宇宙线的常识
CS
宇宙射线主要组成是带正电的原子核(质子、氦核等)。它们携带的巨大能量分布在很宽的能量范围。其中任何击中大气的粒子，与空气原子核相互作用后，就产生π介子。荷电π介子在极短的时间内衰变成高能μ子，μ子能贯穿大气直抵地面。中性π介子几乎立即衰变成γ射线，γ射线引起电磁级联。虽然每次级联的寿命相对很短，但随着原始粒子在大气中的深入行进，继续不断地损耗能量而一次又一次地引起更进一步的电磁级联。结果就在地面上出现了电磁级联形成的μ子、电子、正电子以及γ射线粒子的粒子混合。这种轰击还可能有一个从原始宇宙射线遗迹保留下来的中心高能核心。当我们在地面高度时，每秒钟会有100个低能量宇宙射线粒子穿过我们的身体。 彭齐斯和威尔逊计算出，人站在户外每秒钟会有1000万亿个这种CMB光子打在头上. 考虑一颗中子星与一颗普通恒星在相互的轨道上运动。假如轨道充分小，则普通恒星的外层大气将被中子星的强大引力吸引过去。中子星的强大引力是由中子星的很大质量集中到很小体积后造成的。捕获到的气体收集在"吸积"盘中。吸积盘就形成在与中子星自转轴垂直的平面中。随着气体物质向致密的中子星旋落，不断地得到能量；正像下落的球在落向地球时，不断增大速度获得动能一样。两种情况下都从引力获取能量。因为中子星周围引力极强，所以下落的气体原子能取得巨大能量。能量显然是热能，使吸积盘具有极热的内边缘。从这种双星系统发出的X射线就是从吸积盘的内缘处发出的。这个过程的效率大得惊人，释放的总能量约相当于下落气体质量的20%。 活动星系核的最佳模型是，巨大质量黑洞围绕着一个向内汇集物质的旋转着的吸积盘。吸引来的物质可能是来自星际环境的气体和尘埃，也可能来自整个的恒星!吸积盘中的物质在向内旋进的过程中运动得越来越快。在摩擦把动能转化成热能的过程中物质变得更热。对吸积盘内边缘处的气体所施加的力非常大。除了向外的热流压力和十分强大的辐射压力之外，还有一个非常强大的离心力作用在急速自转的物质上。因为有了这许多因素，黑洞不会吞进所有的物质。事实上，对某些物质来说，阻力最小的路径既不是向内进入黑洞，也不是向外待在吸积盘平面中，而是这些物质以接近光速的巨大速度，在垂直于吸积盘的两个相反方向上，以喷流的方式射出。 我们从类星体和活动星系中看到的，就是这种发出大量射电辐射的相对论性喷流。天文学家们认为，除了高速粒子，喷流也发射快速运动磁场。这些场和粒子结合，经由同步加速器过程，产生射电发射。高能带电粒子(主要是电子)在环绕磁力线作螺旋运动中失去能量，主要转化成无线电波。由于喷流速度极高，而且保持着紧紧的束缚状态，所以能从星系核一直延伸到几千光年。喷流中缠搅在一起的磁场结构随着核心喷射出越来越多物质而不停地变化。另一方面，似乎沿喷流在很远处都可以形成半永久性节点，或形成磁场聚集。激波也从剧烈活动的核心不断地沿喷流运动。天文学家认为，当激波在磁场中碰到节点时，波前携带的高能粒子与磁场节点相互作用就产生出非常强大的同步加速器辐射。我们在双射电源中就见到从喷流的瓣中发出这种辐射。 类星体是中心藏有强大"发动机"的星系。这种发动机显然应该是一个许多种类型的辐射的发射源泉。横跨整个电磁波频谱，从无线电波直到γ射线，都观测到一些类星体。从我们的视角看来很重要的是，当前的类星体模型还表明，它们是强大的粒子加速器。类星体与银河系这样的星系确实差别很大。我们银河系也发出大量辐射，但距类星体的发射水准却相差极远。在一端是类星体另一端是银河系这样的星系之间，有一类星系在功率输出上填补了这个空隙。它们就是"活动"星系，它们虽不及类星体那样遥远，却另具突出特色。 脉冲星辐射过程的流行模型——发电机机制指出，快速转动的恒星与磁场，在恒星表面上产生非常高的电压。高电压使恒星表面的电子和质子加速获得高速度并发射到空间。围绕着恒星的磁场捕获到这些粒子，迫使它们在磁力线周围作螺旋状运动，随着运动发射同步加速器辐射。绝大部分辐射从磁场最强大的恒星两极周围发射出去。结果同灯塔的两道光线射束类似，粒子射束从脉冲星上相反的两点发射出去。随着恒星的旋转，这两道灯塔射束就有可能扫过地球上观测者的眼界，形成辐射脉冲从而称做脉冲星。发出辐射的波长取决于粒子的能量和磁场的强度，随着这些参数的量级增大辐射的波长变短能量增加。我们说过，从脉冲星发出的最普通的辐射是射电波，但在有些年轻而急速旋转的脉冲星中，同步加速器辐射的范围从频谱无线电波的一端一直扩展到另一端的γ射线。 活动星系和大质量黑洞或许就是使最高能宇宙射线获得能量被加速的最初地点。本书稍后将论述到，这些天体几乎是惟一能把质子加速到超过50焦尔能量的天体。这样巨大的能量要比束缚在地球上的粒子加速器给予质子的能量大1亿倍。最高能宇宙射线一经产生，就洞穿星系际空间。惟一障碍是微波背景辐射的光子。同大爆炸的这些纤弱遗迹碰撞，虽然剥夺掉宇宙射线的一些能量，但是却为我们提供了某些有关宇宙射线起源的宝贵线索。 大质量恒星将通过一个不同阶段衔接的系列，分别相继地出现更重的核燃料聚变过程，产生越来越重的元素。为了克服更重元素对聚合的顽抗，每个后继阶段都需要比前一阶段甚至更高的恒星核心温度。这依次更高的温度使核燃烧过程逐级加速，所以每个后继阶段所存在的时间就越来越短。观察一下比太阳质量大25倍的恒星的生命周期。由于该巨大天体内部的巨大压力，使得相对较慢的氢燃烧阶段也在700万年之内很快通过。随后是70万年的氦燃烧阶段，继之以600年的碳燃烧阶段，1年的氖燃烧阶段，6个月的氧燃烧阶段和1天的硅燃烧阶段。核反应链的最后元素产品是重而稳定的铁恒星核。铁是最稳定的原子核，它既不能参与聚变反应也不能产生裂变反应，于是恒星核的核反应过程随即终止。怀有惰性铁核的庞大红巨星，其中心在耗尽能源的最后时刻，引力坍缩立即开始。这时已不存在出现新的聚变反应来抗拒坍缩以恢复恒星平衡的条件。在恒星核心熔炉熄灭数秒钟之内就导致一桩桩急速相继的剧烈事件，而不是继续坍缩下去。这种超新星爆发，以多种方式释放能量，其中包括已知的像宇宙射线这类加速荷电粒子。 恒星铁核在巨大的压力下坍缩。质子和电子被挤压到一起形成中子，作为副产品释放出数万亿中微子。典型的结局是，恒星核以约每立方米1000万亿千克的与原子核相同的密度，聚集到一个30千米直径的球体之中!而该恒星的外层随着坍缩以很高的速度向内运动。向内运动的物质同固态中子核相撞，变得很热并又向外反弹出去。在气体的极端高温与从星核逃逸的中微子的联合驱动下，反弹运动同爆炸一样猛烈。高速向外运动的激波，携带上更多气体使爆炸物质达到极高的温度。高温又点燃恒星外层大气中的氢和较轻的气体，产生聚合反应。庞大外层气体整体的巨大聚合爆发，仅发生在约1秒钟的时间里，瞬间令这颗超新星剧变到1000亿颗恒星那样明亮。 灾变性的爆发之后，随着超声速激波的继续向外冲向星际空间而使越来越多的气体加热，该星能以如同2亿颗太阳那样明亮的光芒，继续闪耀两三个星期之久。 脉冲星辐射过程的流行模型——发电机机制指出，快速转动的恒星与磁场，在恒星表面上产生非常高的电压。高电压使恒星表面的电子和质子加速获得高速度并发射到空间。围绕着恒星的磁场捕获到这些粒子，迫使它们在磁力线周围作螺旋状运动，随着运动发射同步加速器辐射。绝大部分辐射从磁场最强大的恒星两极周围发射出去。结果同灯塔的两道光线射束类似，粒子射束从脉冲星上相反的两点发射出去。随着恒星的旋转，这两道灯塔射束就有可能扫过地球上观测者的眼界，形成辐射脉冲从而称做脉冲星。发出辐射的波长取决于粒子的能量和磁场的强度，随着这些参数的量级增大辐射的波长变短能量增加。我们说过，从脉冲星发出的最普通的辐射是射电波，但在有些年轻而急速旋转的脉冲星中，同步加速器辐射的范围从频谱无线电波的一端一直扩展到另一端的γ射线。 虽然簇射蔓延到原始宇宙射线粒子路径旁侧很远，簇射的中心核(初始粒子所在地点)在大面积范围内的任何地点一经找到，我们就能用既小又简便的检测器把全部宇宙射线记录下来。我们必须要做的全部工作只不过是准备几个检测器，并把它们远远地排列开来。倘若这些检测器所测得的簇射取样足以显示簇射的主要特性(中心核的方向、位置)，就能推算出令我们感兴趣的初始宇宙射线的绝大部分主要信息，并不需要用很多大面积检测器去复盖地面。对极高能量宇宙射线，其簇射落到地面会蔓延在100万平方米或更大的范围内，但我们只用一台小小的10平方米检测器就能把全部簇射记录下来。 空气中由宇宙射线原子核诱发的整个级联具有三个组成部分。我们早就遇到过它们。"原子核激活"核心由初始粒子残余及其碎片(主要由在布里斯托尔发现的π介子这样的高能量强相互作用粒子组成)。原子核激活核心的带电π介子衰变产生μ子。它们很少被吸收，且以比较径直的路线抵达地面，从级联中心能扩散到几百米远。在簇射核心(或称做簇射主干)中，沿起始宇宙射线粒子路径所产生的许多中性π介子转变为附加的电磁级联。我们很快就将看到，就是这些中性π介子的立即衰变使簇射级联中γ射线的急剧增加。电磁级联中的粒子能蔓延到的典型距离为距簇射核心几十米远处，有的能远到1千米。 低能量宇宙射线要比较高能量宇宙射线多得多。于是有极大数目的低能量簇射在大气高层开始生成。它们的原子核激活粒子并导致电磁级联急速消失。在地面高度上所惟一剩下的只是这些低能簇射里的μ子，它们在抵达地面时互不相关似地散布在很大范围形成地面上随机落下的粒子背景。这些"无伴"μ子抵达海平面的速率约为每平方厘米每分钟一个，海平面上典型天然放射性背景整体中约一半是由这种μ子构成的。
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