地球深处茫茫宇宙,每时每刻都会遭受看不到的射线轰击。
来自遥远太空的宇宙线,所携带的能量也存在差异,到达地球后,在与大气层的碰撞中,又会进一步产生别的反应。
最终被地面探测到的反应,就像遥远的深空里,某个不知在何处的天体,对地球发出的「呐喊」。
来自天鹅座的「呐喊」
海拔4000米以上的稻城县,当地有一座特有的宇宙线观测站。2021年的报道显示,探测仪器监测到了来自天鹅座的「呐喊」。
仪器在运作的过程中,记录到了1400万亿电子伏特伽马光子。相比于此前的记录,这次观测到的能量光子是最高的。
(稻城县的拉索观测站)
发出「呐喊」的天鹅座,在科学家的眼里本身就独具特色。在该处区域内,拥有大量恒星星团,它们因为自身质量太大,所以才造就了银河系的北天区成为最亮区域。
除此之外,这些大质量的恒星寿命也相对较短。一生之中存在着不少剧烈的活动,而且相比于小质量的恒星而言,这类活动在时间线上又是相对集中的。
从人类的角度看,这一区域内具有复杂的强激波环境,进而也会有大量的宇宙线诞生于此,而后再向宇宙的深空进发。
形象一点去理解,在整个宇宙中,这片区域就像是吵闹的迪厅,大质量恒星在迪厅里使劲嗨,产生的各种声响,就都传递出去了。
在科学界,天鹅座的这片区域,也有着粒子天体物理实验室的称号。此前在稻城县观测站观测到的伽马光子,是迄今科学家观测并记录到最大的。
那么,这来自外太空的「呐喊」究竟是什么呢?
高能粒子流的冲击
宇宙深处的「呐喊」不是声音,而是看不见的射线。确切一点说, 是高能粒子汇聚在一起形成的流体。
你可以将其理解为是电磁波,但是其本身携带的能量要比普通的光子大很多。自身带电又是流体状态,速度更是和光速不相上下。
只要离开了大气层,宇宙空间到处是这些玩意儿。而像地球这样的天体又身处宇宙中,粒子流到处乱跑,自然就能和地球迎头相撞。
厚厚的大气层不但能阻隔它们的穿透,其中的原子核也会因为与其碰撞后而发生反应。
通常来说碰撞之后,会形成几种基本的粒子:电子、正电子、光子和介子等等。
因为碰撞过程也会导致其自身能量损失,所以当其中一些穿越大气层,接触到地球的时候,它们就已经变身成为一些稳定的粒子了。像电子、质子等等,都会是在碰撞之后的变身产物。
也有很小的一部分,在经过一系列的碰撞后会形成反质子等反物质粒子。在科学家多年的研究中, 宇宙线里九成以上的粒子,都是电子、光子或者质子。
有意思的是,整个宇宙包括各星系内都有磁场,而宇宙线自身又是带电的,所以在宇宙空间内运动传播时,因为磁场的作用会发生偏转导致方向不断改变。
不少宇宙线最终到达地球后,因为方向的改变,导致其实际出发的地方很嫩被追溯到。所以目前专门的探测技术,本身的难度也不是一般的高。
也正因为探测难度不小,所以才会修建像稻城县那样的观测站点。
探测方式的类型和方法
稻城县的观测站点,在类型上属于高山高原探测装置。我国目前除了稻城县境内的哪一座, 在云南海拔3200米的区域,西藏海拔5500米的甘巴拉山,也都建设有高原探测站点。
这类探测站点,主要针对超高能宇宙线。这类宇宙线能量和流强之间的关系,会随着和大气层发生多次作用而发生变化。
设置在高原高山上的探测站点,就是为了能够采集到更多的事例,这样才能对其展开有效的研究。
还有一类探测站点,它被设置的位置更高。有些设置在移动的飞机或是气球上,有些甚至坐上了火箭进入外太空,被设置在卫星上。
这类高空探测的方式,主要是用来探测初级宇宙射线的。利用探测器,可以有效的探测它们的速度、能量和电荷等情况。
上述两类探测站点和探测器,都是设置在高处的,还有设置在水平层面的探测站点。
这类站点监测的宇宙线是次级的,一般其自身携带的能量,只有1014到1016电子伏特。
由高到低,那有没有设置在地下的探测站点呢?还真的有。 地下的探测站点,主要是用来探测中微子等粒子的。
因为,宇宙线中别的粒子无法穿透地球,在接触到地球后会被地表阻挡吸收。而中微子等其他粒子,则可以畅通无阻穿透地球。
所以综合来看,从高空到高原,再到平地和地下深处,探测宇宙线的类型不同,所用的方式方法也存在差异。
值得一提的是,上面提到的位于高原地区的观测站点,在技术手段上属于第一代和第二代,四川稻城的观测站点,则属于第三代产品。
2021年报道探测到宇宙线的时候,观测站整体还没有完全建成。
为什么把第三代观测站设置在四川
2021年时,稻城县的观测站点,其规模建成了二分之一。至于将观测站点设置在稻城,主要有几个因素的考量。
首先是当地海拔高,利于探测到初始的宇宙线。其次是观测站所在地交通方便,其距离附近的亚丁机场只有8公里,而且观测站的山下就是四川227省道。
最后一点便是费用问题。整个探测站的建设,国家层面拿出了9亿元,四川当地则拿出了3亿元。所以有地方政府的大力支持,观测站最终就落户稻城县了。
在观测站建成一半规模时,除了探测到来自天鹅座的宇宙线外,还探测到了另外12个伽马射线源头。
截止到2023年5月,该探测站点建成并且通过了国家验收,它的正式名称为拉索站。
观测站整体的面积为1.36平方公里,除了1188个缪子探测器外,还设置有5216个电磁粒子探测器。
此外, 还有面积为78000平米的水切伦科夫探测器列阵,18台望远镜组成的探测列阵等探测设备。
有人可能会疑惑,花十几个亿,在高原上建设这么个站点,就是为了监测从宇宙深处射到地球上的几缕线的,它真正的作用是什么呢?
为什么要研究宇宙线
对于宇宙线的研究,在科学上并不长,到20世纪初科学家才发现了宇宙线。
通过对宇宙线的确认和观测,科学家又发现了多种粒子。 在这个过程中,也逐渐明白了核裂变、聚变、核反应是怎么回事。
研究宇宙线,对大多数人来说似乎没什么作用。不过在物理学界,对于宇宙线的了解和研究越深入,就越是能让人类掌握更多前沿的科学技术。从理论再到实践,都是对这一前沿领域的研究才逐步获得的。
所以从这个角度去看,宇宙线就像人类文明发展的领航员和灯塔,围绕它进行研究,能给科学界带来新的前进的角度。
除此之外,从相对实用性的角度看,宇宙线造成的温度效应,也是地球温室效应产生的原因之一,通过对其深入了解,也能探知地球上温室效应发展的情况。
再者,人类如果直接暴露在高强度的宇宙线面前会被杀死,而太空探索活动中,宇航员又要更多的进入地球之外活动。
通过对宇宙线的深入研究,也能在航天器的防护设计上,为宇航员和各类科学器材,提供更多的安全保障。
所以说,看似虚无缥缈的学科活动,通过深入研究发展,对人类其他领域的发展也会有帮助。
结语
当然,目前研究超高能的宇宙线,可以帮助科学家更多的去了解宇宙的起源。
随着稻城县的观测站点建成并投入使用,国内外已经有32个天体物理研究机构,成为该观测站点的合作组成员单位。
未来,来自宇宙深处更大声的「呐喊」,该站点都可能监测到了。
参考资料:
【重大发现!中国宇宙观测站收到天鹅座万年前来「信」】 深圳新闻网 2021年5月18日
【神秘的「宇宙信使」!宇宙线究竟是什么?】 人民网 2021年11月30日
【解开宇宙线起源之谜更进一步!】 光明网 2021年4月2日
【探索起源之谜 高海拔宇宙线观测站「拉索」通过国家验收】 新华网 2023年5月11日