神秘的宇宙射線來自何方？它們是如何「長途跋涉」來到地球的？

尋找宇宙「引擎」

一百年過去了，高能空間微粒依然是個謎。

那是1912年8月7日，為破解一樁奧秘，奧地利物理學家維克多·赫斯登上了一個熱氣球。氣球上搭載著三部驗電器，用途是探查大氣層中的帶電微粒。大氣層中不可見的微粒是一個頗為古老的謎題——早在1785年，這樣的微粒就被探查到，但是人們一直沒有搞清楚它們究竟來自哪裡。

早晨6時剛過，赫斯乘坐的氣球從波西米亞城鎮烏斯季升空。6小時後，氣球升至5300米高空，然後降落在柏林附近。在此過程中，赫斯取得了一個重要發現：他的驗電器在離地4500米處記錄到的帶電微粒的數量是地面的帶電微粒的3倍，這證明了這些微粒並非來自地球自身，而是來自太空。

此前，人們利用驗電器在地下、水中和埃菲爾鐵塔上進行的實驗都未獲得確定性的結論。赫斯因此獲得諾貝爾獎。

神秘的宇宙射線

時至今日，赫斯的氣球之行已過去百年，而科學家仍在研究早在20世紀20年代就已知道的東西——宇宙射線。其實，謂之「宇宙射線」是當時的一種誤導，它們其實是一直以來「轟擊」地球的亞原子微粒，或者說是從遙遠的地方跑到地球的「太空旅行者」。其中一部分來自銀河系以內，另一部分以極大能量撞擊地球，它們無疑來自銀河系以外。

大約90%的宇宙射線以高能質子的形式到達地球，可能只有1%是電子，其餘的都比原子核重，例如氦和鐵——這便是科學家知道的關於宇宙射線的所有知識。

那麼，宇宙射線究竟來自何方？它們是怎樣來到地球的？誰是超高能宇宙射線的「引擎」？無人能給出準確答案。要知道，分享宇宙射線的「故事」可不容易。除了在太陽爆發期間產生的一些低能量宇宙射線外，其餘的宇宙射線大都來歷不明——它們迂迴地來到地球，因而將來時路上的一切痕迹都抹掉了。神秘而罕見的超高能宇宙射線挑戰著科學家的想像力。科學家認為，發射超高能宇宙射線的「引擎」一定是宇宙間最大的「引擎」——他們稱之為「天體物理加速器」。

科學家在地下、海面下和太空中建造了強力探測器，以期查明有關宇宙射線的種種。最近的探索證明，銀河系內部的超新星會加速宇宙射線；科學家還發現了來自更遠處的超高能宇宙射線的化學組成元素的線索。但是，至今仍然無人知道把這些高能的「宇宙訪客」發射進太空的「引擎」究竟是什麼。步赫斯之後塵，過去10年來，在寒冷的南極冰蓋上空集聚了一系列的氣球試驗。南極冰蓋堪稱「天然的通用實驗室」，它的反射性或許有助於揭示超高能宇宙射線背後的匿名加速器。

超新星和「超級泡泡」

相對來說，科學家對於來自銀河系內的宇宙射線的了解較多一些。

銀河系宇宙射線很常見，每分鐘經過你的拇指的微粒大約有10個。如果是在地球大氣層以上，這個數量則會達到50倍，這也就是為什麼說長時間太空飛行有風險的原因之一。星系宇宙射線以0～1018電子伏特的能量到達地球，其最大能量是歐洲大型強子對撞機中質子碰撞所產生能量的數萬倍。不過，大多數射線的能量在1億～100億電子伏特之間。由於帶電，處於這些能量級的射線會被磁場束縛。一顆在銀河系中「流浪」、最終到達地球的微粒所採取的應該是醉漢的步態，它最終到達地球時的方向與它當初出發時的方向無關（行星和恆星等大型天體的磁場能讓微粒的飛行軌跡發生偏移，星系本身的磁場也能捕獲宇宙射線，而後讓它們飛來飛去，就像裝在密封瓶里的蒼蠅一樣）。

這些都讓科學家很難跟蹤它們的確切源頭。不過，科學家認為他們至少已經找到了其中一個源頭，那就是超新星（只可惜，還沒有任何直接觀測證據能把入射微粒和遙遠的恆星爆發聯繫起來）。

根據天體物理學，宇宙射線有可能來自於由超新星和狂暴巨恆星組成的狂亂加速器，因為由兩者構成的混沌宇宙環境不僅能產生微粒，而且能捕捉微粒，並把它們射向周圍，最終把它們踢出去。

如此之地被稱為「超級泡泡」。美國宇航局的「費米伽馬射線空間望遠鏡」（以下簡稱「費米」）最近的觀測結果，已基本證實「超級泡泡」正是星系宇宙射線的加速器之一。

「費米」在窺視天鵝座「超級泡泡」（銀河系中距離地球4500光年的一大片恆星形成區）時，看到了一大簇伽馬射線，其分布與「超級泡泡」的形狀很匹配。伽馬射線是電磁輻射的一種高能形式。尋找伽馬射線的「費米」之所以有助於科學家發現宇宙射線加速器，是因為伽馬射線是在宇宙射線與星際介質交互作用時產生的，它們不帶電，且直接指向自己的源頭，那裡也是宇宙射線的家園。

科學家獲得的另一個證據是，星系宇宙射線中較重的元素也在這些「超級泡泡」中被「烹煮」。就像指紋一樣，不同元素例如鐵、鎳和氖的比例可暗示宇宙射線的起源。宇宙射線中大約20%的材料被科學家稱作「超級泡泡」材料，其餘80%很可能是一般的星際材料，但其中大部分可能被用於為這些遙遠的恆星加速。

利用在南極洲上空30000米以上高度飄飛的「老虎號」氣球探測器（以下簡稱「老虎」）等裝置，科學家正在解讀這些元素之間比例的故事。

「噢，我的上帝微粒」

不管是「超級泡泡」還是孤獨的超新星，都不能揭開一個更大的奧秘：什麼樣的超巨大天體物理加速器才能讓那些銀河系外的超高能量的宇宙射線來到地球？在赫斯發現宇宙射線來自太空的證據50年後，科學家接待了一個不請自來的「客人」——一種能量為1018電子伏特的微粒。1962年，這種微粒撞上了位於美國新墨西哥州的一個探測器陣列。1991年，比這種微粒的能量還高3倍的微粒擊中了美國猶他州大學的「蠅眼」探測器。它被稱作「噢，我的上帝微粒」。這樣的亞原子微粒以前所未見的超高能量穿行，正是它們的到來帶來了新的奧秘：超高能宇宙射線。科學家至今仍在搜尋發射它們的超超級加速器。

一個好消息是，不像能量較低的星系親戚，這些極高能宇宙射線在路途中未偏離方向，而是一直指向發源地。壞消息是，這些射線實在是太少見，科學家都沒機會好好打量它們。較早的估計是，一顆這樣的微粒登陸1平方千米空間的概率為100年1次，較新的估計則是10000年3次。為了研究如此罕見的微粒，科學家需要超巨大探測器。目前，「皮埃爾·奧格天文台」（以下簡稱「奧格」）

擁有「最大探測器陣列」的頭銜，它包括1600隻每隻裝水12000升的水箱，它們的分布範圍寬達3000平方千米以上。這個捕捉宇宙微粒的陣列蜷縮在阿根廷沙漠中的群山之間。

當宇宙微粒與另一種大氣層原子（通常為氮原子核）碰撞時，它們會碎裂成許多較小的微粒，產生所謂的空氣簇射，並最終落在多達30平方千米的範圍內，這就是探測器陣列需要分布在一片廣大區域內的原因之所在。當微粒擊中水後，它們會產生一點點內部探測器可見的光線。其中一些能量形式是紫外光，能被另外一個24部熒光望遠鏡陣列看見。

近些年，一部超高能「引擎」被發現。當時，科學家報告了入射微粒和活躍的星系核——在遙遠星系中央暴烈翻滾的超大質量黑洞——之間的一種誘人相關。在繪製的多個星系核圖上，近30個微粒整齊地排成一線，這是超能宇宙射線「引擎」的良好指針。

遠未破解的奧秘

然而，隨著探測數據增多，這種關聯消失了。接著，問題更加深化。較新數據暗示，超高能宇宙射線並非大多由質子組成，而是由較重的原子核如鐵原子核構成。這幾乎讓科學家豁然開朗：較重的微粒攜帶更多電荷，因而更容易被加速到更快的速度。但仍不清楚的是，這些發現怎樣與現行的高能物理理論切合。讓科學家最吃驚的是，儘管有能量高達1018電子伏特的超高能微粒，但更像鐵的微粒卻具有更高的能量。

雖然令人困惑，但如此場景可能與另一個令人難解的結果是一致的。幾年前的報告說，「南極」實驗室的「冰立方」探測器

（目前最領先的超級探測器，以下簡稱「冰立方」）未能識別到超高能宇宙射線源自伽馬射線爆的任何跡象。隱身在南極冰下的「冰立方」佔據1立方千米的空間。就像「奧格」的水箱一樣，「冰立方」搜索的也是切倫科夫輻射——宇宙微粒與水（或冰）交互作用而產生的閃光。但與「奧格」不同的是，「冰立方」並不直接尋找宇宙射線。它聚焦的是中微子：一些高能宇宙射線穿越太空時產生的滑溜、可變形的微粒。像伽馬射線一樣，中微子也直線穿行，並指向故土。

在兩年中觀測了超過300次伽馬射線爆之後，科學家卻未能看見任何中微子。如果現行天體物理學理論無誤，那麼這一令人沮喪的結果就給伽馬射線爆與超高能宇宙射線之間的關聯打上了問號。然而，如果伽馬射線爆出人意料地吐出較重的微粒，「奧格」和「冰立方」的探測結果就嚙合了。較重的原子核如鐵原子核的行為與質子不同，產生的中微子較少，這就能解釋為什麼「冰立方」沒有發現伽馬射線爆與中微子之間的關聯。不過，這個奧秘依然遠未破解。

不久之後，第二部大型中微子探測器陣列——「天壇無線電陣列」（以下簡稱「天壇」）就將與「冰立方」在南極聯手。

建立「天壇」的目的，是為了探測這樣一種中微子：當銀河系外的超高能宇宙射線被加速至與大爆炸剩下的熱輻射交互的程度時，這種中微子就產生了。運用無線電波而非光線探測中微子自有優點：入射微粒的路徑更長，冰對射電爆比對光線更透明。科學家眼下仍在構築「天壇」，它的37部探測器將全部埋在冰下200米處，覆蓋面積達200平方千米。

南極之所以在過去10年中成為研究宇宙射線的各個科學團隊的匯聚點，是由於它那固定的冰反射器和季節風。在一些探測器深埋地下的同時，另一些探測器則乘坐氣球高飛，被每年11月開始攪動的極地渦流帶到大氣層。氣球被疾風帶著環繞南極，一次可在空中飄浮幾周時間，與赫斯當初的6小時相比已經有了長足進步。除了飛得更久之外，今天的氣球也飛得更高，離地可達30000米以上。今天的氣球還更大，大到能裝下一個美式橄欖球場。南極宇宙射線氣球探測器試驗除了「老虎」外還有「安妮塔」，後者探測的是當高能微粒碎裂、造成無線電脈衝所產生的無線電波。這種無線電脈衝在南極洲被冰面反射掉，而「老虎」採用空中無線電天線陣列觀察反射來的脈衝。

8年來，還有另一個氣球試驗——「安迪克」在「嗅聞」高能電子的水平。高能電子或許是未受重視的一類星系宇宙射線，不受重視的原因是它們在入射微粒總量中的比重相對低。而「安迪克」發現了奇怪之物：能量在3000億～6500億電子伏特之間的電子過於頻繁地擊中探測器，這用常規天體物理學無法解釋。被捕捉到的210顆微粒暗示，潛伏在附近的某個或某些天體必定在把它們推至地球方向。稍晚時候，「安提克-4號」的跟進試驗證實了最初發現的異常的確存在。這一發現引起了一系列瘋狂猜測，其中包括暗物質源的可能性。但最可能的標準天體物理學解釋看來是脈衝星，當然答案不可能這麼簡單——作為迅速旋轉的中子星，雖然脈衝星或許能加速微粒，但微粒找不到容易出逃的路徑。

破解宇宙射線之謎的線索，一點一滴地從地球不同地方浮現。它們既來自沙漠，也來自極地，還來自環繞地球的軌道器。然而，宇宙射線之謎依舊遠遠未解。終極答案可能將來自更大的探測器，甚至需要把探測器安裝到月球背面（月球背對地球的那一面）。也許你會問，如此孜孜不倦的探索，究竟是為了什麼？最可能的答案是，我們將認識到天體物理學的極端程度的前所未見。宇宙奧秘之多、之深奧超出我們的想像。

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