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宇宙线對能量的分佈。

宇宙線亦稱為宇宙射线，是來自外太空的帶電高能次原子粒子。它們可能會產生二次粒子穿透地球的大氣層和表面。射線這個名詞源自於曾被認為是電磁輻射的歷史。主要的初級宇宙射線（來自深太空與大氣層撞擊的粒子）成分在地球上一般都是穩定的粒子，像是質子、原子核、或電子。但是，有非常少的比例是穩定的反物質粒子，像是正電子或反質子，這剩餘的小部分是研究的活躍領域。

大約89%的宇宙線是單純的質子，10%是氦原子核（即α粒子），還有1%是重元素。這些原子核構成宇宙線的99%。孤獨的電子（像是β粒子，雖然來源仍不清楚），構成其餘1%的絕大部分；γ射線和超高能微中子只佔極小的一部分。

粒子能量的多樣化顯示宇宙線有著廣泛的來源。這些粒子的來源可能是太陽（或其它恆星）或來自遙遠的可見宇宙，由一些還未知的物理機制產生的。宇宙線的能量可以超過10²⁰ eV，遠超過地球上的粒子加速器可以達到的10¹²至10¹³ eV，使許多人對有更大能量的宇宙線感興趣而投入研究^[1]。

經由宇宙線核合成的過程，宇宙線對宇宙中鋰、鈹、和硼的產生，扮演著主要的角色。它們也在地球上產生了一些放射性同位素，像是碳-14。在粒子物理的歷史上，從宇宙线中發現了正電子、緲子和π介子。宇宙線也造成地球上很大部份的背景輻射，由於在地球大氣層外和磁場中的宇宙線是非常強的，因此對維護航行在行星際空間的太空船上太空人的安全，在設計有重大的影響。

成分

宇宙線大致可以分成兩類：原生和衍生宇宙線。
來自太陽系外的天文物理產生的宇宙線是原宇宙線；這些原宇宙線會和星際物質作用產生衍生（二次）宇宙線。太陽在產生閃焰時，也會產生一些低能量的宇宙線。在地球大氣層外的原宇宙線，確實的成份，取決於觀測能量譜的哪些部份。不過，一般情況下，進入的宇宙線幾乎90%是質子，9%是氦核（α粒子），和大約1%是電子。氫和氦核的比例（質量比氦核是28%）大約與這些元素在宇宙中的元素豐度（氦的質量佔24%）相同。

其餘豐富的部份是來自於恆星核合成最終產物的其它重原子核。衍生宇宙線包含其它的原子核，它們不是豐富的核合成或大爆炸的最終產物。這些較輕的原子核出現在宇宙線中的比例遠大於在太陽大氣層中的比例（1:100個粒子），它們的豐度大約是氦的10⁻⁷。

這種豐度的差異是衍生宇宙線造成的結果。當宇宙線中重的原子核成份，即碳和氧的原子核，與星際物質碰撞時，它們分裂成較輕的鋰、鈹、硼原子核（此過程被稱為宇宙射線散裂）。被發現的鋰、鈹和硼的能譜比來自碳或氧的更為尖細，這個值暗示有少數的宇宙射線散裂是由更高能量的原子核產生的，推測大概是因為它們是從銀河的磁場逃逸出來的。散裂也對宇宙線中的鈧、鈦、釩和錳離子等的豐度負責，它們是宇宙線中的鐵和鎳原子核與星際物質撞擊產生的（參見天然的背景輻射）。

即使衛星實驗在原宇宙線中發現一些反質子和正電子存在的證據，但沒有複雜的反物質原子核（例如反氦核）存在的證據。在原宇宙線中觀測到的反物質豐度是符合它們也能由原宇宙線在深太空和普通物質撞擊，在衍生宇宙線的程序中產生的理論。例如，一種在實驗室中產生反質子的標準方法是以能量大於6 GeV的質子去撞擊其他的質子，而在原宇宙線中很輕易的就有許多質子的能量超過這個數值。無論是否在銀河系中，當簡單的反物質能夠由這種程序產生時（不是在大氣層的高層），它們仍可能傳播遙遠的距離抵達地球，而不會在星際空間中與其他的氫原子碰撞而湮滅。抵達地球的反質子特徵是能量最多只有2GeV，顯示它們產生的過程在基本上與宇宙線中的質子是截然不同的^[2]。

在過去，人們認為宇宙線的通量隨著時間的推移一直是相當穩定。最近的研究顯示，以1.5至2千年的時間尺度，有證據顯示在過去的40,000年，宇宙線的通量是有變化的^[3]。

調節（Modulation）

太阳调节（solar modulation）指太阳或太阳风改变进入太阳系的银河系宇宙射线强度和能谱的过程。当太阳处于活跃时期，相比安静时期，银河系的宇宙射线会较少的进入太阳系。基于这个原因，银河系宇宙射线与太阳一样遵从11年周期，但不同的是：剧烈的太阳活动对应低宇宙射线（进入太阳系），反之亦然。

探测

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，这些很快會衰退为不稳定的μ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，例如氣泡室，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，例如阿爾法磁譜儀实验。

宇宙射线对太空载人飞行的影响

宇宙射线被地球大气层影响，对地面的单个人的天然本底辐射仅为0.3-0.4 mSv/y。在大氣層外，每秒约有一個質子或更重的原子核穿過指甲大小的面積，總共每秒約有5000個離子貫穿宇航员的身體，打斷体内的化學鍵，引起一連串电离反應。在宇宙射線中，少數較重的核子會造成比質子更大的傷害，因為打斷化學鍵的能力與電荷平方成正比。例如，鐵原子核所造成的傷害是質子的676倍。根據美國航空航天局（NASA）的估計，航天员在太阳系内的太空中每年受到250 mSv的辐射，體內約有1/3的DNA會被宇宙射線切斷。^[4]在月面是70-120mSv/y，近地轨道是100mSv/y，范艾伦辐射带为15 Sv/y。太陽也會釋放大量質子與重原子核，以接近光速噴出，有時一小時內會逾數Sv，對沒有屏障的航天员是致死劑量。

宇宙射线历史记录

亨利·贝克勒1896年发现放射性后，许多人认为大气中的电流（地球大气层的电离）仅来自于土中放射性物质或产生出的放射性气体（氡气的同位素）的辐射。1900至1910年，十年内逐增高度的电离率测量显示出一个能够通过空气对电离辐射的吸收解释的降值。其后，维克托·赫斯于1912年利用一个热气球，带着三台靜電計，登上了5300米的高空。他探测到电离率增长到大约地面率的四倍。他得出的结论是“我的观察结果最好的解释是设想一种高穿透力的射线从上部进入大气层。”维克托·赫斯因为这次后人命名为“宇宙线”（cosmic rays）的发现于1936年获得诺贝尔物理学奖。

相關條目

• 背景輻射


• 宇宙射線散裂


• 福布希衰減


• 吉爾伯特·傑羅姆·珀洛


• 超高能宇宙射線


• 銀河宇宙射線


• 河外星系宇宙射線


• 太陽高能粒子


• Track Imaging Cherenkov Experiment

注释

註解

參考資料

外部連結

维基共享资源中相关的多媒体资源：宇宙線

• Aspera European network portal


• Animation about cosmic rays on astroparticle.org


• 
  Particle Data Group review of Cosmic Rays by C. Amsler et al., Physics Letters B667, 1 (2008).


• 
  Introduction to Cosmic Ray Showers by Konrad Bernlöhr.

• 
  NOAA FTP^{[永久失效連結]}: Lal, D., et al., 2005. Data on cosmic ray flux derived from C14 concentrations in the GISP2 Greenland ice core.


• 
  BBC news, Cosmic rays find uranium, 2003.


• 
  BBC news, Rays to nab nuclear smugglers, 2005.


• 
  BBC news, Physicists probe ancient pyramid (using cosmic rays), 2004.


• 
  Shielding Space Travelers by Eugene Parker.


• Anomalous cosmic ray hydrogen spectra from Voyager 1 and 2


• 
  Anomalous Cosmic Rays（From NASA's Cosmicopia）


• Review of Cosmic Rays


• 
  Composition of Solar cosmic rays^{[永久失效連結]}


• 
  "Who's Afraid of a Solar Flare? Solar activity can be surprisingly good for astronauts." October 7, 2005, at Science@NASA]


• History of Cosmic Rays


• Amateur Muon Detector - schematics and articles