宇宙射线

 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，带着三台静电计，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。 

宇宙线大致可以分成两类：原生和衍生宇宙线。 来自太阳系外的天文物理产生的宇宙线是原宇宙线；这些原宇宙线会和星际物质作用产生衍生（二次）宇宙线。太阳在产生闪焰时，也会产生一些低能量的宇宙线。在地球大气层外的原宇宙线，确实的成分，取决于观测能量谱的哪些部分。不过，一般情况下，进入的宇宙线几乎90%是质子，9%是氦核（α粒子），和大约1%是电子。氢和氦核的比例（质量比氦核是28%）大约与这些元素在宇宙中的元素丰度（氦的质量占24%）相同。

其余丰富的部分是来自于恒星核合成最终产物的其它重原子核。衍生宇宙线包含其它的原子核，它们不是丰富的核合成或大爆炸的最终产物，原生的锂、铍、和硼。这些较轻的原子核出现在宇宙线中的比例远大于在太阳大气层中的比例（1:100个粒子），它们的丰度大约是氦的10。

这种丰度的差异是衍生宇宙线造成的结果。当宇宙线中重的原子核成分，即碳和氧的原子核，与星际物质碰撞时，它们分裂成较轻的锂、铍、硼原子核（此过程被称为宇宙射线散裂）。被发现的锂、铍和硼的能谱比来自碳或氧的更为尖细，这个值暗示有少数的宇宙射线散裂是由更高能量的原子核产生的，推测大概是因为它们是从银河的磁场逃逸出来的。散裂也对宇宙线中的钪、钛、钒和锰离子等的丰度负责，它们是宇宙线中的铁和镍原子核与星际物质撞击产生的（参见天然的背景辐射）。

即使卫星实验在原宇宙线中发现一些反质子和正电子存在的证据，但没有复杂的反物质原子核（例如反氦核）存在的证据。在原宇宙线中观测到的反物质丰度是符合它们也能由原宇宙线在深太空和普通物质撞击，在衍生宇宙线的程序中产生的理论。例如，一种在实验室中产生反质子的标准方法是以能量大于6GeV的质子去撞击其他的质子，而在原宇宙线中很轻易的就有许多质子的能量超过这个数值。无论是否在银河系中，当简单的反物质能够由这种程序产生时（不是在大气层的高层），它们仍可能传播遥远的距离抵达地球，而不会在星际空间中与其他的氢原子碰撞而湮灭。抵达地球的反质子特征是能量最多只有2GeV，显示它们产生的过程在基本上与宇宙线中的质子是截然不同的。

在过去，人们认为宙线的通量随着时间的推移一直是相当稳定。最近的研究显示，以1.5至2千年的时间尺度，有证据显示在过去的40,000年，宇宙线的通量是有变化的。

1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。

宇宙线亦称为宇宙射线，是来自外太空的带电高能次原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。射线这个名词源自于曾被认为是电磁辐射的历史。主要的初级宇宙射线（来自深太空与大气层撞击的粒子） 成分在地球上一般都是稳定的粒子，像是质子、原子核、或电子。但是，有非常少的比例是稳定的反物质粒子，像是正电子或反质子，这剩余的小部分是研究的活跃领域。

大约89% 的宇宙线是单纯的质子或氢原子核，10%是氦原子核或α粒子，还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子（像是β粒子，虽然来源仍不清楚），构成其余1%的绝大部分；γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。

粒子能量的多样化显示宇宙线有着广泛的来源。这些粒子的来源可以是太阳（或其它恒星） 上的一些程序或来自遥远的可见宇宙，由一些还未知的物理机制产生的。宇宙线的能量可以超过10E20eV，远超过地球上的粒子加速器可以达到的10E12至10E13 eV，使许多人对有更大能量的宇宙线感兴趣而投入研究[1]。

经由宇宙线核合成的过程，宇宙线对宇宙中锂、铍、和硼的产生，扮演着主要的角色。它们也在地球上产生了一些放射性同位素，像是碳-14。在粒子物理的历史上，从宇宙现中发现了正电子、μ和π介子。宇宙线也造成地球上很大部份的背景辐射，由于在地球大气层外和磁场中的宇宙线是非常强的，因此对维护航行在行星际空间的太空船上太空人的安全，在设计有重大的影响。

宇宙线大致可以分成两类：原生和衍生宇宙线。 来自太阳系外的天文物理产生的宇宙线是原宇宙线；这些原宇宙线会和星际物质作用产生衍生（二次）宇宙线。太阳在产生闪焰时，也会产生一些低能量的宇宙线。在地球大气层外的原宇宙线，确实的成份，取决于观测能量谱的哪些部份。不过，一般情况下，进入的宇宙线几乎90%是质子，9%是氦核（α粒子），和大约1%是电子。氢和氦核的比例（质量比氦核是28%）大约与这些元素在宇宙中的元素丰度（氦的质量占24%）相同。 

2022年10月14日，，基于其收集到的前六年观测数据，“悟空”号国际合作组获得了10 GeV/n到5.6 TeV/n能段的B/C和B/O的精确测量结果（图）。这是国际上首次实现对1 TeV/n以上B/C和B/O进行精确测量，能量上限比阿尔法磁谱仪（AMS-02）实验高出5倍。“悟空”号的探测结果表明，在宽能段范围内B/C和B/O明显偏离单一幂律分布的行为特征。 [7]

2024年2月26日，中国科学院高能物理研究所发布，我国科研人员通过位于四川稻城的高海拔宇宙线观测站（LHAASO，“拉索”）在天鹅座恒星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线泡状结构，并在国际上首次认证了能量高于1亿亿电子伏特的宇宙线的起源天体。该成果北京时间2月26日以封面文章的形式在学术期刊《Science Bulletin》（《科学通报》）发表。 [9]

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。

约在46亿年前，地球刚从太阳星云中形成。初生的地球，固体物质聚集成内核，外周则是大量的氢、氦等气体，称为第一代大气。 

那时，由于地球质量还不够大，还缺乏足够的引力将大气吸住，又有强烈的太阳风（是太阳因高温膨胀而不断向外抛出的粒子流，在太阳附近的速度约为每秒350～450公里），所以以氢、氦为主的第一代大气很快就被吹到宇宙空间。地球在继续旋转和聚集的过程中，由于本身的凝聚收缩和内部放射性物质（如铀、钍等）的蜕变生热，原始地球不断增温，其内部甚至达到炽热的程度。于是重物质就沉向内部，形成地核和地幔，较轻的物质则分布在表面，形成地壳。

初形成的地壳比较薄弱，而地球内部温度又很高，因此火山活动频繁，从火山喷出的许多气体，构成了第二代大气即原始大气。

原始大气是无游离氧的还原性大气，大多以化合物的形式存在，分子量大一些，运动也慢一些，而此时地球的质量和引力已足以吸住大气，所以原始大气的各种成分不易逃逸。以后，地球外表温度逐渐降低，水蒸汽凝结成雨，降落到地球表面低凹的地方，便成了河、湖和原始海洋。当时由于大气中无游离氧（O2），因而高空中也没有臭氧（O3）层来阻挡和吸收太阳辐射的紫外线，所以紫外线能直射到地球表面，成为合成有机物的能源。此外，天空放电、火山爆发所放出的热量，宇宙间的宇宙射线（来自宇宙空间的高能粒子流，其来源目前还不了解）以及陨星穿过大气层时所引起的冲击波（会产生摄氏几千度到几万度的高温）等，也都有助于有机物的合成。但其中天空放电可能是最重要的，因为这种能源所提供的能量较多，又在靠近海洋表面的地方释放，在那里作用于还原性大气所合成的有机物，很容易被冲淋到原始海洋之中。

虽然当宇宙射线到达地球的时候，会有大气层来阻挡住部分的辐射，但射线流的强度依然很大，很可能对空中交通产生一定程度的影响。比方说，现代飞机上所使用的控制系统和导航系统均有相当敏感的微电路组成。一旦在高空遭到带电粒子的攻击，就有可能失效，给飞机的飞行带来相当大的麻烦和威胁。

还有科学家认为，长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。这种观点认为，温室效应可能并非全球变暖的惟一罪魁祸首，宇宙射线有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。这些科学家的研究认为，宇宙射线水平的变化可能是解释这一疑难问题的关键所在。他们指出，由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来，形成的带电离子可以引起水滴的凝结，从而可增加云层的生长。也就是说，当宇宙射线较少时，意味着产生的云层就少，这样，太阳就可以直接加热地球表面。对过去20年太阳活动和它的放射性强度的观测数据支持这种新的观点，即太阳活动变得更剧烈时，低空云层的覆盖面就减少。这是因为从太阳射出的低能量带电粒子（即太阳风）可使宇宙射线偏转，随着太阳活动加剧，太阳风也增强，从而使到达地球的宇宙射线较少，因此形成的云层就少。此外，在高层空间，如果宇宙射线产生的带电粒子浓度很高，这些带电离子就有可能相互碰撞，从而重新结合成中性粒子。但在低空的带电离子，保持的时间相对较长，因此足以引起新的云层形

此外，几位美国科学家还认为，宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。他们认为，某一阶段突然增强的宇宙射线很有可能破坏地球的臭氧层，并且增加地球环境的放射性，导致物种的变异乃至于灭绝。另一方面，这些射线又有可能促使新的物种产生突变，从而产生出全新的一代。这种理论同时指出，某些生活在岩洞、海底或者地表以下的生物正是由于可以逃过大部分的辐射才因此没有灭绝。从这种观点来看，宇宙射线倒还真是名副其实的“宇宙飞弹”。