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您是否曾想過，有哪些無形的力量從太空轟炸我們的星球，悄悄地穿透大氣層，在我們不知情的情況下穿過一切，包括我們？這些難以捉摸的旅行者，被稱爲宇宙射線，攜帶著來自宇宙最遙遠地方的秘密。在本文中，我們將探討宇宙射線的發現、其特征以及揭示其起源的研究。

宇宙射線的曆史始于 19 世紀末的一個意外發現。1896年，法國物理學家亨利·貝克勒爾在研究非磷光鈾鹽時偶然發現了放射性。他發現鈾鹽無需任何外部能源即可發出輻射。這一革命性的發現引起了許多科學家的興趣，其中包括著名的居裏夫人。隨後，瑪麗·居裏和她的丈夫皮埃爾·居裏對放射性進行了一段時期的深入研究，包括確定钍元素也具有放射性，並發現了其他放射性元素钋和鐳。

當科學家深入研究放射性時，他們注意到一個有趣的現象。即使在沒有放射性物質的情況下，用于測量放射性的儀器也能檢測到恒定水平的電離輻射（亞原子粒子或具有足夠能量電離原子或分子的電磁波）。這一背景讓研究人員感到困惑，讓他們想知道其來源。它可能來自地球本身還是有更神秘的起源？

當時大多數科學家認爲，電離源源自陸地——來自土壤礦物質的放射性——並假設在大氣中測量到的電離度會隨著距地球距離的增加而減少。因此，1910 年，西奧多·武爾夫 (Theodore Wulff) 設計並制造了一種靜電計，可以檢測高能帶電粒子（或電磁波）的存在。他測量了巴黎埃菲爾鐵塔底部和頂部的電離水平，發現如果這種效應僅由地球引起，頂部的電離水平明顯高于預期。這一發現使科學家們推測源頭位于更高的地方，而不是在地球上。

于是，1911年，奧地利裔美國物理學家維克多·赫斯決定進行一項實驗。赫斯將他的儀器安裝在氣球上，並在三年內（1911-1913）進行了一系列單獨的上升，測量電離水平。他發現電離首先隨著海拔高度的增加而降低，然後開始迅速增加。在幾英裏的高度，電離度比地球表面高幾倍。他得出的結論是，輻射從上方穿透大氣層。

1912 年，赫斯在熱氣球飛行後著陸

人們可能會認爲是太陽發出這種輻射。爲了測試這一點，赫斯于 1912 年 4 月 17 日在日偏食期間乘坐熱氣球升空，並排除了太陽作爲可能的原因。即使當太陽被半遮蔽時，他也沒有觀察到電離輻射水平的顯著變化。因此，源頭不可能是太陽本身。它必須來自外太空。他發現了“宇宙射線”。

電離隨高度的增加，由 Hess 于 1912 年（左）和 Caulhurster 于 1913-1914 年（右）測量

1936 年，赫斯因其開創性工作與發現正電子的卡爾·大衛·安德森一起榮獲諾貝爾物理學獎。

那麽什麽是宇宙射線呢？這些高能粒子來自太空，不斷轟擊地球。宇宙射線可分爲兩大類：初級和次級。初級宇宙射線是穿過太空並直接到達地球大氣層的粒子。它們主要由質子組成，還有少量的氦核和重元素。

當初級宇宙射線與地球大氣層中的原子和分子碰撞時，它們會産生一系列次級粒子。這些次級宇宙射線包括介子、介子和電子，它們繼續相互作用並産生更多粒子，形成到達表面的複雜輻射流。

初級宇宙粒子與大氣分子碰撞，形成空氣簇射

幾十年來，了解宇宙射線的起源一直是科學研究的主要目標。當今流行的理論是，宇宙射線是由宇宙中一些最劇烈和最有活力的過程加速的。超新星，即大質量恒星的爆炸，被認爲是銀河宇宙射線的主要來源之一。這些災難産生的沖擊波可以將粒子加速到令人難以置信的高速度，推動它們穿過銀河系。

但並非所有宇宙射線都起源于我們的銀河系。觀測表明，一些最高能量的宇宙射線來自河外來源。活躍星系核（AGN）是遙遠星系中心的超大質量黑洞，可以將粒子加速到非常高的能量。此外，伽馬射線暴是宇宙中一些最具能量的事件，也被認爲是超高能宇宙射線的潛在來源。但很難准確確定宇宙射線的來源。由于它們是帶電粒子，因此會受到太空磁場的影響，並且在到達我們之前可以徘徊很長時間。

宇宙射線在增進我們對宇宙的理解方面發揮了重要作用。它們充當宇宙信使，傳遞有關太空中最活躍和最劇烈過程的信息。通過分析宇宙射線，天文學家可以深入了解超新星、黑洞和其他極端事件的驅動機制。

除了科學意義外，宇宙射線還具有實際意義。它們對太空探索構成了挑戰，因爲高能粒子會損壞電子設備並對宇航員造成健康風險。了解宇宙射線對于爲未來的太空任務制定有效的保護策略至關重要。

在地球上，宇宙射線對我們的星球有著微妙但重大的影響。它們在雲的形成、影響天氣和氣候條件方面發揮著重要作用。宇宙射線還會影響電子設備的運行，導致計算機系統出現錯誤並影響通信網絡。

近年來，技術進步徹底改變了我們探測和研究宇宙射線的能力。阿根廷的皮埃爾奧格天文台和猶他望遠鏡陣列等地面天文台使用大量探測器來捕獲和分析宇宙射線簇射。這些天文台覆蓋了大片區域，使科學家能夠以前所未有的精度研究最高能量的宇宙射線。同樣，國際空間站上的阿爾法磁譜儀 (AMS-02) 收集並分析了數十億個宇宙射線事件，並識別出其中 900 萬個爲電子或正電子。

新安裝的阿爾法磁譜儀-2 (AMS)

盡管取得了這些進展，但有關宇宙射線的許多問題仍未得到解答。河外宇宙射線的潛在來源仍然是積極研究的主題。未來的任務和天文台，例如切倫科夫望遠鏡陣列（CTA）和擬議的天基探測器，有望揭開這些謎團並加深我們對宇宙的理解。

宇宙射線的曆史證明了人類的好奇心和對知識的不懈追求。展望未來，宇宙射線的奧秘挑戰著我們進一步探索，尋找未知，揭開宇宙的秘密。畢竟，研究宇宙射線不僅是爲了了解遙遠的現象，也是爲了揭示宇宙的基本性質以及我們在其中的位置。