宇宙射线之谜

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所属分类:百科知识2008年

大家知道,一颗恒星要到生命尽头的时候,会突然变得特别的亮,这个时候这颗恒星被称为“超新星”。超新星诞生一般认为是由于大型恒星内核停止产生新的能量,因自身重力产生的巨大引力导致整个星体向中心塌缩,从而出现剧烈爆炸。具有磁场的星系等天体就像一个密闭的带有电粒子的容器。星系内的超新星爆发产生的冲击波会使质子等带电粒子加速向外辐射,这样的“天然加速器”因其质量的大小与磁场的强弱提供给“宇宙射线”的能量不同,质量越大,磁场越强,射线的能量越大。宇宙射线是从宇宙入射到地球上的高速粒子,今天科学家围绕着宇宙射线的观测,引起了一场有趣的争议,它给当今的物理学和天文学带来巨大变革。据此,科学家或许能够进一步证实爱因斯坦在其相对论中提出的“界限”,或者存在至今天文学无法证实的未知天体。

  

  气球上的发现

  

  宇宙射线是由20世纪初奥地利物理学家海瑟通过验电器的箔片显示发现的奇怪现象。如果验电器箔片带电,则里面的两枚箔片因斥力张开。但是不可思议的是,如果不管它,则箔片自己会慢慢地闭合上。

  当时已知铀等矿物会发射眼睛看不见的射线,这种射线能把空气l中原子里的电子撞击出来。科学家认为箔片闭合可能是地壳发射的射线所为。如果那样的话,则越远离地面辐射越弱。但是在埃菲尔铁塔上进行实验的研究者发现,塔上的辐射并没有期待得那么弱。

  接着海瑟带着箔片验电器乘上气球,在高空测定辐射。出人意料的是越远离地面,辐射变得越强,这说明辐射发生源在地球之外。这样就发现了从宇宙射来的强力射线,即宇宙射线。海瑟由此获得1936年的诺贝尔物理学奖。1938年法国物理学家皮埃尔发现了“空气簇射”效应。为了加以区分,我们将来到地球的宇宙射线称为初级宇宙射线,碰撞后产生的宇宙射线称为次级宇宙射线。

  

  不可思议法则

  

  现已知道宇宙射线是“高速飞行的粒子”。宇宙射线的粒子主要是由质子或氦、铁等的原子核组成,此外电子、光子、中微子等也作为宇宙射线来到地球。但是质子或原子核、电子等是带电粒子。一旦带电粒子飞到磁场中,它因受到一种被称作“洛伦兹力”的影响,带电粒子运动轨迹会发生弯曲。目前,研究基本粒子用的“环形加速器”就是利用这一原理,将带电粒子密闭在环形的容器里,用强电场加速粒子。

  到达地球上的各种宇宙射线,能量较低的可能出自我们的银河系,能量高的可能来自银河系以外,但是从什么天体来还是一个谜。

  让人感兴趣的是,飞到地球上的宇宙射线能量与频数的关系:低能量的宇宙射线频繁地射入地球,越是高能量的宇宙射线射入地球的频数越低。宇宙射线能量的大小以电子伏(eV)为单位表示。相对能量在1012eV以上的宇宙射线是每平方米每秒大约射入1个,如果是1016eV以上的宇宙射线,同样面积每年只射入1个。

  如果将宇宙能量与射入频数的关系绘制成对数坐标图的话,几乎成一直线。这意味着宇宙射线的能量上升10倍,超过此数的宇宙射线的入射频数减少1%。但是为何来自各种发生源的宇宙射线均服从这个法则是一个很大的谜。

  

  相对论决定“宇宙射线能量上限”

  

  那么,到底是在什么地方的高能量宇宙射线到达地球呢?实际上有专家预言:不管具有多高能量的宇宙射线,经过宇宙空间的长途跋涉后肯定减弱到4×1019e V左右,这就是到达地球宇宙射线的能量上限。

  这个预言关系到充满我们宇宙的光,即“宇宙背景辐射”。所谓宇宙背景辐射,是1965年发现的被视为宇宙大爆炸之后宇宙残留的光。

  宇宙空间以每立方厘米约400个光子(宇宙背景辐射)被布满。为此,作为宇宙射线的质子以某个概率与光子碰撞。如果质子的能量在4×1019e V以下,它几乎不发生碰撞照样前进;若质子的能量超过4×1019eV,则与光子碰撞概率急速提高。在这个碰撞中产生π介子,因为它带走质子的部分能量,所以质子的能量减到碰撞前的8~9成。

  其后,直到质子能量减到4×1019eV之前,它会反复与光子碰撞减少能量。按计算,即使再高能量的质子经过1.5亿光年左右的宇宙空间旅行后,肯定其能量会减到4×1019eV以下。也就是说,从整个宇宙来看,只要发生源在地球附近,即1.5亿光年内,地球上理应没有4×1019eV以上的高能量宇宙射线入射。人们将这个上限值以3位发现者的名字的第一个字母来命名,称之为“GZK界限”。顺便指出,4×1019eV上限值是以爱因斯坦相对论为基础,使用洛仑兹变换,从质子质量与宇宙背景辐射的温度计算出来的。

  

  11个超QZK的宇宙射线

  

  伴随观测装置的大型化,科学家相继发现超过GzK界限的宇宙射线,向上述那个频数的正确性发起挑战。

  如前所述,越是高能量的宇宙射线入射地球的频数越低。例如假定超过GZK界限的1020eV的宇宙射线,按计算在100平方千米的大范围每年仅有1个。据此,日本科学家于1990年在100平方千米的范围内准备巨大的检测器等待超GZK宇宙射线射入。在大约100平方千米的土地上以每1千米的间隔设置了111台闪烁检测器,如果有宇宙射线通过就能显示闪烁。所有闪烁检测器用光纤连接,显示空气簇射的信号集中到观测站。如果分析闪烁器信号的时间差,就可能确定初级宇宙射线入射的方向。日本科学家自1990年以来共捕捉到11例1020e V以上的宇宙射线。

  

  结束争论的计划

  

  实际上,专家对上述观测结果也存有异议。美国的研究小组用望远镜捕捉空气簇在大气中发出的荧光进行宇宙观测。美国的宇宙检测装置与日本装置一样,同为世界上最大规模的宇宙射线检测装置,专门捕捉超1020eV的高能量宇宙射线。但是美国观测的规模比日本的大1倍多,不过它检测超过1020eV宇宙射线比日本检测到的少,只有3例。如果是这个数,则与理论吻合。为此,美国的研究小组认为日本的宇宙射线检测装置在能量测定上有误。

  两个研究小组结论究竟哪个正确呢?为了结束争论,双方科学家最终决定在美国犹他州760平方千米的广阔原野上安装576台宇宙射线检测器,其灵敏度比日本的检测装置高10倍以上,美日科学家共同观测。

  总之,如果日本的结果是正确的话,则可能意味着相对论的失效,甚至可能从根基上动摇现代物理学或者有可能发现潜藏在地球近旁的未知高能量天体,这也将是天文学上的一件大事。现在人们正拭目以待这场纷争的结果。

  

  责任编辑 蒲 晖

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