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捕捉宇宙射线

2018年04月23日 天文物理 ⁄ 共 1071字 ⁄ 字号 暂无评论

为了提高观测到宇宙射线的几率,科学家设计了一台宇宙射线望远镜。

撰文 黛布拉 · 韦纳(Debra Weiner)   翻译  李玲玲

捕捉宇宙射线

 

宇宙射线以接近光速的速度,从各个方向持续撞击着地球。这些带电粒子是宇宙辐射里能量最强的部分——然而,没有人知道它们起源于哪里。

天体物理学家推测,高能宇宙射线也许来自遥远星系的特大质量黑洞,或来自大爆炸产生的衰变粒子。

无论它们起源于哪里,这些射线以每世纪每平方千米出现一个的几率,撞向地球的大气层。这种撞击会产生空气簇射(air shower)——宇宙射线进入大气层,与大气中的分子多次碰撞、相互作用后,会产生许多游离的粒子和电磁辐射,这些粒子的能量更低,会激活大气中的氮分子。粒子与氮分子相互作用产生的紫外荧光,会显示出空气簇射的轨迹。

科学家试图利用这些轨迹来测量宇宙射线的方向和能量,并重建它们历经百万光年的空间轨迹,以准确定位它们的来源。

观测到这些极端事件的机会很稀少。地面天文台只能观测到直接位于探测器上方的宇宙射线撞击。阿根廷皮埃尔·奥格天文台(Pierre Auger Observatory)拥有世界最大的宇宙射线探测器,覆盖了美国罗德岛(Rhode Island)那么大的面积,每年也只能记录下大约20次极强能量的粒子雨。

为了提高观测到宇宙射线的几率,15个国家的科学家在20多年前就开始合作,一起为国际空间站(International Space Station, ISS)设计了一台宇宙射线望远镜。在国际空间站的日本实验舱(Japanese Experimental Module)里,极限宇宙空间天文台Extreme Universe Space Observatory,JEM-EUSO)将通过一台朝向地球的广角高速摄影机记录紫外线辐射。这样大的观测面积使摄影机可以观测到更多的空气簇射。

起初,研究小组希望在2006年发射EUSO。但地球上麻烦不断——首先是2003年的“哥伦比亚”号航天飞机失事,然后是2011年福岛核电站核泄漏,现在是乌克兰局势动荡——因为这些事件,发射计划将至少被推迟到2018年。

不过,科学会继续向前发展。2014年8月,研究小组用氦气球将一台望远镜样机,运送到38 000米高处的平流层。研究人员在其下方的直升飞机上跟踪了两个小时,并向望远镜视场内发射脉冲紫外激光和LED信号。这次试验是成功的,样机探测到了紫外线轨迹——类似于极强能量的宇宙射线导致的那种紫外荧光。

2016年,宇航员将运输一台鞋盒大小的名叫“Mini-EUSO”的样机到国际空间站,看看它在真正要执行任务的高度下表现如何。

 


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