三强联手捕捉宇宙射线

来自超新星遗迹如面纱星云的宇宙射线将有助于解释恒星爆发。资料来源:美国航天局等。

国际空间站经常“努力”寻找科学目标并扩大其作为宇宙射线观测站的作用。一年之内，这两种新仪器将与一种叫做阿尔法磁谱仪的巨型探测器“合作”。AMS于2011年发射，由国际空间站搭载，用于搜寻暗物质及其起源。

马里兰大学帕克分校的天体物理学家恩淑说，国际空间站位于大气层之外，这是观察宇宙中高能粒子的理想地点。此外，她指出，运载火箭将定期去那里。“为什么不用它？”

AMS是一个大型项目，需要15亿美元和十多年的规划。然而，两个较小的实验——高能电子和伽马射线观测台(CALET)和ISS-CREAM——将以比AMS高几倍的能量和更低的成本测量宇宙射线。

高能宇宙射线是科学家观察宇宙物质发生什么的最佳机会——例如，恒星爆炸成超新星。陆基探测器可以观察到其他粒子撞击大气层时发出的耀眼光芒，从而间歇性地发现宇宙射线。天体物理学家希望在宇宙中的直接测量将使他们更清楚地知道到达地球的宇宙射线粒子的能量和类型。

由麻省理工学院物理学家丁肇中领导的研究小组宣布，他们已经利用原子力显微镜发现了弱相互作用大质量粒子存在的证据，而弱相互作用大质量粒子是暗物质的候选粒子。该设备也是目前最敏感、最复杂、最昂贵的暗物质探测设备。

尽管AMS是一种多用途探测器，可以在一定能量范围内测量电子、质子、核子和反物质，但新的实验将聚焦于此。8月19日，耗资3300万美元的CALET号从日本宇宙航空研究开发机构鹿儿岛县种子岛航天中心起飞，搭载在鹳鸟无人驾驶货船上。货船将于24日左右抵达国际空间站。空间站上的日本宇航员龟井将通过机械臂将斯托克货船与空间站对接。CALET将主要用于探测高能电子。这些电子在深空旅行中迅速失去能量，所以任何观察距离必须在几千光年之内。

" CALET可能会发现附近可以加速电子的来源."新泽西州特拉华大学的天体物理学家托马斯·盖瑟(Thomas Gaisser)说，他没有参与这个项目。这些来源可能包括超新星遗迹、高度磁化的旋转中子星(脉冲星)，甚至暗物质团。

ISS-CREAM将由美国空间探索技术公司于2016年6月发射，专门用于探测高能原子核。它们的组成将有助于揭示超新星未知的内部运作。"我们甚至还没有就恒星爆炸的原因达成一致意见。"德国马克斯·普朗克射电天文学研究所的理论天体物理学家彼得·比尔曼说，“宇宙射线是那里发生的一切的最好标志。”

新的实验还将集中于阐明暗物质的自然属性。一些模型预测，暗物质粒子在深空碰撞时会相互淹没，释放出电子和正电子。AMS已经证实，它目睹了出乎意料的大量正电子，这可能是类似反应的信号。CALET无法区分正电子和电子，所以它会在这两种高能粒子的总数中寻找剩余。

用这种方法探测暗物质将有助于科学家确定暗物质的某些特征，从而消除错误的理论并进一步识别它。然而，许多科学家仍然认为，没有争议地将正电子与暗物质联系起来是很困难的，因为其他来源如脉冲星也产生正电子。

另一个宇宙之谜是宇宙射线的神秘性质——“膝盖”特征。低能宇宙射线比高能宇宙射线更常见。当能量增加时，它们的数量会逐渐减少，然后在一定程度上急剧减少，其中一些类似于人体腿部弯曲。

科学家怀疑“膝盖”标志着超新星开始失去活力时的能量。原因是超新星的吸引力取决于粒子的电荷，拥有更多质子的原子核将能够达到更高的能量。ISS-CREAM将测试该模式是否支持。如果结论证明超新星在“膝盖”附近逐渐消失，那么更多高能宇宙射线必定来自更强的加速器，尤其是由超大质量黑洞支持的活跃星系。

总有一天，AMS、CALET和ISS-CREAM会有更多的伙伴。另一个国际空间站设备，日本太空极端天文台(JEM-EUSO)，计划于2021年发射。该设备将使用广角相机俯视地球，观察粒子雨发射的紫外线——超高能宇宙射线撞击大气层的产物。科学家们还希望JEM-EUSO能帮助他们确定宇宙射线的能量有多高，甚至追踪它们的来源，并最终回答宇宙起源的问题。

国际空间站被科学家誉为“超级飞行实验室”。它创造了人类历史上前所未有的空间研究条件，并配备了最先进的研究设备。它使在失重状态下进行长期科学研究成为可能，科学家可以在失重状态下进行材料科学、地球环境科学、宇宙科学等领域的研究。根据原计划，空间站的“退役时间”应为2024 ~ 2028年。然而，目前的宇宙环境非常不稳定。与过去相比，许多宇宙现象已经逐渐变得更加明显。最突出的一点是，宇宙射线的辐射强度大大增加，这大大干扰了国际空间站的正常运行。(张张)

《中国科学报》(国际版，第三版，2015年8月25日)

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