宇宙射线的爆炸性真相

原文标题：The Explosive Truth About Cosmic Rays
原文作者：Corey S. Powell
来自：Discover；发表时间：2013.4.3
翻译：faith  审校：Linq                                                 

1922年，Victor Hess放起了一个气球，证明地球被来自外太空的 射线不断轰击。可是天文学家到现在才刚刚理解，这些神秘的 “宇宙射线”到底是什么。

那些从外太空深处而来，如雨般落到我们地球上的 奇怪粒子到底是什么呢？

对于这个问题，物理学家们已经纠结了一个世纪之久，但是就在过去的 几个月里，他们在迈向一个合理答案的 路上取得了非凡的 进步。之所以耗费了如此漫长的 时间，是因为研究者这一路上必须跨越许多障碍——甚至连要怎么定义他们所研究的 东西都是十分让人困惑的 。一般官方上会把这些颗粒称为“宇宙射线”，尽管它们根本就不是射线，而是以极高的 速度移动的 原子碎片。这些碎片极难研究，因为它们不沿直线传播。它们带电，所以会沿深空中几乎无处不在的 蛇状磁场线弯曲。一束特定的 宇宙射线在到达地球时候的 路径，和它来自哪个方向没有任何关系 。观察宇宙射线就像是把望远镜对准了一个装满了哈哈镜的 房间。

然而宇宙射线依然是令人振奋的 东西，因为它们直接记录下了在宇宙中活动最疯狂、高能、激烈的 地方所发生的 事件。它们是被大质量年轻恒星 、超新星 爆炸、类星 体和黑洞一脚踹出来的 。最强有力的 宇宙射线能量高得甚至挑战到了物理去解释它们形成机制的 极限。这就说明了，在1912年维克托·赫斯的 气球第一次证明来自天空中各个方向的 神秘射线的 存在之后，为什么那一小撮坚强的 研究人员会一直被宇宙射线困扰了那么久。

名为超虎（Super-TIGER）的 实验做出了一些贡献，它在12月和1月进入了南极洲上空的 平流层，围绕南极转了55天。该实验被三千九百万立方英尺的 氦气球送入距地25英里的 地方去观察天空。它的 探测器重点观测了重宇宙射线：那些来自高度演化、正走向死亡的 沃尔夫—拉叶型星 ，比锌更重的 原子。最新的 实验结果依然处在分析研究阶段。（在下一期杂志《发现》的 Out There板块我会介绍更具体的 细节。）但是来自TIGER——先前一个更小型的 任务——的 数据清楚地显示，极富有戏剧性的 沃尔夫-拉叶星 与宇宙射线的 起源有着内在联系 。

2012年12月，为了理解彻底理解宇宙射线，Super-TIGER实验在南极洲准备升空。

圣路易斯华盛顿大学的 Robert Binns帮我补充了一些细节：“沃尔夫-拉叶相是大质量恒星 演化的 一个阶段，此时会有极高速的 星 风，在非常短的 时间内吹走大量物质。这一阶段维持时间约100,000年，在接近结束时，大质量恒星 的 星 核坍缩，要么发生超新星 爆炸，要么坍缩为黑洞，”他说，“我们认为，最初加速宇宙射线的 是来自这些超新星 爆炸的 冲击波中的 磁场。而这些物质本身，我们认为，有一部分是星 风，它们在爆炸前被吹出，然后搭了那些膨胀的 冲击波的 顺风车，也有一部分是来自那个区域附近的 普通星 际介质、气体和尘埃。”

如果Binns是对的 ，那么他所研究的 原子粒子就恰好是被遥远的 超新星 爆炸——亮度骤然达到太阳亮度数十亿倍的 爆炸——所扫荡出来的 那些粒子，它们在撞上Super-TIGER的 探测器之前在空间里穿越了数百光年。另有两个近期研究支持这一观点。

其中一个来自于美国宇航局的 费米空间望远镜。不像Super-TIGER，费米是不能直接观测宇宙射线的 。但是当宇宙射线随机地与那些安静地漂浮在太空中的 氢原子相撞时，会发生链式反应产生伽马射线，而费米恰好能够探测伽马射线（它和可见光相似，但是能量比可见光高几百万到几十亿倍）。这些伽马光就像是能够指示原子在哪里被电离的 示踪物。换句话说，费米能够取走哈哈镜，让我们看到宇宙射线是从何处发出的 。

由斯坦福大学和卡弗里研究所的 Stefan Funk领导的 一个大团队使用费米望远镜进行追踪，发现有一些宇宙射线起源于两个不寻常的 星 系 ，名为剑鱼座（IC 443）和W44。两个都在之前被定义为超新星 爆炸遗迹，且两个遗迹都与那些已经经历过了沃尔夫-拉叶相的 大质量恒星 相关。宇宙射线的 尾部指向这些地方的 发现与Binns和其他一些人的 结论相呼应，即他们认为，事实上，超新星 爆炸会搅动原子并将它们抛出星 系 。Funk情不自禁地将本次发现称为“冒烟的 枪”（即确凿的 证据）——这是科学家用以阐述一次成功的 观测活动所使用的 独一无二的 词汇。

如果费米的 数据是确凿的 证据，那么另一项研究也算得上是找到了指纹。塞尔维亚的 天文学家，Sladjana Nikolic，来自德国海德堡大学马克斯·普朗克天文研究所的 一名在读博士生，和她的 同事找出了另一可见证据，从中我们能知道宇宙射线是在何处、如何电离的 。使用智利的 甚大望远镜（虽然名字普通，但是它算得上是世界上最大的 望远镜、最令人称奇的 仪器之一），她瞄准了另一个名为SN1006的 超新星 遗迹。在快速扩张的 气体云外边缘，即理应是冲击波正面的 地方，她观测到了炽热的 电离氢原子核。它们几乎肯定就是在数百万年后到达地球，在Super-TIGER和其他实验中被观测到的 那种宇宙射线的 老祖宗。

SN 1006，一千年前的 星 际爆炸以及，被指为宇宙射线之源。上面的 图片是无线电、可见光和X射线的 合成图。

要理解宇宙射线到这种程度需要经历一个漫长而痛苦的 过程，但是这一理解的 意义是深刻的 。在以前，当我抬头望向夜空时，我总觉得它寒冷而遥远。这些星 星 我与我的 生命毫不相干，无论是在空间里还是在时间里。现在，我知道我错了。遥远恒星 的 碎片正在不停地轰击地球的 大气层。它们和空气混在一起。也就在此刻，我将它们吸入了我的 体内——你也一样。

诞生于更早期恒星 的 其他原子也同样是这样穿越空间旅行的 。五十亿年前，它们与那一片坍缩形成了太阳、地球和其他行星 的 星 际云相混合。正如Carl Sagan（卡尔·萨根，著名的 天文学家和科普家）具有划时代意义的 《宇宙》系 列著作中所强调的 ，“我们DNA中的 氮，牙齿里的 钙，血液中的 铁和我们苹果派里的 碳都是在坍缩恒星 的 内部被创造出来的 。我们是星 星 做的 。”宇宙射线看起来很神秘，但是每一束射线都在提醒我们，我们是谁，我们来自哪里。

（全文完）