的一个微不足道的部分，大部分宇宙线应产生于比普通恒星活动更剧烈的过程。

超新星爆发是银河系内最猛烈的高能现象。银河系超新星爆发的平均能量输出可以满足维持银河宇宙线能量密度的需要。蟹状星云等超新星遗迹强烈发射高度偏振的非热射电辐射，它们应当是高能电子在磁场中的同步辐射。超新星遗迹中存在着大量的高能电子，应当是宇宙线高能电子的发源地。人们普遍设想超新星爆发及其遗迹也应当发射高能原子核，成为宇宙射线的主要来源。宇宙线中氢和氦核的相对丰度较太阳系或银河系平均丰度小，表明宇宙线原子核可能来自恒星演化过程的晚期。宇宙线中重元素（例如Z>60）较多，它们可能是超新星爆发条件下快速中子俘获过程（γ过程）的产物。宇宙线中一些元素的丰中子同位素较多，也表明宇宙线可能起源于超新星爆发形成的丰中子环境中。但是，迄今并无直接的证据说明超新星及其遗迹发射高能原子核。超新星爆发所释放的能量如何转化为粒子的动能，以及从很多超新星这样的分立源如何能形成宇宙线粒子的幂律能谱，都是超新星起源模型所面临的困难。对于初级宇宙线元素丰度的新近测量结果的分析表明，原始宇宙线重元素的相对丰度分布接近于太阳系的分布，与γ过程预期的分布差别甚大，也同超新星起源模型不一致。

E.费密曾于1949年提出宇宙线在星际介质中统计加速的机制：带电粒子在同随机运动的磁场不断地碰撞中得到加速。费密加速机制可以解释宇宙线的幂律能谱。但是，费密机制要求粒子另有初始加速过程，要求有足够的能量供给星际介质中磁场的运动；同时费密机制不利于加速重原子核，难以解释观测到的宇宙线丰度分布。近来的X射线观测发现，超新星遗迹中至少在104年内存在着强烈的激波。理论分析表明，星际介质中的激波可以有效地加速宇宙线粒子，而且可以产生幂律能谱。由超新星爆发等高能活动引起的较强烈的激波在星际空间高温稀薄气体中可能传播足够长的路程，使激波加速机制可能有效地加速宇宙线粒子。但是，近来发现原始宇宙线元素丰度分布与原子第一电离能密切相关：第一电离能愈低的元素，原始宇宙线丰度与太阳丰度之比愈大。所以，宇宙线起源和加速区域的温度不能太高（