探讨超高能宇宙射线

     晏成和

《SCIENCE》杂志，发表了全世界最前沿的125个科学问题 。《科学前沿》在转载时扔下一句话：敢来挑战么？

关于天体物理的问题有4个，以下按原题号进行阐释。

29.超高能宇宙射线来自何处?

超高能宇宙射线来自太空，应该属于天体物理的问题。射线却是来自物质、来自原子核深处，所以还得回顾之前我们讨论的（五）（原子核的结构和衰减），回顾放射性元素原子核内放射出的三种射线带来了核内信息：

α射线，氦原子核的粒子流。

β射线，高速的电子流。

γ射线，频率极高的电磁波。

还要回顾大自然赋予核内质子伴生着专门的质子场，温习一下质子、电子在核内所形成的结构。核内质子对电子存在巨大的引力，导致了核内电子以极高的速率环绕质子运转，这才构成了氦核、构成了核元和中子。

中子：是一个电子在近距离环绕一个质子高速旋转，这种旋转是不稳定的，在核外只有15分钟的寿命。

核元：是一个电子在近距离环绕着2个质子高速旋转，这种旋转比较稳定。但是在核裂变时核内的中子、核元会分裂，释放出能量。

氦核：是是2个电子在近距离环绕4个质子高速旋转，这种结构是极为稳定，就是核爆炸也不分开。在核裂变时也是整体以α射线形式辐射出来。

放射性元素的原子核内放射出的三种射线，是核物理的常客。

γ射线，又称γ粒子流，是原子核内辐射出的频率极高的射线，是波长短于0.01埃的电磁波。这么高频率射线除了核爆炸只有在放射性实验室才能测到。在地球上的γ射线只能是中子、核元解体时极速运转电子所发出的电磁波辐射。而核内大量的氦核很牢固，不会解体。

在20世纪70年代美国军方在外太空的发现了强烈射线爆发，后来，在地球大气层外，偶尔也有发现超高能的宇宙射线光临。这些超高能γ射线来自哪里？人们依据它们均匀地来自空中的各个方向，判断它们来自外太空。

好奇的人类不禁要问：外太空也是许许多多的星系，跟我们的太阳系差不多，我们太阳系没有高能宇宙射线，外太空哪来的这些超高能宇宙射线？这些射线是如何形成、来自哪里?

我们仰望星空，星系、星座高挂，幽静而安宁、一遍祥和。这要感谢地球表面丰厚的大气层，把高能宇宙射线阻挡在地球之外。

天文望远镜和哈勃望远镜不时发来炫丽多彩的太空图片，人们把图片当做美景欣赏。这些图片还告诉我们：太空曾经发生比核爆炸还要剧烈亿倍天体重组、超新星爆炸，其温度、能量远远超过百万个太阳。在如此高温、高能的作用之下，那些稳固的在核爆炸中也不会解体的氦核解体了。

很多宇宙天体蕴藏着重元素，重核元素的原子核中有大量的氦核，比其核元、中子多几十倍，发生爆炸，氦核中两个电子极速环绕着四个质子运转解体，释放出来的能量极为巨大、超过太阳的几亿倍！巨大的能量促使更多的氦核连续解体，大量极速运转的氦核电子辐射出能量极高的γ射线，于是就形成了超高能宇宙射线。

γ射线的频率10^18-22 Hz，是高于1.5 千亿亿 赫兹的电磁波。

超高能宇宙射线往往包含着X射线，X射线比γ射线的频率略低，最大可能是在长距离传播过程中形成的频率衰减。

人们猜测超高能宇宙射线来自银河系之外，依据高能宇宙射线的密集和强度，这些射线也可能来自银河系内，毕竟银河系内有2000亿颗恒星，发生天体重组超新星爆炸的概率还是比较大。

                               2018/12/22