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介绍宇宙射线 (Cosmic Ray) 的书–宇宙飞弹(3)

宇宙射线会受到大气层的阻挡而减弱,因此,在大气层以外飞行的太空船,受到宇宙射线袭击的机会大增。离地面愈高,这些粒子的能量就愈大,而浓度也愈大。它们对生物有致命危害,一般地区每上升1500公尺,辐射剂量约增加一倍。也因此在德国有一家航空公司,禁止怀孕的的空服员上飞机服勤。另外曾有英国的调查指出长程飞行的旅客,上下飞机之间,所接受的辐射能量,有如照一次X光那幺多,只是我们都不自觉吧!

环境中也有天然背景辐射能量,根据「联合国原子辐射效应科学委员会」的资料,世界上每人每年接受天然背景辐射剂量平均为2.4毫西弗,而台湾地区为2.0毫西弗(其中约有0.3毫西弗来自宇宙射线、0.5毫西弗来自大地、0.2毫西弗来自矿物及微量来自空气中的氡气等)。

宇宙射线来源的疑团

目前观测到,宇宙射线在全天各方向的强度很平均,找不到特别强的地方。因而,这种高能粒子的来源仍是一个谜。由于宇宙射线是带有电性的粒子,他在宇宙中高速飞行过星际空间时,会受到磁场影响而转变行进方向,等到它到达地球之前,可能巳经数百万光年的旅程;而粒子转变方向的次数,可能多到无法计算了,要找到源头,更是难上加难。目前推测,宇宙射线是来自超新星,黑洞和伽玛射线爆发区,但是对应的天体来源还没找到。一些科学家们相信宇宙射线是早期宇宙,所产生之高质量粒子衰变后的残余物,也很可能是环绕在黑洞周围的物质所产生的粒子,因为高重力与磁场区有可能加速带电粒子。科学家利用ASCA 卫星来观测一颗在西元1006年,巳爆炸的超新星遗骸。他们发现爆炸的碎片云气仍然在扩张,爆炸造成的震波前缘,发出明亮的X光。这个X光–明亮区是由极高能量的电子(以接近光速的速度)通度磁场时所产生的。如果就如理论所预期的,那超新星遗骸区,可能是宇宙射线加速区了。
宇宙射线也可能来自星系的碰撞,当两星系高速碰撞时,物质以每秒钟数千公里的相对速度互相碰撞,也可产生高能量的宇宙射线。

观测宇宙射线的原理
契伦柯夫辐射

如何将看不见的宇宙射线,化成可以观察的形式?在相同的介质中,如果高速带电粒子穿过介质的速度,比光在此介质中的速度快时,即会产生一个电磁震波,发射出我们可测量的波长範围的光来,所发射的光称为契伦柯夫光(Cherenkov light)。人们就是藉由这种的反应,将看不见的宇宙射线转成可以观察到的形式,来了解宇宙射线的数量与方向….等资讯。例如:宇宙射线中,能量高于10的20次方电子伏特的高能粒子,经过契伦柯夫辐射反应之后,产生的电磁波集中在「微波」波长的範围,那幺不可测的宇宙射线,就现身为人们可以观察的「微波」了。

观察宇宙射线的仪器

科学家观察宇宙射线的仪器中,选取让宇宙射线通过的「介质」材料有许多种,有的是水,有的直接用空气做为介质,也有用有机物…等等的材料。一群美国的科学家更想出,利用月球做为观测宇宙射线通过的介质,在介质中来找是否有有「契伦柯夫光」的产生,他们使用电波望远镜观测月球,并且预期当宇宙射线撞击到月球背面时,会在月球正面产生可观测到的契伦柯夫光。他们以月球为宇宙射线侦测器的想法,实在是很聪明。科学家满心期待在月球表土上,能找到契伦柯夫辐射反应,如果真的找到了,人们就可利用月球做为宇宙射线的侦测器了。

简单的宇宙射线探测器,分为三个部分,先由一个内有介质的「闪烁器」来接收宇宙射线。每当宇宙射线粒子穿闪烁器时,闪烁器内的介质便会受激发而放出蓝光及紫外光。光讯号再经「波长变换器」转换为波长较长的橙光,再传入「光电倍增管」将讯号加强。利用电脑程式,可记录宇宙射线的讯息,进行宇宙射线的强度测量。目前中央研究院计画让高中生参与宇宙射线的研究,将「闪烁器」做成约网球拍大小,学生将其插在操场上来观测,可以直接连线到电脑银幕上,可即时看到许多宇宙射线进入大气的情形。

世界各地观察宇宙射线的仪器

东京大学在岐阜神冈町建造一座蓄有100万公吨的纯水蓄水槽,来观察这些纯水是否会出现契伦柯夫辐射。在西藏的宇宙射线实验室,实验室大厅面积达1万平方米,内部已铺设5000平方米的地毯式宇宙射线探测器。阿根廷的宇宙射线观测站,由散布在安地斯山 3,000 平方公里荒凉地区内的 1,600 多个自动控制望远镜所组成。

宇宙射线研究的价值

宇宙射线观测对探索大气物理、核物理、太阳活动、无线通讯、伽玛射线源、高能粒子特性、天气变化等有重要意义。更进一步,透过对宇宙射线检测,也可来了解太阳和行星际磁场、测量反质子和质子比例..等。此外对生活上也有间接的价值。宇宙射线揭示许多物质和能量的奥秘,在得到线索的同时,就会有更多的发明,帮助人们的生活,例如:核磁共震的检查,可以透视人体内部的问题、新能源的开发与新的电子元件研发。

参考资料:
http://www.phy.cuhk.edu.hk/astroworld/c … scope.html
http://www.tas.idv.tw/
http://tech.china.com/

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