宇宙线如何帮助我们了解宇宙 - Veronica Bindi

我们仅仅了解宇宙组成中的4%。银河之外存在着什么？是否存在尚未被发现的物质形态？幸运的是，我们有宇宙空间的信使——宇宙线——带给我们不能到达的宇宙空间的物理信息。Veronica Bindi解释了什么是宇宙线，以及宇宙线是如何传递遥远宇宙部分的信息给我们。

我们对银河之外的宇宙了解多少？

哈勃望远镜使我们能够看到远至宇宙空间中13000000000光年的东西。

但这仍然不足以给出我们的问题的全部答案，

像这样的问题，“宇宙是由什么组成的？”

"宇宙中含量最丰富的元素是什么？"

“空间是否包含着尚未被发现的物质形态？”

“是否有反物质星或星系存在？”

仅仅通过视觉图像（指哈勃望远镜）来回答其中一些问题是不够的，

但是如果我们有一些信使能带给我们遥远宇宙空间的信息，

甚至超越了探月器和卫星可以到达的尺度？

在某种程度上，我们有这种“空间信使”，即宇宙线。

宇宙线在1912年由维克特 赫斯 首先发现，

当时他着手研究大气中辐射的变化

这种辐射被认为是源自地壳。

通过在日食期间在热气球上的进行的测量，

赫斯展示了辐射随着海拔的增高而增高，从而排除了太阳作为辐射源的情形。

令人吃惊的结论是辐射并不来自地球大气层以内的任何地方而是来自太空。

我们的宇宙由很多天体组成，

数以亿计、各种大小的恒星、黑洞、活动星系核、卫星、行星，等等。

在剧烈的扰动，比如一个大恒星演化至爆炸成一个超新星时，

数以亿计的粒子辐射到宇宙空间。

尽管也被叫做“线”（rays），

宇宙线是由一些高能粒子组成，

而不是像光线由光子组成。

当爆炸产生的光子沿直线以它著名的速度（光速）传播，

宇宙线中的高能粒子却被束缚在

一些由爆炸产生的冲击波形成的圈中。

反反复复在这些磁力线之间穿梭，

这些粒子被加速，到逃离这些圈时速度已经接近光速。

大气中有很多的宇宙线，

其中的一些粒子在到达地球前已经传播了几十亿年。

当它们进入地球大气层，就会和大气中的分子碰撞，

产生次级宇宙线，

由更轻的、具有更少能量的粒子组成。

大部分粒子被大气吸收，

但也有部分粒子能够到达地表，甚至穿过我们的身体。

在海平面上，辐射粒子已经非常慢了。

但是对于在更高海拔停留更久的人们，

比如航线的机组人员，会受到更多的辐射。

使宇宙线能够作为“信使”的特质，

是它们带着产生它们的源的信息。

通过研究不同粒子出现的频率，

科学家能够区别不同元素在宇宙中的相对丰度，

比如氢元素和氦元素。

其实宇宙线还可以提供更有趣的信息

关于宇宙本身的组成。

有一个叫做阿尔法磁谱仪（A.M.S.）的实验装置，

最近被安装在国际空间站，

它包含多个探测器

可以分别测量宇宙线粒子的速度、径迹、辐射、质量和能量，

以及分辨这个粒子是物质粒子还是反物质粒子。

尽管二者通常是不可区分的，

它们相反的荷使我们可以通过磁铁区别它们的行为。

阿尔法磁谱仪现在每天测量五千万个粒子，

并实时地将每个粒子的测量信息

从空间站发送到位于欧洲核子中心（CERN）的阿尔法磁谱仪实验控制室。

在未来的几个月到几年的时间，

我们期待它能给我们更多更惊奇而有用的关于反物质的信息，

关于可能存在的暗物质的信息，

甚至找到减轻在太空旅行时受到宇宙线辐射的可能方式。

我们对新发现怀抱希望，

在晴朗的夜晚仰望星空，你或许会看到国际空间站，

阿尔法磁谱仪就在那里接收微小的宇宙信使，

而这些信使携带着宇宙的秘密。