宇宙线究竟是什么?它来自哪里?

宇宙线究竟是什么?它来自哪里?

宇宙线是什么?宇宙线是一种来自宇宙的高能粒子流,既是可以轰开原子核坚固堡垒的微观“炮弹”,又携带着宇宙起源、天体演化、空间环境和太阳活动等宇观信息,是一种不请自来、普天同降的宝贵科学资源.自1912年Hess乘热气球发现宇宙射线以来,研究宇宙线本身和萃取其携带的信息的努力就从未中断过.在宇宙线被发现后的前40年科研活动中,人们主要是把宇宙线当作神秘、未知的微观大千世界世界的一大宝藏来挖掘,当作可轰开原子核坚固堡垒的高能炮弹来利用.但,一个最最基本的问题总是萦绕在人们头脑中,挥之不去：它来自哪里?（起源） 寂静空旷的宇宙深处,时时刻刻都有人们看不见的宇宙线亦即高能粒子飞行,这是由于天体演化过程中不断地产生粒子流,这些粒子流有些来自超新星爆发,有些来自黑洞喷流,有些源自太阳爆发事件；它们一旦进入地球大气层即是敲碎原子核的利器.在其与大气层的原子核相碰撞的过程中,产生大量的高能次级粒子,继而引发连锁式的核反应、电磁级联和弱衰变,在大气中产生大量的新粒子驰向地面；其中的大多数被土壤吸收,还有的譬如μ子和中微子则可钻入地球深处,后者甚至穿透地球继续前行.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.在本次纪念世界著名物理学家赫斯的公众讲座中,中国科学院高能物理所的谭有恒研究员告诉我们,宇宙线包括以质子为主的各类元素的原子核,以及大约只有原子核总数的1％左右的少量高能电子.其中约87%质子,12%α粒子（氦核子）,其余大部分是原子核、电子、γ射线和超高能微中子也构成一小部分宇宙射线.宇宙线粒子的动能跨越十四个数量级,不同的能量反映了不同的起源.太阳宇宙线的能量最低,大约以10GeV作为起点,从100GeV到1017eV?的宇宙线主要起源于银河系内,而能量高于1017?eV的宇宙线,主要来自于银河系外的广垠宇宙.而地球表面的宇宙线流量大约随着能量的反平方而降.大量不同的粒子能量反映着多样性的源头.现在人们测到的宇宙线最高能量达10的20次方电子伏特.（宇宙线具有跨十几个数量级的连续能谱.最高能粒子的能量近北京电子对撞机的百亿倍）初级宇宙线的成分 在低能（*GeV级）：质子～87% 氦核～12% 其它重核 1%（其中Li 、Be 、B组和 Fe 组超丰） 及少量电子、珈玛、反粒子 在超高能（>100TeV）:只有EAS间接测量,质子为主与铁等重核为主已的争论仍未结束.这是因为EAS实验结果的解释长期因作用模型与初级成分假定的相互纠缠而有二义性.随着LHC的进入超高能区,此老大难题的最终解决自会有期.它来自哪里?今天,人类仍然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的,但科学家们普遍认为宇宙线主要是恒星生命末端灾变的产物（如超新星爆发及其遗迹星云和脉冲星；大质量黑洞及以它为中心的活动星系核等）；它们无偿地为地球带来了日地空间环境的宝贵信息.科学家希望接收这些射线来观测和研究它们的起源和宇观环境中的微观变幻.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.