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宇宙射線從何而來？

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宇宙射線從何而來？


一幅插圖顯示了撞擊地球的宇宙事件在太空中發射的宇宙射線 。（圖片來源:Robert Lea（與Canva共同創作）/美國國家航空航天局地球圖像公司）
據美國太空網（羅伯特·李）：地球不斷受到宇宙射線的轟擊，這些高能粒子以接近光速從四面八方向我們的星球噴射 。
雖然這聽起來像科幻小說中外星人入侵的前兆，但這是一個世紀以來科學家們已經意識到的真實現象 。根據英國伯明翰大學的說法 ， 盡管宇宙射線有著戲劇性的描述 ， 但它們實際上非常普通——它們非常有規律地穿過我們的星球，以至于在一個普通的夜晚睡眠中，一個人將有大約100萬條宇宙射線穿過他們的身體
盡管宇宙射線無處不在，但它仍然是科學之謎 。眾所周知 ， 撞擊地球的慢能量宇宙射線來自太陽，而其他更高能量的宇宙射線則從深空流入太陽系 。這些太陽系外宇宙射線的來源鮮為人知，其可疑來源包括黑洞和標志著大質量恒星死亡的超新星爆炸 。
宇宙射線在地球上被探測到已經超過100年了 。然而，它們的起源在很大程度上仍不為人所知，”德國魯爾大學物理學和天文學教授朱莉婭·朱斯通過電子郵件告訴Space.com 。“這些微小粒子達到的能量遠遠超過我們在地球上所能達到的能量 。我們正試圖解開一個至今已有100多年歷史的謎題 ， 并緩慢但穩步地將各個部分拼湊起來 。”
什么是宇宙射線？
宇宙射線是以接近光速撞擊地球大氣層的高能粒子流 。它們是在20世紀被發現的，物理學家羅伯特·密立根在1925年創造了“宇宙射線”這個術語 。
從那以后，科學家們確定每天有數萬億宇宙射線撞擊地球，但絕大多數都被地球的磁層和大氣層阻擋了 。
根據芝加哥大學的數據，超過90%的宇宙射線是氫原子核（單質子），9%是氦原子核，1%是重元素直至鐵的原子核 。這些被稱為“強子粒子”，因為它們是由強子組成的，就像質子和中子一樣，它們是由稱為夸克的基本粒子組成的 。
“也有電子和正電子（電子的反粒子）在宇宙射線中向我們飛來，但數量比強子粒子少 。Tjus說:“這些通常被稱為宇宙射線電子 ?！薄坝袝r，人們也將中性高能粒子——光子和中微子——包括在宇宙射線這個術語中，但在大多數定義中 ， 這些粒子是分開存放的 ?！?br>宇宙射線是如何變得如此高能的？

宇宙射線從何而來？


宇宙射線不斷降落在地球上，但沒有人知道它們到底來自哪里 。（圖片來源:DrPixel via Getty Images）
宇宙射線之謎的關鍵是這些粒子如何能夠達到如此不可思議的能量，導致它們加速到接近光速 。
“我們非常了解宇宙射線的能量——宇宙以某種方式將粒子加速到10⁰（1后面跟著20個零）電子伏特，”Tjus說 。“相比之下，地球上的加速器，如歐洲粒子物理研究所的大型強子對撞機（LHC） ， 只能將粒子加速到10 eV，比宇宙所能達到的速度低很多個數量級 。如何將粒子加速到這些極端能量的機制尚不清楚 ?！?br>一種說法是，當一種物質以令人難以置信的高速度撞擊一種移動較慢的介質時，會產生沖擊波陣面，從而使后者發生突然變化，由此可以將粒子加速到如此高的能量 。這將產生一個湍流磁??，可以作为一个天葔哪强大祿镶倠嫞子尖欃?。
產生這種情況的一種可能方式是超新星爆發，即大質量恒星死亡時發生的爆炸 。這種爆炸將使恒星的外層以令人難以置信的速度飛馳 ， 直到這種恒星物質最終撞擊星際介質——恒星之間緩慢移動的氣體云——產生發光的超新星遺跡 。
“超新星遺跡是來自銀河系內部的宇宙射線的合理候選者 。Tjus說:“有證據表明超新星遺跡可以將粒子加速到大約GeV能量【大約10⁹到10 eV】 ?！薄霸谧罡吣芰肯?，大約10 ⁰電子伏，我們知道這些粒子一定來自其他星系 ?！?br>她說，這些高能宇宙射線的一個合理來源是活動星系核（AGN），活動星系的中心由質量為太陽質量數百萬或數十億倍的超大質量黑洞提供能量 。
AGN超大質量黑洞被它們逐漸吞噬的物質所包圍，它們還通過巨大的引力影響攪動這些物質，使它們發出的光比周圍星系中每顆恒星的總和還要亮 。這些區域中沒有被輸送到中心超大質量黑洞的物質可以被引導到黑洞的兩極，在那里以接近光速的物質射流噴出 。當這些噴流撞擊周圍的星際物質時，這種碰撞也可能產生宇宙射線 。
Tjus說 ， 宇宙射線的另一個可能來源可能是所謂的恒星暴增星系，即那些正在經歷異常高的恒星形成率的星系，它們擁有伽馬射線暴 。
但是如果宇宙射線來自宇宙中一些最猛烈和最引人注目的事件 ， 為什么天文學家要努力追蹤這些帶電粒子回到這些來源呢？
宇宙彈球機
難以找到宇宙射線來源的一個原因是它們是由受磁場影響的帶電粒子組成的 。當這些粒子在穿越太空到達我們這里的漫長旅程中遇到磁場時，它們就會發生偏轉 。
因此，當河外宇宙射線在穿越數百萬或數十億光年后到達地球時 ， 它們已經被偏轉和重定向了許多次，就像天體彈球機中的球一樣在宇宙中反彈 。這使得重建它們的原始路徑幾乎是不可能的，但可能有一種間接的方法來做到這一點 。
“當宇宙射線與氣體相互作用時，這些相互作用會導致光子和中微子的產生 。這些是直線傳播的中性粒子 ， 因此可以間接揭示宇宙射線的起源，”Tjus解釋說 。
目前，宇宙射線被研究的能量范圍很廣，從10⁹ eV到10 ⁰ eV，科學家們研究了從宇宙射線的成分到它們在天空中的有利方向的所有東西 。Tjus認為，結合3D建模和對與宇宙射線相關的中微子和光子的精確測量，可以在理解宇宙射線來自哪里以及它們如何以如此驚人的能量發射方面取得進展 。
Tjus說:“宇宙射線之謎只能通過將觀察到的不同信使的不同信息整合在一起來解開 ?！薄暗浇裉鞛橹梗懈鞣N各樣的天文臺提供不同的信息 。“