標籤: 暫無標籤

宇宙射線(Cosmic Rays)以接近光速進入行星際空間、月球表面和地球大氣層的高能粒子或原子核。太陽宇宙射線來自太陽的劇烈活動,銀河宇宙線可能來自超新星爆發。

1 宇宙射線 -簡介

宇宙射線宇宙射線

宇宙射線亦稱為宇宙線,是來自外太空的帶電高能次原子粒子。它們可能會產生二次粒子穿透地球的大氣層和表面。射線這個名詞源自於曾被認為是電磁輻射的歷史。主要的初級宇宙射線 (來自深太空與大氣層撞擊的粒子) 成分在地球上一般都是穩定的粒子,像是質子、原子核、或電子。但是,有非常少的比例是穩定的反物質粒子,像是正電子或反質子,這剩餘的小部分是研究的活躍領域。

大約89%的宇宙線是單純的質子或氫原子核,10%是氦原子核或α粒子,還有1%是重元素。這些原子核構成宇宙線的99%。孤獨的電子 (像是β粒子,雖然來源仍不清楚),構成其餘1%的絕大部分;γ射線和超高能中微子只佔極小的一部分。

粒子能量的多樣化顯示宇宙線有著廣泛的來源。這些粒子的來源可以是太陽 (或其它恆星) 上的一些程序或來自遙遠的可見宇宙,由一些還未知的物理機制產生的。宇宙線的能量可以超過1020 eV,遠超過地球上的粒子加速器可以達到的1012至1013 eV,使許多人對有更大能量的宇宙線感興趣而投入研究。

經由宇宙線核合成的過程,宇宙線對宇宙中鋰、鈹、和硼的產生,扮演著主要的角色。它們也在地球上產生了一些放射性同位素,像是碳-14。在粒子物理的歷史上,從宇宙現中發現了正電子、μ和π介子。宇宙線也造成地球上很大部份的背景輻射,由於在地球大氣層外和磁場中的宇宙線是非常強的,因此對維護航行在行星際空間的太空船上太空人的安全,在設計有重大的影響。

2 宇宙射線 -發現

宇宙射線宇宙射線
宇宙射線1912年,德國科學家韋克多·漢斯帶著電離室在乘氣球升空測定空氣電離度的實驗中,發現電離室內的電流隨海拔升高而變大,從而認定電流是來自地球以外的一種穿透性極強的射線所產生的,於是有人為之取名為「宇宙射線」。

3 宇宙射線 -歷史記錄

宇宙射線宇宙射線
1900至1910年,十年內逐增高度的電離率測量顯示出一個能夠通過空氣對電離輻射的吸收解釋的降值。其後,赫斯於1912年利用一個熱氣球,帶著三台靜電計,登上了5300米的高空。他探測到電離率增長到大約地面率的四倍。他得出的結論是「我的觀察結果最好的解釋是設想一種高穿透力的射線從上部進入大氣層。」赫斯因為這次後人命名為「宇宙線」(cosmic rays)的發現於1936年獲得諾貝爾物理學獎。 

4 宇宙射線 -成分

宇宙射線宇宙射線

宇宙射線大致可以分成兩類:原生和衍生宇宙線。 來自太陽系外的天文物理產生的宇宙線是原生宇宙線;這些原宇宙線會和星際物質作用產生衍生 (二次) 宇宙線。太陽在產生閃焰時,也會產生一些低能量的宇宙線。在地球大氣層外的原宇宙線,確實的成份,取決於觀測能量譜的哪些部份。不過,一般情況下,進入的宇宙線幾乎90%是質子,9%是氦核 (α粒子),和大約1%是電子。氫和氦核的比例 (質量比氦核是28%) 大約與這些元素在宇宙中的元素丰度 (氦的質量佔24%) 相同。

其餘豐富的部份是來自於恆星核合成最終產物的其它重原子核。衍生宇宙線包含其它的原子核,它們不是豐富的核合成或大爆炸的最終產物,原生的鋰、鈹、和硼。這些較輕的原子核出現在宇宙線中的比例遠大於在太陽大氣層中的比例 (1:100個粒子),它們的丰度大約是氦的10−7。

宇宙射線宇宙線:質子-內部結構模型圖

這種丰度的差異是衍生宇宙線造成的結果。當宇宙線中重的原子核成份,即碳和氧的原子核,與星際物質碰撞時,它們分裂成較輕的鋰、鈹、硼原子核 (此過程被稱為宇宙射線散裂)。被發現的鋰、鈹和硼的能譜比來自碳或氧的更為尖細,這個值暗示有少數的宇宙射線散裂是由更高能量的原子核產生的,推測大概是因為它們是從銀河的磁場逃逸出來的。散裂也對宇宙線中的鈧、鈦、釩和錳離子等的丰度負責,它們是宇宙線中的鐵和鎳原子核與星際物質撞擊產生的。

即使衛星實驗在原宇宙線中發現一些反質子和正電子存在的證據,但沒有複雜的反物質原子核 (例如反氦核) 存在的證據。在原宇宙線中觀測到的反物質丰度是符合它們也能由原宇宙線在深太空和普通物質撞擊,在衍生宇宙線的程序中產生的理論。例如,一種在實驗室中產生反質子的標準方法是以能量大於6 GeV 的質子去撞擊其他的質子,而在原宇宙線中很輕易的就有許多質子的能量超過這個數值。無論是否在銀河系中,當簡單的反物質能夠由這種程序產生時 (不是在大氣層的高層),它們仍可能傳播遙遠的距離抵達地球,而不會在星際空間中與其他的氫原子碰撞而湮滅。抵達地球的反質子特徵是能量最多只有2GeV,顯示它們產生的過程在基本上與宇宙線中的質子是截然不同的。

在過去,人們認為宙線的通量隨著時間的推移一直是相當穩定。最近的研究顯示,以1.5至2千年的時間尺度,有證據顯示在過去的40,000年,宇宙線的通量是有變化的。

5 宇宙射線 -探測

宇宙射線宇宙射線

宇宙射線中的核子之所以能夠從他們遙遠的源頭一直到達地球,是因為宇宙中物質的低密度。核子與其它物質有著強烈的感應,所以當宇宙線接近地球時,便開始於大氣層氣體中的核子撞擊。在粒子雨的過程中,這些碰撞產生很多π介子和K介子,這些是會很快衰退為μ子的不穩定介子。由於與大氣層沒有強烈的感應以及時間膨脹的相對論性效應,許多μ子能夠到達地球表面。μ子屬於電離輻射,從而可以輕易被許多粒子探測器檢測到,例如氣泡室,或閃爍體探測器。如果多個μ子在同一時間被不同的探測器檢測到,那麼它們一定產自同一次粒子雨。

新的探測手段能夠不通過粒子雨這個現象檢測這些高能粒子,也就是在太空中,不受大氣層的干擾,直接探測宇宙線,例如阿爾法磁譜儀實驗。

宇宙射線

亨利·貝克勒1896年發現放射性后,許多人認為大氣中的電流(地球大氣層的電離)僅來自於土中放射性物質或產生出的放射性氣體(氡氣的同位素)的輻射。



6 宇宙射線 -影響

(圖)宇宙射線宇宙射線

雖然當宇宙射線到達地球的時候,會有大氣層來阻擋住部分的輻射,但射線流的強度依然很大,很可能對空中交通產生一定程度的影響。比方說,現代飛機上所使用的控制系統和導航系統均有相當敏感的微電路組成。一旦在高空遭到帶電粒子的攻擊,就有可能失效,給飛機的飛行帶來相當大的麻煩和威脅。

還有科學家認為,長期以來普遍受到國際社會關注的全球變暖問題很有可能也與宇宙射線有直接關係。這種觀點認為,溫室效應可能並非全球變暖的惟一罪魁禍首,宇宙射線有可能通過改變低層大氣中形成雲層的方式來促使地球變暖。這些科學家的研究認為,宇宙射線水平的變化可能是解釋這一疑難問題的關鍵所在。他們指出,由於來自外層空間的高能粒子將原子中的電子轟擊出來,形成的帶電離子可以引起水滴的凝結,從而可增加雲層的生長。也就是說,當宇宙射線較少時,意味著產生的雲層就少,這樣,太陽就可以直接加熱地球表面。對過去20年太陽活動和它的放射性強度的觀測數據支持這種新的觀點,即太陽活動變得更劇烈時,低空雲層的覆蓋面就減少。這是因為從太陽射出的低能量帶電粒子(即太陽風)可使宇宙射線偏轉,隨著太陽活動加劇,太陽風也增強,從而使到達地球的宇宙射線較少,因此形成的雲層就少。此外,在高層空間,如果宇宙射線產生的帶電粒子濃度很高,這些帶電離子就有可能相互碰撞,從而重新結合成中性粒子。但在低空的帶電離子,保持的時間相對較長,因此足以引起新的雲層形成。

此外,幾位美國科學家還認為,宇宙射線很有可能與生物物種的滅絕與出現有關。他們認為,某一階段突然增強的宇宙射線很有可能破壞地球的臭氧層,並且增加地球環境的放射性,導致物種的變異乃至於滅絕。另一方面,這些射線又有可能促使新的物種產生突變,從而產生出全新的一代。這種理論同時指出,某些生活在岩洞、海底或者地表以下的生物正是由於可以逃過大部分的輻射才因此沒有滅絕。從這種觀點來看,宇宙射線倒還真是名副其實的「宇宙飛彈」。  

7 宇宙射線 -意義

宇宙射線宇宙射線

人類仍然不能準確說出宇宙射線是由什麼地方產生的,但普遍認為它們可能來自超新星爆發、來自遙遠的活動星系;它們無償地為地球帶來了日地空間環境的寶貴信息。科學家希望接收這些射線來觀測和研究它們的起源和宇觀環境中的微觀變幻。

宇宙射線的研究已逐漸成為了天體物理學研究的一個重要領域,許多科學家都試圖解開宇宙射線之謎。可是一直到現在,人們都並沒有完全了解宇宙射線的起源。一般的認為,宇宙射線的產生可能與超新星爆發有關。對此,一部分科學家認為,宇宙射線產生於超新星大爆發的時刻,「死亡」的恆星在爆發之時放射出大能量的帶電粒子流,射向宇宙空間;另一種說法則認為宇宙射線來自於爆發之後超新星的殘骸。

不管最終的定論將會如何,科學家們總是把極大的熱情投入到宇宙射線的研究中去。關於為什麼要研究宇宙射線,羅傑·柯萊在其著作《宇宙飛彈》作出了精闢的闡釋;「宇宙射線的研究已變成天體物理學的重要領域。儘管宇宙射線的起源至今未能確定,人們已普遍認為對宇宙射線的研究能獲得宇宙絕大部分奇特環境中有關過程的大量信息:射電星系、類星體以及圍繞中子星和黑洞由流入物質形成的沸騰轉動的吸積盤的知識。我們對這些天體物理學客體的理解還很粗淺,當今宇宙射線研究的主要推動力是渴望了解大自然為什麼在這些天體上能產生如此超常能量的粒子。」

8 宇宙射線 -探測方式

宇宙射線宇宙射線

直接探測法——1014eV以下的宇宙射線,通量足夠大,可用面積約在平方公尺左右的粒子探測器,直接探測原始宇宙射線。這類探測器需要人造衛星或高空氣球運載,以避免大氣層吸收宇宙射線。   

間接探測法——1014eV以上的宇宙射線,由於通量小,必須使用間接測量,分析原始宇宙射線與大氣的作用來反推原始宇宙射線的性質。 當宇宙射線撞擊大氣的原子核后產生一些重子、輕子及光子(γ 射線)。這些次級粒子再重複作用產生更多次級粒子,直到平均能量等於某些臨界值,次級粒子的數目達到最大值,稱為簇射極大,在此之後粒子逐漸衰變或被大氣吸收,使次級粒子的數目逐漸下降,這種反應稱為「空氣簇射」。地球地表的主要輻射源是放射性礦物,空氣簇射的次級粒子是高空的主要輻射源,海拔20公里處輻射最強,100公里以上的太空輻射則以太陽風及宇宙射線為主。

上一篇[鈦晶]    下一篇 [電子對湮滅]

相關評論

同義詞:暫無同義詞