宇宙射线由什么构成

关于宇宙射线，许多人听起来可能感觉会很陌生，但是它在浩瀚的宇宙中是无处不在的。宇宙射线对生物伤害很大，地球上的生物那么繁盛，首先要庆幸地球有一个强大的磁场，将宇宙射线大部分都屏蔽了，其次就是臭氧层，帮助我们阻挡了紫外线。那么什么是宇宙射线呢？

宇宙射线是来自外太空的带电高能次原子粒子。大约89%的宇宙线是单纯的质子，10%是氦原子核（即α粒子），还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子（像是β粒子，虽然来源仍不清楚），构成其余1%的绝大部分；γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。但是，有更少的比例的是稳定的反物质粒子，像是正电子或反质子，这剩余的小部分是研究的活跃领域。

粒子能量的多样化显示宇宙线有着广泛的来源。这些粒子的来源可能是太阳（或其它恒星）或来自遥远的可见宇宙，由一些还未知的物理机制产生的。宇宙线的能量可以超过1020eV，远超过地球上的粒子加速器可以达到的1012至1013 eV，使许多人对有更大能量的宇宙线感兴趣而投入研究。

在1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。

宇宙线大致可以分成两类：原生宇宙射线和衍生宇宙射线（也叫二次宇宙射线）。 

太阳在产生闪焰时，也会产生一些低能量的宇宙线。在地球大气层外的原宇宙线，确实的成分，取决于观测能量谱的哪些部分。不过，一般情况下，进入的宇宙线几乎90%是质子，9%是氦核（α粒子），和大约1%是电子。氢和氦核的比例（质量比氦核是28%）大约与这些元素在宇宙中的元素丰度（氦的质量占24%）相同。

其余丰富的部分是来自于恒星核合成最终产物的其它重原子核。衍生宇宙线包含其它的原子核，它们不是丰富的核合成或大爆炸的最终产物，原生的锂、铍、和硼。这些较轻的原子核出现在宇宙线中的比例远大于在太阳大气层中的比例（1:100个粒子），它们的丰度大约是氦的10。

这种丰度的差异是衍生宇宙线造成的结果。当宇宙射线中重的原子核成分，即碳和氧的原子核，与星际物质碰撞时，它们分裂成较轻的锂、铍、硼原子核（此过程被称为宇宙射线散裂）。被发现的锂、铍和硼的能谱比来自碳或氧的更为尖细，这个值暗示有少数的宇宙射线散裂是由更高能量的原子核产生的，推测大概是因为它们是从银河的磁场逃逸出来的。散裂也对宇宙线中的钪、钛、钒和锰离子等的丰度负责，它们是宇宙线中的铁和镍原子核与星际物质撞击产生的（参见天然的背景辐射）。

早期地球

第一代大气

46亿年前，地球刚从太阳星云中形成时，固体物质聚集成内核，外周则是大量的氢、氦等气体，称为第一代大气。由于地球质量还不够大，还缺乏足够的引力将大气吸住，又有强烈的太阳风（是太阳因高温膨胀而不断向外抛出的粒子流，在太阳附近的速度约为每秒350～450公里），所以以氢、氦为主的第一代大气很快就被吹到宇宙空间。

第二代大气

地球在继续旋转和聚集的过程中，由于本身的凝聚收缩和内部放射性物质（如铀、钍等）的蜕变生热，原始地球不断增温，其内部甚至达到炽热的程度。于是重物质就沉向内部，形成地核和地幔，较轻的物质则分布在表面，形成地壳。初形成的地壳比较薄弱，而地球内部温度又很高，因此火山活动频繁，从火山喷出的许多气体，构成了第二代大气即原始大气。此时地球的质量和引力已足以吸住大气，所以原始大气的各种成分不易逃逸。

由于还没有臭氧（O3）层，所以紫外线能直射到地球表面，成为合成有机物的能源。此外，天空放电、火山爆发所放出的热量，宇宙间的宇宙射线（来自宇宙空间的高能粒子流，其来源目前还不了解）以及陨星穿过大气层时所引起的冲击波（会产生摄氏几千度到几万度的高温）等，也都有助于有机物的合成。但其中天空放电可能是最重要的，因为这种能源所提供的能量较多，又在靠近海洋表面的地方释放，在那里作用于还原性大气所合成的有机物，很容易被冲淋到原始海洋之中。

现在的地球

虽然当宇宙射线到达地球的时候，会有大气层来阻挡住部分的辐射，但射线流的强度依然很大，很可能对空中交通产生一定程度的影响。比方说，现代飞机上所使用的控制系统和导航系统均有相当敏感的微电路组成。一旦在高空遭到带电粒子的攻击，就有可能失效，给飞机的飞行带来相当大的麻烦和威胁。

此外，几位美国科学家还认为，宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。他们认为，某一阶段突然增强的宇宙射线很有可能破坏地球的臭氧层，并且增加地球环境的放射性，导致物种的变异乃至于灭绝。另一方面，这些射线又有可能促使新的物种产生突变，从而产生出全新的一代。这种理论同时指出，某些生活在岩洞、海底或者地表以下的生物正是由于可以逃过大部分的辐射才因此没有灭绝。从这种观点来看，宇宙射线倒还真是名副其实的“宇宙飞弹”。

还有科学家认为，长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。这种观点认为，温室效应可能并非全球变暖的惟一罪魁祸首，宇宙射线有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。这些科学家的研究认为，宇宙射线水平的变化可能是解释这一疑难问题的关键所在。他们指出，由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来，形成的带电离子可以引起水滴的凝结，从而可增加云层的生长。也就是说，当宇宙射线较少时，意味着产生的云层就少，这样，太阳就可以直接加热地球表面。

直接探测法

1014eV以下的宇宙射线，通量足够大，可用面积约在平方公尺左右的粒子探测器，直接探测原始宇宙射线。这类探测器需要人造卫星或高空气球运载，以避免大气层吸收宇宙射线。

间接探测法

1014eV以上的宇宙射线，由于通量小，必须使用间接测量，分析原始宇宙射线与大气的作用来反推原始宇宙射线的性质。当宇宙射线撞击大气的原子核后产生一些重子、轻子及光子（γ 射线）。这些次级粒子再重复作用产生更多次级粒子，直到平均能量等于某些临界值，次级粒子的数目达到最大值，称为簇射极大，在此之后粒子逐渐衰变或被大气吸收，使次级粒子的数目逐渐下降，这种反应称为“空气簇射”。地球地表的主要辐射源是放射性矿物，空气簇射的次级粒子是高空的主要辐射源，海拔20公里处辐射最强，100公里以上的太空辐射则以太阳风及宇宙射线为主。

宇宙射线探测天线

UHECR的研究经费在美国超导对撞机（Superconducting Super Collidea）计划终止后快速增加，并成为天文粒子物理学研究的三大主流之一（另两项为微中子与暗物质）。

宇宙射线中的核子之所以能够从他们遥远的源头一直到达地球，是因为宇宙中物质的低密度。核子与其它物质有着强烈的感应，所以当宇宙线接近地球时，便开始于大气层气体中的核子撞击。在粒子雨的过程中，这些碰撞产生很多π介子和K介子，这些是会很快衰退为不稳定的μ介子。由于与大气层没有强烈的感应以及时间膨胀的相对论性效应，许多μ子能够到达地球表面。μ子属于电离辐射，从而可以轻易被许多粒子探测器检测到，例如气泡室，或闪烁体探测器。如果多个μ子在同一时间被不同的探测器检测到，那么它们一定产自同一次粒子雨。

如今，新的探测手段能够不通过粒子雨这个现象检测这些高能粒子，也就是在太空中，不受大气层的干扰，直接探测宇宙线，例如阿尔法磁谱仪实验。

罗杰·柯莱在其著作《宇宙飞弹》对宇宙射线的研究意义作出了精辟的阐释：

“宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定， 人们 已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息：射电星系、类星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅，当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些 天体上能产生如此超常能量的粒子。”

虽然人类仍然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的，但普遍认为它们可能来自超新星爆发、来自遥远的活动星系；它们无偿地为地球带来了日地空间环境的宝贵信息。科学家希望接收这些射线来观测和研究它们的起源和宇观环境中的微观变幻。

出于对宇宙射线研究的重视，世界各国纷纷投入资金与设备对其展开研究。前苏联、日本、中国、美国、法国等国家相继建立了宇宙射线观测站。虽然宇宙射线的起源尚无定论，但科学家们仍然逐步了解了宇宙射线的种种特性，以及对地球和人类环境的影响。