2016年11月30日

被地球阻擋在外的粒子― 宇宙射線

作者/黃崇源(國立臺灣大學物理系畢業,國立臺灣大學物理研究所碩士,美國加州大學柏克萊分校天文學博士。現為中央大學天文學研究所教授。)


宇宙射線對於未來太空旅行的發展與太空人的任務執行,是否為一項阻礙?(NASA)

現代人使用臉書或LINE,有時會收到一些奇怪的訊息,像是警告大家近日宇宙射線(cosmic rays)將入侵地球,提醒大家關手機並與手機保持距離。許多人大概都知道這是假的訊息。但宇宙射線究竟是什麼?它會不會影響手機或是傷害人體呢?為什麼會有這樣的謠言呢?

高空中的高能射線
在19 世紀末到20 世紀初期,人們發現空氣中除了中性分子外,總有部份帶電荷的離子。這種游離現象本來以為是來自地球表面的輻射物質所造成的。不過造成這些游離的物質或成因卻一直是個謎。為了解開這個謎團,在1912 年8 月7 日早上6 點12 分,一位奧地利的物理學家赫斯(Victor Hess)攜帶著三具靈敏的靜電計,與兩位同伴從易北河畔的粵西格(Aussig)搭乘熱氣球升空。赫斯的目的是要觀測大氣電荷與高度的關係。過了3、4 小時後,也就是在當天9 點45 分至10 點45 分之間,氣球抵達了這次飛行的相對高點,約5000 公尺的高空。本次飛行最高高度約到達5350 公尺。到了中午12 點15 分,氣球降落在距離柏林約50 公里處的匹斯可(Pieskow)而結束了這次劃時代的飛行。

赫斯在這項實驗中發現,隨著高度的增加,空氣中的電離程度也會跟著增加;而當氣球下降時,電離程度也跟著減少。他因此推論這些電離現象是因為來自大氣層外,具有強穿透力的射線所造成。因為這些高能射線是來自大氣層外的宇宙,因此在1920 年代,密立根就把這些高能射線稱為宇宙射線且為大家所接受。赫斯本人則因為他發現宇宙射線的貢獻而在1936 年獲得了諾貝爾物理獎。



赫斯的熱氣球實驗,觀察大氣電荷與高度的關係。

被誤用的名詞:「射線」
宇宙射線之所以被稱為射線,是因為一開始人們以為它是類似伽瑪射線的高能電磁輻射。但後來卻發現宇宙射線其實並不是電磁輻射,而是由接近光速的高能粒子所構成。這些高能粒子中,約99% 來自原子核,也就是游離的原子,1% 則是電子和正電子。在這些原子核中,90% 是質子,9% 是氦核,以及約1% 較重的元素。而正電子則約佔電子和正電子總含量的15%。

有人可能會好奇宇宙射線什麼時候會入侵地球呢?事實上宇宙射線幾乎佈滿整個星際空間。而我們地球,則隨時受都到宇宙射線的轟擊。幸好,我們地球有厚重的大氣層保護,因此大部份的宇宙射線都與大氣層作用而損失掉能量。但宇宙射線與大氣層的交互作用也同時會產生一些次級的粒子和電磁輻射。其中一些反應會產生中子,而這些中子(n)則可能會與大氣中氮氣反應而產生質子(p)與碳的放射性同位素碳14:14N + n → 14C + p。因為宇宙射線的強度大致固定,因此空氣中碳14 的含量會達到一個大致平衡的濃度。

植物吸收大氣中的二氣化碳進行光合作用,而動物則從進食植物或其它動物獲得碳。但當生物死亡後,生物的屍體不會再從空氣中吸收新的碳,生物屍體或化石中的碳14 含量便會因放射性衰變而減少。人們因此可以利用碳14 的含量來估計化石所生存的年代。因此如果沒有宇宙射線,或者宇宙射線的強度不是大致固定,我們就沒有碳14 定年法了。

穿梭宇宙的宇宙射線
宇宙射線除了會跟地球的大氣層作用外,當它穿越星際空間時,也會跟星際空間中的星際物質作用。比較宇宙射線的元素豐度跟太陽的元素豐度,我們會發現宇宙射線中的3He、Li、Be、B 等輕元素以及一些次鐵族元素像Ti、V、Cr、Mn 等的含量遠比太陽的含量多很多。其主要原因是因為高能的宇宙射線質子穿越星際空間時,它會與星際空間中的元素撞擊,撞擊的過程會讓原來較重的元素散裂成較輕的元素。例如,質子跟4He 撞擊就可能產生3He,例如,4He + p → 3He + p + n。而質子與碳或氧作用,則可能產生Be、B 等輕元素,而與鐵或鎳作用則可能產生一些次鐵族元素,其中一些反應會產生放射性的同位素,例如10Be。我們如果比較這些放射性同位素及其終極產物的比例,我們就可以推出宇宙射線在到達地球前所經過的時間。目前認為宇宙射線到達地球前,可能需要在星際空間穿梭約1000 萬年。

宇宙射線是以幾乎光速在前進,如果宇宙射線要經過1000 萬年才能到達地球,難道它們是來自1000 萬光年外的遙遠宇宙嗎?事實上因為銀河系中有很強的磁場,宇宙射線在銀河系中的傳播過程會受到磁場影響而偏轉。這種偏轉造成宇宙射線無法直線前進,而只能在銀河系中「擴散」移動。這種擴散速度是遠小於宇宙射線的速度,大概只有約萬分之一光速。因此一千萬年所能傳播的距離大概只有一千光年。這距離並沒有超出銀河系。所以除了部份極高能的宇宙射線外,大部份的宇宙射線應該都是起源於銀河系內。


因為宇宙射線可能充滿了整個銀河系的星際空間,因此當我們離開了大氣層的保護,我們便會受到宇宙射線的轟擊。在大氣層外面,一位太空人每秒大概會受到約5000 個質子轟擊,這些質子或離子的撞擊會造成人體DNA 的變異。短時間,人體可能還有辦法自動修復這些受損的DNA,但當長期暴露在宇宙射線的照射後,人體的修復功能可能就無法彌補DNA所受的損害,這會造成很高的基因變異和罹癌風險。事實上,宇宙射線很可能是未來人類從事長期星際旅行時,一個非常難以克服的障礙。......【更詳細的內容請見科學月刊第564期】

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