寻找宇宙的引擎

骑UFO看外星人

破解宇宙动力之谜：一个世纪过去了，高能空间微粒依然是个谜。
　　那是1912年8月7日，为破解一桩奥秘，奥地利物理学家维克多・赫斯登上了一个气球。气球上搭载着三部验电器，用途是探查大气层中的带电微粒。大气层中不可见的微粒是一个颇为古老的谜题――早在1785年，这样的微粒就被探查到，但是人们一直没有搞清楚它们究竟来自哪里。
　　早晨6时刚过，赫斯乘坐的气球从波西米亚城镇乌斯季升空。6小时后，气球升至5 300米高空，然后降落在柏林附近。在此过程中，赫斯取得了一个重要发现：他的验电器在离地4 500米处记录到的带电微粒的数量是地面的带电微粒的3倍，这证明了这些微粒并非来自地球自身，而是来自太空。此前，人们利用验电器在地下、水中和埃菲尔铁塔上进行的实验都未获得确定性的结论。赫斯因此获得诺贝尔奖。

　　神秘的宇宙射线

　　时至今日，赫斯的气球之行已过去百年，而科学家仍在研究早在20世纪20年代就已知道的东西――宇宙射线。其实，谓之“宇宙射线”是当时的一种误导，它们其实是一直以来“轰击”地球的亚原子微粒，或者说是从遥远的地方跑到地球的“太空旅行者”。其中一部分来自银河系以内，另一部分以极大能量撞击地球，它们无疑来自银河系以外。
　　大约90%的宇宙射线以高能质子的形式到达地球，可能只有1%是电子，其余的都比原子核重，例如氦和铁――这便是科学家知道的关于宇宙射线的所有知识。
　　那么，宇宙射线究竟来自何方？它们是怎样来到地球的？谁是超高能宇宙射线的“引擎”？无人能给出准确答案。要知道，分享宇宙射线的“故事”可不容易。除了在太阳爆发期间产生的一些低能量宇宙射线外，其余的宇宙射线大都来历不明――它们迂回地来到地球，因而将来时路上的一切痕迹都抹掉了。神秘而罕见的超高能宇宙射线挑战着科学家的想象力。科学家认为，发射超高能宇宙射线的“引擎”一定是宇宙间最大的“引擎”――他们称之为“天体物理加速器”。
　　科学家在地下、海面下和太空中建造了强力探测器，以期查明有关宇宙射线的种种。最近的探索证明，银河系内部的超新星会加速宇宙射线；科学家还发现了来自更远处的超高能宇宙射线的化学组成元素的线索。但是，至今仍然无人知道把这些高能的“宇宙访客”发射进太空的“引擎”究竟是什么。步赫斯之后尘，过去10年来，在寒冷的南极冰盖上空集聚了一系列的气球试验。南极冰盖堪称“天然的通用实验室”，它的反射性或许有助于揭示超高能宇宙射线背后的匿名加速器。

　　超新星和“超级泡泡”

　　相对来说，科学家对于来自银河系内的宇宙射线的了解较多一些。银河系宇宙射线很常见，每分钟经过你的拇指的微粒大约有10个。如果是在地球大气层以上，这个数量则会达到50倍，这也就是为什么说长时间太空飞行有风险的原因之一。星系宇宙射线以0～1018电子伏特的能量到达地球，其最大能量是欧洲大型强子对撞机中质子碰撞所产生能量的数万倍。不过，大多数射线的能量在1亿～100亿电子伏特之间。由于带电，处于这些能量级的射线会被磁场束缚。一颗在银河系中“流浪”、最终到达地球的微粒所采取的应该是醉汉的步态，它最终到达地球时的方向与它当初出发时的方向无关（行星和恒星等大型天体的磁场能让微粒的飞行轨迹发生偏移，星系本身的磁场也能捕获宇宙射线，而后让它们飞来飞去，就像装在密封瓶里的苍蝇一样）。
　　这些都让科学家很难跟踪它们的确切源头。不过，科学家认为他们至少已经找到了其中一个源头，那就是超新星（只可惜，还没有任何直接观测证据能把入射微粒和遥远的恒星爆发联系起来）。根据天体物理学，宇宙射线有可能来自于由超新星和狂暴巨恒星组成的狂乱加速器，因为由两者构成的混沌宇宙环境不仅能产生微粒，而且能捕捉微粒，并把它们射向周围，最终把它们踢出去。



　　如此之地被称为“超级泡泡”。美国宇航局的“费米伽马射线空间望远镜”（以下简称“费米”）最近的观测结果，已基本证实“超级泡泡”正是星系宇宙射线的加速器之一。
　　“费米”在窥视天鹅座“超级泡泡”（银河系中距离地球4 500光年的一大片恒星形成区）时，看到了一大簇伽马射线，其分布与“超级泡泡”的形状很匹配。伽马射线是电磁辐射的一种高能形式。寻找伽马射线的“费米”之所以有助于科学家发现宇宙射线加速器，是因为伽马射线是在宇宙射线与星际介质交互作用时产生的，它们不带电，且直接指向自己的源头，那里也是宇宙射线的家园。


　　科学家获得的另一个证据是，星系宇宙射线中较重的元素也在这些“超级泡泡”中被“烹煮”。就像指纹一样，不同元素例如铁、镍和氖的比例可暗示宇宙射线的起源。宇宙射线中大约20%的材料被科学家称作“超级泡泡”材料，其余80%很可能是一般的星际材料，但其中大部分可能被用于为这些遥远的恒星加速。
　　利用在南极洲上空30 000米以上高度飘飞的“老虎号”气球探测器（以下简称“老虎”）等装置，科学家正在解读这些元素之间比例的故事。
　　“噢，我的上帝微粒”

　　不管是“超级泡泡”还是孤独的超新星，都不能揭开一个更大的奥秘：什么样的超巨大天体物理加速器才能让那些银河系外的超高能量的宇宙射线来到地球？在赫斯发现宇宙射线来自太空的证据50年后，科学家接待了一个不请自来的“客人”――一种能量为1018电子伏特的微粒。1962年，这种微粒撞上了位于美国新墨西哥州的一个探测器阵列。1991年，比这种微粒的能量还高3倍的微粒击中了美国犹他州大学的“蝇眼”探测器。它被称作“噢，我的上帝微粒”。这样的亚原子微粒以前所未见的超高能量穿行，正是它们的到来带来了新的奥秘：超高能宇宙射线。科学家至今仍在搜寻发射它们的超超级加速器。


　　一个好消息是，不像能量较低的星系亲戚，这些极高能宇宙射线在路途中未偏离方向，而是一直指向发源地。坏消息是，这些射线实在是太少见，科学家都没机会好好打量它们。较早的估计是，一颗这样的微粒登陆1平方千米空间的概率为100年1次，较新的估计则是1 000年3次。为了研究如此罕见的微粒，科学家需要超巨大探测器。目前，“皮埃尔・奥格天文台”（以下简称“奥格”）拥有“最大探测器阵列”的头衔，它包括1 600只每只装水12 000升的水箱，它们的分布范围宽达3 000平方千米以上。这个捕捉宇宙微粒的阵列蜷缩在阿根廷沙漠中的群山之间。 　　当宇宙微粒与另一种大气层原子（通常为氮原子核）碰撞时，它们会碎裂成许多较小的微粒，产生所谓的空气簇射，并最终落在多达30平方千米的范围内，这就是探测器阵列需要分布在一片广大区域内的原因之所在。当微粒击中水后，它们会产生一点点内部探测器可见的光线。其中一些能量形式是紫外光，能被另外一个24部荧光望远镜阵列看见。
　　2007年，一部超高能“引擎”被发现。当时，科学家报告了入射微粒和活跃的星系核――在遥远星系中央暴烈翻滚的超大质量黑洞――之间的一种诱人相关。在绘制的多个星系核图上，近30个微粒整齐地排成一线，这是超能宇宙射线“引擎”的良好指针。
　　

远未破解的奥秘

　　然而，随着探测数据增多，这种关联消失了。接着，问题更加深化。较新数据暗示，超高能宇宙射线并非大多由质子组成，而是由较重的原子核如铁原子核构成。这几乎让科学家豁然开朗：较重的微粒携带更多电荷，因而更容易被加速到更快的速度。但仍不清楚的是，这些发现怎样与现行的高能物理理论切合。让科学家最吃惊的是，尽管有能量高达1018电子伏特的超高能微粒，但更像铁的微粒却具有更高的能量。
　　虽然令人困惑，但如此场景可能与另一个令人难解的结果是一致的。科学家在2012年4月报告说，“南极”实验室的“冰立方”探测器（目前最领先的超级探测器，以下简称“冰立方”）未能识别到超高能宇宙射线源自伽马射线爆的任何迹象。隐身在南极冰下的“冰立方”占据1立方千米的空间。就像“奥格”的水箱一样，“冰立方”搜索的也是切伦科夫辐射――宇宙微粒与水（或冰）交互作用而产生的闪光。但与“奥格”不同的是，“冰立方”并不直接寻找宇宙射线。它聚焦的是中微子：一些高能宇宙射线穿越太空时产生的滑溜、可变形的微粒。像伽马射线一样，中微子也直线穿行，并指向故土。
　　在两年中观测了超过300次伽马射线爆之后，科学家却未能看见任何中微子。如果现行天体物理学理论无误，那么这一令人沮丧的结果就给伽马射线爆与超高能宇宙射线之间的关联打上了问号。然而，如果伽马射线爆出人意料地吐出较重的微粒，“奥格”和“冰立方”的探测结果就啮合了。较重的原子核如铁原子核的行为与质子不同，产生的中微子较少，这就能解释为什么“冰立方”没有发现伽马射线爆与中微子之间的关联。不过，这个奥秘依然远未破解。
　　不久之后，第二部大型中微子探测器阵列――“天坛无线电阵列”（以下简称“天坛”）就将与“冰立方”在南极联手。建立“天坛”的目的，是为了探测这样一种中微子：当银河系外的超高能宇宙射线被加速至与大爆炸剩下的热辐射交互的程度时，这种中微子就产生了。运用无线电波而非光线探测中微子自有优点：入射微粒的路径更长，冰对射电爆比对光线更透明。科学家眼下仍在构筑“天坛”，它的37部探测器将全部埋在冰下200米处，覆盖面积达200平方千米。
　　南极之所以在过去10年中成为研究宇宙射线的各个科学团队的汇聚点，是由于它那固定的冰反射器和季节风。在一些探测器深埋地下的同时，另一些探测器则乘坐气球高飞，被每年11月开始搅动的极地涡流带到大气层。气球被疾风带着环绕南极，一次可在空中飘浮几周时间，与赫斯当初的6小时相比已经有了长足进步。除了飞得更久之外，今天的气球也飞得更高，离地可达30 000米以上。今天的气球还更大，大到能装下一个美式橄榄球场。南极宇宙射线气球探测器试验除了“老虎”外还有“安妮塔”，后者探测的是当高能微粒碎裂、造成无线电脉冲所产生的无线电波。这种无线电脉冲在南极洲被冰面反射掉，而“老虎”采用空中无线电天线阵列观察反射来的脉冲。
　　8年来，还有另一个气球试验――“安迪克”在“嗅闻”高能电子的水平。高能电子或许是未受重视的一类星系宇宙射线，不受重视的原因是它们在入射微粒总量中的比重相对低。而“安迪克”发现了奇怪之物：能量在3 000亿～6 500亿电子伏特之间的电子过于频繁地击中探测器，这用常规天体物理学无法解释。被捕捉到的210颗微粒暗示，潜伏在附近的某个或某些天体必定在把它们推至地球方向。稍晚时候，“安提克-4号”的跟进试验证实了最初发现的异常的确存在。这一发现引起了一系列疯狂猜测，其中包括暗物质源的可能性。但最可能的标准天体物理学解释看来是脉冲星，当然答案不可能这么简单――作为迅速旋转的中子星，虽然脉冲星或许能加速微粒，但微粒找不到容易出逃的路径。
　　破解宇宙射线之谜的线索，一点一滴地从地球不同地方浮现。它们既来自沙漠，也来自极地，还来自环绕地球的轨道器。然而，宇宙射线之谜依旧远远未解。终极答案可能将来自更大的探测器，甚至需要把探测器安装到月球背面（月球背对地球的那一面）。也许你会问，如此孜孜不倦的探索，究竟是为了什么？最可能的答案是，我们将认识到天体物理学的极端程度的前所未见。宇宙奥秘之多、之深奥超出我们的想象。



　　相关链接：
　　

探测器阵列

　　如今无论在地下、海里，还是天上，都有宇宙射线探测器，它们的目的都是试图弄清是什么东西在加速宇宙高能微粒。
　　陆地 对于地面上和地面下的宇宙射线探测器阵列来说，规模是个重要因素。庞大的探测器能提高捕捉到宇宙射线的机会。为了把规模提升至最大，一家名叫“图像远见”的公司正开发一种手机应用软件，它将把任何智能手机转变为一个宇宙射线天文台，从而让宇宙射线探测器阵列遍布全球。
　　海洋 不管是水还是冰，都有助于探测宇宙射线。一些科学家已经在使用水下望远镜。例如位于法国地中海沿岸海底的与“冰立方”类似的“安塔雷斯”中微子望远镜。不过，并非所有探测器都处于如此幸运的位置。例如，“贝加尔深海中微子望远镜”已经被埋没在冰冷的西伯利亚湖中数年之久。
　　天空 宇宙射线探测器既有搭载于高空气球上的，也有被称作飞船、游弋在银河系中的，例如搭载于“高级组分探索飞船”（简称ACE）上的“宇宙射线同位素光谱仪”。发射于1997年的ACE翱翔在地球上空150万千米，发射于2008年的“费米伽马射线空间望远镜”位于地面以上550千米。更接近地球的“阿尔法磁光谱仪”自2011年起就开始在国际空间站上探测宇宙微粒。几年后，它将与致力于寻找高能电子的“卡里特”探测器为伴。计划于2016年发射的一部荧光探测器，则与“奥格”探测器阵列相似。
　　云中 一种在20世纪70年代提出、一直有争议的理论暗示，来自外太空的高能宇宙射线可能通过形成云而在改变地球气候方面起了作用。随着太阳经历自己11年的磁活动周期，宇宙射线的影响也会有起伏。一个磁活动更加活跃的太阳应该会让入射微粒偏离方向。理论上说，与大气中的蒸气微粒交互的宇宙射线会形成降雨种子。较少的宇宙射线意味着较少的云和较高的温度。现在，科学家正运用一只云舱来确定宇宙射线是否真的导致了云的产生。在云舱中，科学家组建和大气一样的成分，包括引入上层大气中的水蒸气，然后发射合成宇宙射线束到云舱中。科学家在2012年报告说，与硫酸气溶胶交互的合成宇宙射线的确导致了大气中小微粒的形成，但这些微粒没有达到足够降雨的程度。科学家目前在测试加入更多水蒸气的效果。