当玛丽·居里和亨利·贝克勒尔首次发现物质的放射性时，科学家们认为这仅仅是大气电离 (电子从空气分子中剥离) 的作用，是存在于地面岩石中的放射性元素或大气中的放射性气体本身所产生的辐射而已。然后，另一位名叫维克多·赫斯(Victor Hess)的物理学家用绑在气球上的三个静电计做了一个实验。

图解：维克托·赫斯——发现宇宙射线的诺贝尔物理学奖获得者。

他发现在4600米（15000英尺）高度的电离率比在地面上的电离率高几倍，如此高的电离率只能解释为：有一个从上方强烈冲击着地球大气层的辐射源存在。进而，宇宙射线被发现了。

什么是宇宙射线？

宇宙射线是高能辐射的一种形式（包含原子核或高能质子），它们在我们的星系中传播，也就是说，它们在银河系、宇宙中广泛传播。宇宙射线可能是由太阳产生的，但大多数已知的射线起源于太阳系之外，并在整个星系中传播。

图解：宇宙射线——一名艺术家描绘了超大质量黑洞中心产生的宇宙射线。（图片来源：WJ共享资源）

大多数银河系宇宙射线（约85%）由氢原子的原子核（质子）构成，约12%的宇宙射线由α粒子（氦核）构成。剩余的则是原子核和重原子电子。

当这些高能粒子撞击地球大气层并与大气原子核相互作用时，它们会产生二次粒子簇射，也被称为空气簇射。

空气簇射

当宇宙射线与其他大气原子核相互作用时，大气中的电磁辐射和电离粒子(如电子、光子和介子)就会发生广泛的级联(有时会到达地表)。

图解：空气簇射_艺术家描绘的1TeV质子撞击地球表面以上20公里的大气层所产生的宇宙射线空气簇射。

（图片来源：迪诺伊/WJ共享资源）

1937年，法国物理学家皮埃尔·奥格尔发现，当宇宙射线与大气层中悬浮的粒子发生碰撞会产生如此大量的空气簇射。

宇宙辐射的量在南极或北极附近达到最大，所以如果航空公司的工作人员经常在这些区域（辐射源）工作，他们会经受更多的宇宙射线。

在发现宇宙射线之前，物理学家认为他们实际上是γ射线，是放射性衰变的结果。直到20世纪30年代，一系列的实验才证明了宇宙射线大部分是带电粒子。接着在1954年，剑桥麻省理工学院罗西宇宙X射线小组收集了第一批大量的空气簇射样本。

图解：宇宙线对能量的分布。

宇宙射线的分类

科学家将宇宙射线分为四大类。

反常宇宙射线

它们是低能宇宙射线，来自于不受太阳风（太阳大气层中释放的带电粒子流）影响的日球层鞘（远超出冥王星轨道的气泡状空间区域，也就是太阳系的边缘）。

图解：太阳宇宙射线——图片来源：NASA

人们认为当日球层鞘中的电中性原子电离和加速时，就会产生反常宇宙射线。有趣的是，当旅行者1号探测器经过日球层鞘时，并没有检测到这种粒子加速的存在。

图解：日鞘区域——这张图片显示了旅行者1号和旅行者2号的位置。

旅行者1号现在已经离太阳非常远了，并已到达日鞘区域。在这里，星际气体和太阳风开始混合。（图片来源：Walt Feimer / NASA /维基共享资源）

银河系宇宙射线

通常简称为GCR，从外部进入太阳系，但一般是形成于太阳系内。航天科学家认为这些类型的宇宙射线是强大的超新星的产物。

图解：银河系宇宙射线——一些银河系宇宙射线与星际介质作用产生γ射线。这是高能伽马射线实验望远镜全天巡视伽马射线的图像。

有人提出在超新星爆炸之后，粒子在气体残留物中反复弹跳，加速形成宇宙射线，直到达到某种程度散入银河系。

太阳宇宙射线

太阳宇宙射线泛指大量的宇宙射线，它们来自太阳系的中心恒星——太阳。这些射线大部分只是能量相对较低的质子，从太阳表面的强磁场获取能量。

超高能宇宙射线

顾名思义，就是具有极高动能的宇宙射线粒子。这些粒子极其罕见，天文学家还没有完全了解其来源。

图解：阿根廷的皮埃尔·奥格尔宇宙射线观测站正在研究超高能宇宙射线，这是落在地球上的宇宙能量最高的粒子。

位于阿根廷的国际宇宙射线观察站，皮埃尔·奥格尔观测站已经成立，旨在探测超高能宇宙射线，解开宇宙射线的起源和存在之谜！

参考资料

宇宙射线—WJ百科

空气簇射（物理）—WJ百科

超高能宇宙射线—WJ百科

反常宇宙射线— NASA’s Cosmicopia

宇宙射线—詹姆斯·肖伯特（俄勒冈大学）

宇宙射线来自爆炸的恒星——SLAC国家加速器实验室（斯坦福大学）

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. sciab

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翻译：天文志愿文章组-侑子

审核：天文志愿文章组-彭斯涵

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