宇宙射线：宇宙中最危险的超级子弹？可达光速99.9999999999999999999%

我们都知道，宇宙中充满了危险。

如果要列出宇宙的危险清单，那将是一个很长的清单。

比如：宇宙中有严酷的真空；巨大的温度波动；大大小小的陨石；以及各种各样的危险东西……

在所有危险的东西中，科学家们认为，宇宙中最危险东西是宇宙射线。

当你听到宇宙射线这个名词时，你可能会认为它像一束光，或像一束激光。

如果是这样认为的，那么你就大错特错了。

【宇宙射线的种类】

宇宙射线是一种微小的死亡粒子，这种粒子非常危险。

它有很多种，就像子弹一样有很多种。

在光谱的最底层是太阳宇宙射线，它来自我们的太阳。

这些就像是BB弹，当BB弹击中你时可能会有点刺痛，但你不会太担心。

然而银河宇宙射线就不是那么简单了，它们的速度更快，能量更充沛。

如果太阳射线像BB弹有话，那么银河宇宙射线就像是步枪子弹，它们要危险得多。

当然这种宇宙射线比较罕见。

除了以上两种，还有更快速度的是宇宙射线——超高能宇宙射线。

如果你认为银河宇宙射线已经很糟糕了，那是因为你没有遇到过超高能量的宇宙射线。

超高能宇宙射线才是宇宙中最大、最坏、最恶劣的宇宙射线。

这些超高能量宇宙射线就像高超音速导弹。

它们是来自宇宙中最活跃的事件。

这种宇宙射线最罕见的，这些神奇的粒子，它们的运动速度非常接近光速。

也许你觉得99%的光速已经是非常接近光速了，那么你大错特错了！超高能宇宙射线在空间中的速度是光速的99.9999999999999999999%。

一共有21个9！它们是宇宙怪兽，非常可怕！

一艘火箭，如果到达50%光速，质量会提升15%；到达86%光速，质量提升100%；到达99%光速，质量提升700%；到达99.999%光速，质量猛增22400%。

越接近光速，物体质量的增长越快，理论上消耗整个宇宙的能量，都无法让有质量的物体到达到光速，所以这个21个9意味着消耗的能量是非常惊人，是人类所无法想象的能量。

宇宙射线每时每刻都在我们太阳系中穿梭。

如果在宇宙中举起一个高尔夫球，每秒钟几乎有100条宇宙射线穿过这个球。

这是一场致命的粒子子弹冰雹。

【宇宙射线威胁着宇航员】

在宇宙中，我们的宇航员普被困在这交叉火力之中。

宇宙射线是人类宇宙星际旅行的最大危险之一。

美国宇航局计划将宇航员送回月球，在那里宇宙射线的辐射强度是地球上的200倍。

另外，美国宇航局的另一个大目标是将人类送上火星，这是一段漫长的旅程，至少需要6个月，通常需要9个月左右。

这就有了一个大问题，在这么长的旅途中，宇航员怎么避免宇宙射线的攻击？

科学家们对宇宙射线的研究越是深入，就越是知道它的威胁有多大，所以美国宇航局和其他空间组织需要研究怎么在这些非常危险的情况下保护他们的宇航员。

不过在古代上已经有一组人员曾暴露在这种高水平的宇宙射线中。

那就是1969年7月的阿波罗任务的宇航员。

1969年7月登陆月球的阿波罗11号任务

其中一名宇航员叫巴兹奥尔德林，看到了奥秘的东西。

当他环顾四周时，有时会看到微小的闪光，这很奥秘，但更奥秘的是，他闭着眼睛也能看到闪光。

后来的任务也报告说看到了奥秘的闪光。

宇航员将闪光描述为斑点、条纹和云。

阿波罗15号指挥官大卫斯科特报告说：“他看到了一颗蓝中带白的流星，就像一颗蓝钻石。

”

其实发生的情况是一束宇宙射线进入眼球，然后撞击分子，并发出一道闪光。

另一种理论是，它触发了你视网膜中的敏感细胞层，所以可以感知到一束光，尽管实际上并不存在光。

宇宙射线会造成长期的损害。

在眼睛的晶状体内部有些透明的纤维细胞，当宇宙射线穿过这些细胞时，它会破坏这些细胞，使它们浑浊，并最终导致白内障。

当美国宇航局检查宇航员的头盔时，他们发现了蚀刻在头盔上的微小痕迹，这是宇宙射线撞击的证据。

当科学家们说宇宙射线就像微小的子弹时，绝对不是在开玩笑。

其中一些穿透了头盔，这意味着它最终进入了宇航员的大脑。

研究表明，长期的辐射会对大脑在最危险的环境中思考和解决问题的能力产生影响。

当离地球越远，面临的危险就越大。

所以，高能的空间粒子可能是人类宇宙探索的最严重威胁。

在好莱坞的电影中，对外宇宙的概念是充满了危险，比如外星人挥舞着射线枪、黑洞或小行星阵雨等。

但实际上，宇航员面临的最大危险是无形的宇宙射线。

暴露在宇宙射线中只是几天的时间，就已经损坏了阿波罗号宇航员的眼睛，去火星的单程旅行需要九个月，未来的任务，将在宇宙中花费更长的时间。

这意味着我们真的需要考虑宇宙射线对我们的影响。

【宇宙射线射线会危害人体处于良好的状态】

为了进一步研究，科学家们用人造宇宙射线粒子轰击人类细胞。

他们发现宇宙射线从物理上切割DNA，将其分解。

要知道，细胞内的DNA损伤是最严重的一种伤害，因为你的DNA是细胞的操作手册，是细胞知道怎么正常运作的蓝图。

一旦DNA损伤，它可以触发细胞变成肿瘤，并开始产生癌症。

宇宙射线破坏DNA示意图

2019年，科学家们进一步进行了实验，模拟了一次火星之旅……

在六个月的时间里，他们用实验室创造的宇宙射线粒子持续不断地攻击这些啮齿动物。

实验发现老鼠的正常行为发生了深刻的变化。

它们学习新任务的速度会变慢很多，它们的记忆受到影响，它们会忘记已经学过的东西。

它们更焦虑，更容易放弃它们通常会完成的任务。

如果你把一些受辐射的老鼠放到游泳测试中，发现它们并没有试图游到安全的地方，许多老鼠只是简单地放弃了。

实验结果显然非常糟糕。

因为在将来的人类宇宙探索任务中，我们需要宇航员在任务中能够充分发挥作用。

至于为何一定要执行载人任务，是因为人类的大脑比任何计算机都要好得多。

如果他们中有一个人出了问题，这甚至会使任务和他们的生命处于危险之中。

其他研究发现，宇宙射线会加速衰老，改变基因，并导致心血管疾病。

【宇宙射线还会损坏电子系统】

这听起来已经够糟糕的了，但还有一个更迫在眉睫的危险。

当宇宙射线穿透宇宙飞船时，它们会烧毁电子系统，这足以危及任务。

我们宇宙任务的运作依赖电子设备，依赖计算机。

一旦错误的宇宙射线，在错误的时间到达错误的电路，并导致一系列的故障，最终完全危及任务。

这是最可怕的情况。

大家都看过哈勃宇宙望远镜拍摄的美丽宏大的宇宙图片，其实这些图片都不是原始图像。

如果你看到了是原始图像，就会发现它看起来并不像那些向公众展示的非常美丽的图像。

原始图像受到了宇宙射线干扰，并且这些宇宙射线会随着时间的推移慢慢摧毁探测器。

哈勃宇宙望远镜拍摄的美丽宇宙图片

哈勃宇宙望远镜拍摄的原始宇宙图片

那么我们怎么保护宇航员和他们的设备呢？显而易见的答案是增加屏蔽。

可是，这事说得容易，实际可没那么简单。

大家都见过火箭发射，应该知道火箭发射有多困难，把东西送上宇宙有多贵？可以说，每公斤、每克都要进行计算，每一样东西都要充分利用。

所以说，当我们在电视上看到航天员在喝水或吃饭，我们应该知道他们喝的水或吃的饭都是“含金量”十足阿。

关于怎么屏蔽，也许大多数人想到的就是在飞船上加装防护罩。

对于太阳宇宙射线，那么的B探网确可以用一些材料，一些屏蔽物，通常会挡住它们。

但更高能量的射线，就像更强的子弹能穿透盔甲一样，更强的宇宙射线也能穿透宇宙飞船的防护罩。

而且更糟糕的是，如果宇宙射线击中了保护宇航员的屏蔽层中的一个原子，就会产生大量粒子。

一个辐射粒子可能大概率不会击中宇航员的任何细胞，但现在，宇宙射线却变成了一场爆炸，它会粉碎飞船里的一切。

所以原来的屏蔽却变成了宇宙射线用来对付飞船的武器。

【宇宙射线的威力到底有多大】

前面说过，宇宙射线是一种微小的粒子。

那么这种比原子还小的物体怎么携带足够的能量对宇航员构成威胁呢？

我们知道，移动的物体都携带有能量，我们称这之为动能。

当它们撞击物体时，它们会转换能量。

比如当我们鼓掌时，我们手掌的动能就会转换成声音，热和振动。

宇宙射线也是如此，当它们撞击人类的脑细胞或电脑芯片时，会释放一些能量，并造成损害。

伤害的大小取决于它们的动能，而动能取决于两件事——质量和速度。

以相同速度运动的物体，如果它们质量更大，就会携带更多的能量。

所以一个更大的小行星撞击地球会比一个较小的小行星造成更大的破坏。

如果把一个物体的质量翻倍，它的动能也翻倍。

所以质量很主要，但相比于速度，则速度比质量更主要。

因为，根据动能方程：E=1/2mv。

m为质量，v为速度。

这就意味着动能取决于速度的平方，即质量翻倍，动能翻倍，但速度翻倍，动能却会翻四倍！

1991年，科学家们探测到的一束超高能宇宙射线以极快的速度撞击了大气层，科学家称其为“Oh My God粒子”。

Oh My God粒子概念图

这个粒子的能量比任何人想象的要高得多。

在犹他州的天空出现这条荧光条纹之前，没有人相信一个粒子能够以如此接近光速的速度到达地球，这使得宇宙射线粒子比预期的要危险得多。

当接近光速时，能量、动量、质量就会呈现出与以往不同的作用。

爱因斯坦的相对论方程变得非常主要，因为物理发生了变化，它产生的能量变得非常非常强。

如果一个粒子以接近光速运动，这意味着它的能量几乎达到了物理定律允许的最大值。

一个质子这么小的东西，以如此之快的速度运行，它所携带的能量相当于一个以每小时100英里约160公里的速度抛出的棒球所携带的能量。

一个棒球含有超过一万亿的质子，想象一下一个粒子携带的所有能量有多惊人了！

当然，像“Oh My God粒子”这样的超高能量宇宙射线是十分罕见的。

宇航员不太可能被它们击中，当然如果真的被击中了，那就像是“彩票中奖”了。

所以，在宇宙中旅行的宇航员面对的宇宙射线，主要是来自太阳的太阳宇宙射线，它们就像BB球一样，但数量丰富。

对于这类宇宙射线，我们的宇宙飞船可以阻挡它们，所以不需要担心。

对于宇航员来说，最大的威胁是银河宇宙射线，它们来自银河系的其他地方。

它们的速度和频率使它们成为最危险的射线。

这些银河宇宙射线比太阳宇宙射线要强大得多。

所以对付这些银河宇宙射线的确比较头疼。

不过，另人意想不到的是，我们有一个盟友，就是太阳系的守护者——太阳。

太阳除了能释放出高能的太阳宇宙射线粒子外，太阳也会释放出大量低能量的太阳风粒子。

向外移动的太阳风就像一个力场，宇宙射线必须逆流而上才干到达这个泡泡深处的地球。

太阳风在太阳系周围延伸了110亿英里约177亿公里，产生了一个超大磁场排斥来袭的银河宇宙射线。

它几乎就像电影《星际迷航》中的飞船，进取号星舰的护盾。

因此，太阳磁场在一定程度上保护着地球和宇航员免受入射辐射的伤害。

不久之前，我们的旅行者号宇宙飞船到达了太阳气泡和星系之间的边界，并让科学家们能够研究那里的区域，并看到了太阳气泡内部和太阳气泡外部的区别。

旅行者号宇宙探测器发现了一个移动的战场。

太阳风的行为有点像地球上的风暴的前锋，有时，它会前进，有时，则撤退。

所以，对于宇航员来说，在太阳活动更频繁的时期，执行火星任务会更安全，因为尽管会有更多的太阳粒子辐射，但实际上，会得到更好的太阳风屏蔽效果。

太阳活动经历了一个以11年为周期的高潮和低谷，保护气泡遵循同样的周期。

所以这可以让美国宇航局预测最安全的发射时间 。

【银河宇宙射线从哪里来】

那么银河宇宙射线到底是从哪里来的？首先它们肯定是由银河系内部的某种强大物质产生的。

也许，你会觉得源头应该很容易探测到，如果其中一个击中了地球上的探测器，我们就能以一条直线顺藤摸瓜找到发射的源头，然后说：“它来自那里”。

然而实际情况并没有那么简单，因为，宇宙射线在磁场中移动时会弯曲。

宇宙射线上有电荷，会让它像一块小磁铁，而银河系充满了各种磁铁。

一束穿过星系的宇宙射线，每遇到一个磁场时，都会稍微改变方向，当穿过很多个磁场后，轨迹就会变得混乱。

大约几百万年后，宇宙射线起源的所有信息基本上都找不到它们各自的各种实际源头。

宇宙向着一个完全随机的方向发展。

但是银河系的宇宙射线也有一个伙伴，一种远不那么难以捉摸的东西——伽马射线。

当一束银河宇宙射线撞击宇宙中的普通原子时，就会引起这种剧烈的反应。

它会发射各种其他粒子，包括伽马射线。

伽马射线实际上是一种能量极高的光子，主要的是，伽马射线不会被磁场弯曲，因为它们不带电荷。

所以它们只是沿着宇宙射线最初移动的方向直线移动。

所以科学家们只要回头看看伽马射线从哪里来，就可以知道哪里有很多宇宙射线发生碰撞。

正在基于这个原理，科学家们找到了产生宇宙射线的头号“嫌疑犯”——超新星。

超新星是宇宙中最强大的爆炸之一，所以它们为产生这些高能量、极快的粒子提供了成熟的理论基础。

当一颗巨太阳耗尽燃料时它就无法支柱自身的重量，它向内坍缩引发了巨大的爆炸，其威力足以将原子粉碎成微小的碎片。

爆炸释放出膨胀的气体和尘埃云就是超新星的残骸。

超新星会产生难以置信的强大冲击波，冲击波可能就是粒子被卷入其中并加速的地方。

超新星残骸内部的宇宙射线很像弹球机，冲击波作为挡板，磁场就是弹球机中的各种弹力装置。

宇宙射线就在这种能量惊人的冲击中来回地反弹，它们每一次的来回反弹都会让它们获得更多的能量，当银河宇宙射线获得足够的能量时，磁场就没有能力再把它留住了，它就会逃逸出去。

超新星理论解释了许多宇宙子弹的诞生。

但后来科学家们又发现了一种超级伽马射线，它非常强大，所以科学家们认为，它的起源肯定不是超新星。

由于伽马射线的能量非常高，所以这意味着宇宙射线的能量也非常高。

就好像朝弹球机发射子弹，它无法来回弹跳，直接突破机械装置。

所以它们不可能在“弹球机”内一直弹跳，直到达到它们现在的能量。

银河系中一定还有别的东西，在创造银河宇宙射线。

那么比超新星更强大的东西，是什么呢？

2021年1月，在一个位于墨西哥火山一侧的瞭望台，蓝光穿过了水箱。

这是伽马射线进入的迹象，它们的踪迹横跨银河系，跨越数十亿英里。

这条轨迹并非源于巨大的爆炸而是终结于寒冷稀疏的尘埃云。

分子云，乍一看似乎是宇宙中最无聊、最无害的地方之一。

如果没有红外望远镜，你几乎看不到它们。

它们不像超新星那样，具有极高的能量。

所以你不会期望它能产生超能量粒子。

所以云里一定藏着什么东西，某种强大到足以加速宇宙射线的东西。

但科学家们完全不知道是什么，因为无法看到分子云的内部。

猜测可能是有一些新生的星团在产生这些宇宙射线。

但科学家们不能确定，即使最古怪的太阳是否有能力在这些能量下产生宇宙射线。

仅仅两个月后，也就是2021年3月，科学家们又得到了一条线索，他们探测到来自天鹅座茧状星云的伽马射线。

这是一个稠密的分子云，但中心是一个空洞，数百颗紧密排列的太阳推动着尘埃和气体，包括被称为光谱型为O和B的巨大璀璨太阳。

光谱型为O和B的太阳，是我们宇宙中最热的太阳。

大质量太阳喷出的太阳风，比我们的太阳产生的风要强大得多。

所有这些太阳一起形成时，它们都在从它们的表面吹出一股高能粒子风。

这些风相互碰撞，在这些年轻太阳之间形成巨大的激波结构。

从来自不同方向的不同太阳风中获得了非常多的能量，以至于形成了一团沸腾的冲击波和磁场。

这是一个规模巨大的“弹球机”——磁场比超新星的磁场更加强大。

捕获和加速更有能量的宇宙射线的时间也更长。

关于星团，有一点很主要，就是它们存在了数百万年，而不像超新星那样是一次性事件。

所以这些磁场和冲击波在很长一段时间内一直发生着，这可能就是加速宇宙射线的东西。

【超高能量宇宙射线的来源】

既然分子云可能会发射星系宇宙射线，那么是什么发射了高超音速空间导弹，即超高能量宇宙射线呢？

超高能量宇宙射线是粒子世界中的高超音速导弹，如果光线中的光子是宇宙中速度最快的东西，那么超高能量的宇宙射线与之相比，它将非常接近。

如果光子与超高能量的宇宙射线同时从一点出发，20万年后光子只会领先半英寸。

我们的星系有10万光年宽，离我们最近的星系在两百万光年之外，所以它们穿越数百万到数十亿光年来到我们这里。

这么小的粒子是如何把它加速到如此疯狂的速度？动力源是什么？宇宙中什么东西有这种能力？

它们的速度让它们很危险，但也让它们更容易找到源头。

由于超高能量的宇宙射线移动得非常快，以至于它们真的不如何受磁场的影响。

所以它们大多是直来直去的，当它们沿直线运动时，科学家们可以很容易指向它们的源头。

在阿根廷沙漠，皮埃尔奥格宇宙射线探测器完成了对天空长达12年的研究。

它证实了大多数星系的中心都有一个超大质量的黑洞。

但只有少数是活跃的，并释放出能量，这些活跃的超大质量黑洞会喷发出超高能量的宇宙射线。

正因为超大质量黑洞非常强大，所以科学家们认为，超高能量宇宙射线可能起源于超大质量黑洞是有道理的。

M87星系距离我们5400万光年，它之所以出名，是因为我们在它的中心拍了一张超大质量黑洞的照片。

M87星系的超大质量黑洞

从照片中所见，中心黑洞周围有漩涡状气体。

看不到的阴影那里可能就是宇宙射线高能加速的地方。

2021年3月，科学家们进一步分析了数据。

M87的新图像

这张M87的新图像显示出非常清晰的磁场线。

科学家们认为，超大质量黑洞能够加速如此巨大能量的宇宙射线的一种可能性是，它们实际上是通过自身的引力，拖曳或捕获先前存在的能量已经非常高的正常宇宙射线，然后给它们额外的推动，使其获得更高的能量。

超大质量黑洞会弯曲其周围的时空结构，即使是很轻粒子也会被卡住。

宇宙射线也不例外，它们也会被超大质量黑洞吸引，并被吸引到它们的轨道上。

但这些粒子是怎么逃脱黑洞的魔爪并冲向我们的呢？

M87的武器库里有一件可怕的武器，巨大的能量正在从两极喷涌而出。

M87的喷流大得惊人，比整个星系都大。

强大的喷射可能会给宇宙射线一个速度注入，把它们从银河步枪子弹变成超高能量的高超音速导弹。

所以想象一下，如果你有一颗普通的子弹从枪里高速射出，当它飞行时，子弹里的一个小火箭发动机启动并使它达到更高的速度。

这就是喷流中宇宙射线的情况。

【宇宙射线会对地球产生影响吗】

既然在宇宙中，宇宙射线很危险，那么生活在地球的我们需要为此担心吗？

科学家们认为，我们完全无需担心，我们是受保护的。

在太阳系所有的岩质内行星中，地球是唯一一个能产生自己的偏转罩来抵御宇宙射线的行星，这也是生命存在的原因探网。

地球创造了自己的磁场，宇宙射线是带电的，它们会沿着磁场运动，所以我们的磁场使周围的宇宙射线偏转。

但盾牌并不完美，一些宇宙射线确实穿过了地球，但之后它们撞上了我们的第二道防线——大气层。

我们的大气层——它不仅给了我们呼吸的空气而且保护我们不受这些宇宙子弹的伤害。

大气层就像一个导弹防御系统，宇宙射线与空气分子碰撞粉碎成更安全、更小的粒子，最常见的是介子。

介子是宇宙射线的产物，它们是由上层大气中的高能碰撞产生的。

这些碰撞产生了大量介子，然后这些介子降落到地表。

如果你伸出手，那么，每秒钟有多达4条这样的宇宙射线穿过你的手。

介子的数量非常多，我们甚至不需要高科技的天文台就可以探测到它们。

在桌面放一小块毛毡，放一些干冰，再在上面铺上一层扁平金属。

然后准备一个鱼缸，在鱼缸中倒一些异丙醇。

接着把鱼缸翻转过来盖在铺有金属的干冰上。

此时，鱼缸里的酒精在下沉的过程中蒸发了，因为底层的干冰非常冷，于是形成了一个超饱和的酒精蒸汽云。

当带电粒子穿过寒冷的蒸汽时它们会产生微小的幽灵般的痕迹。

云室中的每一根银线都是宇宙射线的标志。

酒精蒸汽云中介子的痕迹

按道理，这些介子根本不可能到达地球，因为它们在分解前只能存活2.2微秒，不足以穿越10公里的地球大气层。

也就是说介子不可能从高层大气到达我们现在所处的位置而不衰变。

然而事实并非如此，因为子以98%的光速运动，它们移动得非常快，经历了爱因斯坦所说的时间膨胀。

爱因斯坦告诉我们，我们生活在时空中，这意味着所有对时间长度和持续时间的测量都是相对的。

从介子的角度来看，我们人类移动得非常缓慢。

由于它们移动得非常快，以至于对它们来说，时间被拉长了。

通过测量介子的能量和寿命，科学家们发现当介子接近光速时它们的寿命就会增加，因为对它们来说，时间在变慢，就像爱因斯坦预测的那样。

从我们的角度来看，它们的寿命延长了20多倍，所以它们能够着陆。

【宇宙射线的价值】

宇宙射线是终极的宇宙旅行者，它们令人惊叹的速度可以让科学家们测试我们的物理理论。

它们的能量比我们在地球实验室里所做的任何实验都要多。

在最极端的能量下，可以开启各种各样的物理学新领域。

它们是我们到达宇宙最深处的最佳途径。

因为它们是来自遥远的太阳，遥远的星系，科学家们借此可以研究它们，解开宇宙中有很多令人惊讶的剧烈事件，比如黑洞的诞生、太阳的爆炸等等。

这些正在穿过你身体的宇宙射线是这些事件的信使。

在某种程度上，你正在与那些数百万光年之外的事件联系在一起。

这些是来自宇宙的信使告诉我们它是怎么运作的。