宇宙线

来自中文百科专业版
跳转至: 导航搜索

  宇宙线汉语拼音:Yuzhou Xian;英语:Cosmic Ray),来自宇宙空间的各种高能微观粒子以及它们进入大气层过程中产生的其他微观粒子构成的射线流,提供宇宙信息以及高能粒子反应信息的重要渠道。

发现

  宇宙线是在研究大气的电导率时偶然发现的。早在1900年 J.艾尔斯特、H.盖特尔和C.T.R.威尔逊等人在使用验电器时就注意到无论如何绝缘,验电器总有些漏电,猜测可能是由某种未知的辐射源导致空气电离,这种源具有比当时已知的放射性有更大的穿透本领。1911~1912年V.F.赫斯利用气球将高压电离室带到5千米高空,发现随着气球的上升,电离度持续增加,推断这种射线来源于宇宙空间。通过其他人多方面的研究,排除了大气层和地球内部产生射线来源的可能性,更加证实了赫斯的结论,故称之为宇宙线。

组成

  人们发现来自宇宙空间的宇宙线与地球上大气层以下探测到的这种射线在组成上是不同的。在地球大气层外尚未与大气发生相互作用的宇宙线称为初级宇宙线。初级宇宙线主要利用气球、火箭、卫星或宇宙飞船运载小型探测设备进行观测,其主要成分是氢的原子核质子,占87%,其次是氦核a粒子占12%,其他是各种元素几乎占据元素周期表中直到锕的所有元素的裸核,合起来约占1%,此外还有一些电子、中微子、X射线、γ射线和反粒子。初级宇宙线粒子的能量分布很广,从1×103电子伏特(eV)到1×1020eV。能量在 1×1014eV以下的宇宙线是各向同性的;能量>1×1014eV,显示有些各向异性;能量>1×1019eV几乎所有的宇宙线都来自高银纬。

  初级宇宙线进入大气层逐渐被吸收,它们与大气中的原子核作用产生各种射线,称为次级宇宙线。其中大部分是核子,少部分是介子,有p,n和π0、η、π±、K±等介子,π0或η介子衰变为高能γ光子,γ光子又在大气中电磁级联簇射,构成次级宇宙线的电子、光子成分,它们容易被铅吸收,常称为宇宙线的软成分;π±、K±介子衰变产生次级宇宙线的μ子成分,μ子寿命较长,它在物质中运动损失能量较小,因而有很强的穿透力,故称为宇宙线的硬成分,此外还有上述作用中产生的中微子成分,主要是νμ。

起源和传播

  宇宙线的起源和宇宙线在空间的运动(传播)彼此密切相关,相当一部分初级宇宙线的原子核产生于传播过程中。由于宇宙线带电粒子在运动过程中受到星际磁场的偏转和太阳风磁场的散射,而人们对于其中的过程的认识还不足,宇宙线的起源和传播的研究还有很多困难,尚属未解决的问题。宇宙线高能粒子应起源于各种高能天体或天体高能过程,太阳和其他恒星表面的高能活动、超新星爆发、脉冲星、类星体和活动星系等都可能是宇宙射线源。目前人们普遍认为大多数宇宙线粒子起源于银河系内;太阳耀斑爆发等高能过程伴随粒子发射,这种太阳活动只能产生宇宙线粒子中的一小部分,大部分宇宙线来自太阳系之外。银河系内普通恒星的粒子发射只能是宇宙线粒子的一个微不足道的部分,大部分宇宙线应产生于比普通恒星活动更剧烈的过程。超新星爆发是银河系内最猛烈的高能现象。这可能是宇宙线的一个重要来源。此外脉冲星也可能是高能宇宙线粒子的重要来源,而极高能宇宙线粒子可能起源于银河系外。

宇宙线物理学

  研究主要集中在天体物理、高能物理和日地空间物理3方面:① 天体物理方面,研究包括宇宙线起源。加速机制、在星际间的传播,各种粒子成分的能谱,元素的化学成分、丰度,以及关于新的高能天体过程,它们提供了宇宙间的丰富而重要的信息。②高能物理方面,在高能粒子加速器问世以前,研究粒子的产生及其相互作用主要依赖于宇宙线的研究,从宇宙线中发现了π介子、K介子、 2,和Ξ-超子等;如今在高于已有加速器能量的能区,研究超高能宇宙线与物质的相互作用仍然是一个重要方面。③日地空间物理方面,研究宇宙线在太阳系中受到的调制、太阳宇宙线、宇宙线的地磁效应等等,使人们对于日地空间的了解更加深入(见日地关系)。