宇宙无奇不有，科学家们如何研究并“捕捉”有奇怪特质的宇宙射线

宇宙射线的奇怪特质

宇宙的大小超乎我们的想象，在宇宙中有很多令人困惑的奥秘，黑洞视界，宇宙规模，磁星性质，暗物质结构等等。宇宙有太多的谜团，今天我们来看一种特殊的物质，它可以直接穿过我们的身体，穿过我们的星球，甚至穿越一切……由细小的原子构成的宇宙射线可以穿透任何物质，不过幸好，在地球上它们在穿透我们身体的时候不会对我们的身体造成损害。但是宇宙中的宇宙射线实在是太多了，这么多宇宙射线，它们不都起源于我们的太阳，粒子物理学家对宇宙射线的来源产生了疑问。

近乎光速运动的带电粒子无时无刻不在轰击着我们的地球，几十年来，宇宙射线研究一直是粒子物理学和天体物理学的核心研究目标。宇宙射线在粒子物理学的发展中起着重要作用，尤其是最近几年粒子物理学家们在宇宙射线中发现了一些基本粒子，例如正电子，μ和π介子。

奥地利物理学家Victor Hess乘坐热气球，成功证实了高能粒子来自太空的理论是正确的

宇宙射线是在1912年被发现的，当时一位名叫Victor Hess的物理学家乘坐热气球发现大气层中的辐射量会随着高度上升而增加。他在热气球上进行了隔离与辐射实验，这使他得出结论，辐射来自太空，而不是来自地球岩石的放射性反应。在日全食期间，他又一次乘坐热气球，由于月球遮挡了太阳，当时他想着来自太阳的宇宙辐射会少一些，但是事实并非如此。这使Victor Hess确定：辐射不都来自太阳，而是来自更深的空间。

在地球上，我们不会受到宇宙射线粒子的威胁，但是宇宙中的辐射粒子能量要大的多，举一个例子，宇宙中的宇宙射线比世界上最强大的大型强子对撞机推动的质子能量高200万倍。我们可以想象，这种能量类似于顶级网球职业选手尽其所能击球，想象一下，网球选手将所有的能量都注入进一个小于原子的区域内，这是非常极端的。

太空中的卫星会受到宇宙射线的影响，一部分高能粒子来自太阳，卫星就好像被困在粒子流海洋中的孤舟一样

不仅如此，科学家对这种粒子是如何到达地球的感到十分困惑，疑问有很多，科学家们只能从头开始研究。到1960年代，粒子物理领域一直占据主导地位，那时人造加速器成为研究基本粒子的主要工具，不过目前，宇宙射线领域的科学家们更侧重于研究与天体物理有关的宇宙射线。

天体物理学和宇宙射线

宇宙或者说宇宙天体是独特的实验室，在这里科学家们可以不断探索与论证经典量子力学，广义相对论，粒子物理学，等离子体物理学，磁流体动力学等学科的各种效应与过程，在宇宙中科学家们还可以探索星系或者超巨型天体是如何将可用的热能和电磁能转化为宇宙粒子的。

SN 1054结构是天文学家们首次观测到的超新星

宇宙射线由稳定的带电粒子组成，其他结构也构成了宇宙射线，这包括少量中性粒子的质子，原子核，电子，伽马射线，中微子以及极微量的反粒子正电子和反粒子质子。宇宙是我们研究宇宙射线的实验室，因为在地球上，除中微子之外，其他粒子都会被地球大气吸收。因此，未来科学家们理想的宇宙射线探测器将是一种基于太空的仪器，该仪器可测量宇宙射线中粒子的方向，能量和电荷质量。最先进的天基宇宙射线探测器是Alpha电磁光谱仪AMS-02，它现在正安装在国际空间站上。

科学家们观测时发现，宇宙射线的通量会随着能量下降而下降，所以科学家们可以通过检测次级粒子（宇宙射线与大气相互作用的产物）从地面完成对宇宙射线的测量。这可以直接完成，也可以通过其电磁辐射观测完成，这是高能宇宙射线研究中的常用方法。尤其是在Pierre Auger天文台中，科学家们使用了这种方法，该探测器阵列覆盖了3000平方千米的区域。

CTA 1超新星残骸

在天体宇宙射线领域中，我们不得不说的就是伽马射线，宇宙伽马射线的范围从低到高是有分类的，一般科学家们使用eV低频，MeV中频，GeV高频，TeV超高频，PeV极高频记作单位。科学家们在研究伽马射线时要求专门设计的探测器能够准确测量粒子的路径方向及其能量。太空仪器还有更多要求，比如太空仪器需要涵盖低频和高频，而地面仪器需要更有效地研究超高频和极高频范围内的宇宙射线。

探索宇宙射线

宇宙射线的起源各不相同，其本质上具有不同的物理参数，比如能量极限，加速机制等，所以在宇宙射线中寻找粒子各向同性通量光谱是一个挑战。我们目前对MeV和GeV宇宙射线范围的了解基本上来自费米和AGILE伽马射线空间望远镜，利用成对转换跟踪技术获得的数据证实了数千个宇宙伽玛射线起源的推测。借助HESS，MAGIC和VERITAS大气Cherenkov望远镜阵列，该领域数据正在迅速增加，现在已经成为了一门天文学科。在过去的10到15年中，使用这些仪器进行的观察已发现了许多重要性成果，尤其是与宇宙射线的起源有关。

图为直径17米的MAGIC望远镜

未来科学家还会制造更多宇宙射线的观测阵列，一项名为切伦科夫望远镜IACT阵列的项目已经在建造当中了，未来IACT在标准的0.1–10 TeV频率内灵敏度会呈指数级提高，另外IACT能量域观测范围可以到达小于10 GeV且高达100 TeV以上。

科学家们的下一代伽马射线探测器切伦科夫望远镜阵列可以完成这些目标，IACT阵列具有较高的灵敏度和相对较大的视野，另一方面，这些阵列的能力在搜索星云扩展结构以及检测孤立结构（比如某一颗脉冲星，磁星等天体）或瞬变的伽马射线源方面也会有很大进步。

Super Kamiokande检测器是一个高40米，直径40米的水箱，装满了50000吨超纯水，这里还铺有13000个检测器，可以检测轰击地球的中微子束

宇宙射线中有很多重要组成部分，有些朋友可能会把中微子与伽马射线的概念混淆，其实中微子类似于伽马射线，但它们之间也存在区别。例如，中微子仅在强子相互作用中产生，而且中微子与伽马射线不同，中微子与周围物质以及磁场和辐射场的相互作用很小。

在过去的十年中，科学家们对宇宙射线的研究取得了令人瞩目的进步，国际空间站机载AMS-02科学仪器也为宇宙射线测量精度提供了新的标准。新的宇宙射线测量值为科学家们的宇宙射线理论提供了更多的参考。

南极厚厚的冰盖是一个巨大的宇宙射线探测器，科学家们在南极建立了IceCube Neutrino天文台，该天文台周围安装了很多传感器，这些传感器是为了检测称为中微子的亚原子粒子

未来在这一领域，科学家们会使用更多的卫星和地面仪器进行宇宙射线的观测。目前我们了解到，超新星爆炸遗迹仍然是银河系宇宙射线的主要来源，另一方面，多TeV伽马射线观测提供的证据表明，大质量恒星团非常活跃，因此，恒星团也是宇宙射线的一个主要来源。

国际空间站上的AMS探测器

一说到宇宙射线，我们就会想到癌症，确实，宇宙中充满了宇宙射线，人类想要在太空长久生存下去就必须直面宇宙射线。宇宙射线的组成很重要，因为这些射线是来自太阳系外部物质的直接样本，所以未来的宇宙射线数据还可以提供有关早期宇宙演化的重要信息。