Cosmic Ray

http://www.phy.cuhk.edu.hk/astroworld/cosmic/prod/ The Alberta Large-area Time-coincidence Array (ALTA,CA)

本計劃將仿傚加拿大的  ALTA計劃，在全港多處不同地點興建三十六個宇宙射線探測器，其中三十三個分別安裝在十一間參加這項計劃的中學內，而同學們將學習收集和分析量度所得的數據，然後由中文大學物理系─宇宙射線望遠鏡的核心監測站─檢視是否有「宇宙射線簇射」的發生。同時，香港太空館展覽廳內亦會安放一組宇宙射線探測器，並輔以詳細的說明，希望藉此提高公眾人士對這項計劃的瞭解和科學技術的興趣。我們會先在中文大學物理系裝配探測器的原型，然後再在香港太空館和中文大學進行試驗，嘗試以兩個探測器作同步探測，而其餘的探測器將在所有測試完成後安裝在參與這項計劃的中學內。我們估計整個探測器安裝過程需時兩年才可完成；而中文大學物理系已承諾支持這項計劃未來五年內的運作。除提供技術上支援外，中文大學物理系亦會協助老師們設計與宇宙射線望遠鏡相關的學生習作。同時，我們計劃為參加這項計劃的老師、同學和技術員定期舉辦一些研習班和工作坊，並探訪各中學及與參與計劃的同學見面和討論。 

天然輻射來源•環境中的天然背景輻射：

–由宇宙射線和–來自陸地上的放射性核種的輻射組成 。

•由外太空來的原始宇宙射線，通過大氣層時，與空氣產生核反應，引起二次宇宙輻射，成分十分複雜。

•陸地上的天然放射性核種，則是在地球起源時期形成，以釷 232 系、鈾 238 系及單一核種鉀 40 為主

宇宙輻射• 一次宇宙射線的成因，大致可分為：

銀河系內產生的銀河宇宙射線和太陽宇宙射線兩類。

• 銀河宇宙射線由 83％質子、 16％阿伐和其他荷電粒子、高能電子、光子、中子等組成，稱之為一次宇宙射線。

• 一次宇宙射線射入大氣中，帶著高能的粒子與空氣中的原子核引起散裂反應產生：中子、質子、介子等基本粒子及氚、鈹 7、鈹 10、碳 14、鈉 22等反應生成物

太陽宇宙射線輻射• Solar Cosmic Rays

• 極大部分是低能的質子（ <100MeV）• 這些質子是在日輝期間的爆炸中從太陽輻射出來

• 因此一般都在 11年的太陽迴圈週期達到最大值的幾年中才發生太陽宇宙射線輻射。

太 陽 宇 宙 射 線• 隨著太陽爆發現象的發生，太陽也間歇地產生高能帶電粒子流。這些與太陽爆發相關粒子叫做太陽高能粒子或者太陽宇宙射線（ SCR）。

• 太陽宇射線是太陽爆發期間從太陽活動區噴射出來的高能粒子流，因其主要成分是高能質子，故稱太陽質子事件。

• 太陽宇宙射線的發生是隨機的，並有幾天持續時間，在太陽活動高年出現更頻繁。 

太陽宇宙射線通量• 太陽活動 11年為 1個週期，其中 7年為太陽活動高年，

4年為太陽活動低年。• 一般大的太陽耀斑發生在太陽活動高年，每個太陽活動周中，約有 1～ 3個特大的太陽耀斑發生，平均每年發生 10個左右的大太陽耀斑。

• 當太陽活動處在極小年附近時，太陽幾乎不發射太陽宇宙射線粒子，

• 在太陽活動高年較多。在太陽活動的 11年週期裏，當太陽活動有極小年附近時，太陽宇宙射線粒子幾乎看不到，

• 而當太陽相當活躍的時候（通常太陽黑子數在 50以上），在月球附近任何位置都可以看到太陽宇宙射線粒子。   來源：《月球科學概論》 

太陽宇宙射線能量與速度• 太陽宇宙射線可以在日冕磁環或行星磁場被加速，太陽宇宙射線粒子通常在一天內就可以到達地月空間。

• 在爆發一次大的太陽耀斑之後， 0.5～ 1MeV的電子能夠在幾十分鐘到幾十小時內到達 1Au的地方，能量 20～ 80MeV的太陽質子在 10小時內就可能到達，一些高能太陽宇宙射線粒子甚至能夠在不到 20分鐘就可以從太陽西半球耀斑發生區到達。

• 對於多數太陽耀斑，約 10～ 100keV的低能粒子的能到達地球，非常大的耀斑可以使電子和高能核子接近光速。

廣延空氣簇射 EAS• EAS(Extensive Air Shower )是高能宇宙射線進入地球大氣層的現象。

• 當宇宙射線與大氣層的空氣粒子相互作用，產生若干粒子；

• 而新生粒子又再產生更多粒子。• 此複合過程稱為粒子級聯 ,它有如一塊擴展中的薄餅，以近乎光速行進。

粒子產生和數量示意圖 由光子引發的空氣簇射包含電子（ e-）、反電子（ e+）和  g 射線；而由核子引發的則包含 m 子、中微子 ( n)和重子（即質子（ p）、中子（ n）和  p 介子）。除 m 子和中微子外，大部份簇射粒子都會被吸收而無法到達地面。

空氣簇射示意圖a）宇宙射線—接近光速行進的原子核—     以相對論式的型態撞擊大氣層高處的氣體原子核。入射粒子的大部份能量會轉化為亞原子粒子。它們會再與其他空氣粒子猛烈碰撞，繼而產生「簇射」

b）碰撞級聯初期的粒子位於稀薄的大氣層高處，僅低於真空中的光速而行進，發出切倫科夫輻射。

c）當初期碰撞中產生的粒子撞擊大氣的原子核，它們的能量會產生其他粒子和高能輻射。根據動量守恆，大部份產生出來的物質會沿著原始粒子的方向行進，但生成的光子卻會射向四面八方。

d）經過空氣簇射的產生，宇宙射線的能量在破壞原子結構中耗散掉，當中殘留了 m 子等粒子碎片。在破壞原子的電子層結構時，會發出一些紫外線光。這些光可以由靈敏的光電倍增器測定。在特別強烈的宇宙射線中，部份簇射粒子甚至可以直達地面，由探測器測出。

資料來源：http://www.phy.cuhk.edu.hk/astroworld/cosmic/prod/crlife.html

Michael Goodman，《科學美國人》

•        超新星 1987A的新震波結構• left顯示了原來的內環和震波引發的新亮點。

right經電腦處理 ,預期內環亮度會再大幅增加。

宇宙射線之源？ 

M2-9：蝴蝶星雲

• 中心有一個氣體盤面，盤面的中央有兩顆互繞運行的恆星。即將死亡的恆星從氣體盤面拋出氣體，形成這樣的雙極外觀。

劫數難逃的船底座 星• 在鑰匙孔星雲中的船底座 星可能即將爆發。

• 它是目前被認為唯一可發射自然雷射光的恆星

MyCn18：沙漏星雲的垂死恆星

• 當一顆類似太陽的恆星燃燒盡後，會拋出外層的氣殼，而核心會成為一顆的白矮星。

照亮蟹狀星雲的脈衝星• 是 1054年金牛座超新星的遺跡

• 直徑 10光年• 圖中中央靠左的脈衝星發出多種電磁波

• 成為星雲動力及發光的能量來源。

蟹狀星雲 M1

星系之間的煙花表演• 對撞後的衝擊波引發了逾千顆光亮而年輕恆星的誕生。

• 此等強烈碰撞亦可能是高能宇宙射線的根源。

烏鴉座星系  NGC4038 和  NGC4039

類似  1987A 的超新星高速塵埃可能產生宇宙射線。畫家筆下的是超新星爆發雲氣的圓錐切片。橙色環的衝擊波撕破啡色帶中的原子並將之加速至近乎光速。

宇宙射線和超新星塵埃

現時已知的：• 超新星衝擊波、•  太陽風層內星際物質的電離及日冕（ corona）產生的太陽風衝擊波。

宇宙射線源

太陽風層（ Heliosphere）是指可以找到太陽風的範圍，半徑約七十至一百個天文單位，當中不同形式和來源的高能粒子皆可能成為我們探測到的宇宙射線。

太陽風層內的高能粒子

Pierre Auger Cosmic Ray Observatory 

http://www.auger.org/

http://asweb.asiaa.sinica.edu.tw/modules/news/

• 自西元 2000年七月開始，研究人員便透過 Los Alamos的「奇蹟宇宙射線天文台」，• 對北半球天空進行長達七年的觀測。該天文台在監看北半球天空上有其獨特之處，由於特殊的設計與視角，「奇蹟宇宙射線天文台」能紀錄超過 2000億個宇宙射線轟擊地球大氣的事件。

宇宙射線是帶有高能量的粒子，從遙遠的地方穿過本銀河而來到地球，沒有人確實知道它們來自何方，但是科學家透過理論認為，它們的源頭應該是超新星、類星體，或是宇宙中尚未發現或了解很少的角落。「由於本天文台的獨特性，即使是低能量的宇宙射線轟擊事件也偵測得到，而且能紀錄的事件也夠多，這使得我們能透過統計特性看出，天空中有兩個區域，很明顯有比較多的轟擊事件」，此次發現的共同研究者 Brenda Dingus做了以上的說明。

透過對「奇蹟宇宙射線天文台」的宇宙射線轟擊事件紀錄做分析，研究人員在獵戶座附近的天區發現了兩個轟擊事件最多的區域，一個在獵戶座右方、金牛座「牛眼星 (中文名稱為畢宿五 )」的上方，另一區則在雙子座附近，其發射區的外形類似一個逗號。

但是研究人員無法精確定出宇宙射線的發射源。「我們透過「奇蹟宇宙射線天文台」觀察到的這些宇宙射線中的高能質子，它們從源頭來到地球的過程中，會受到本銀河磁場的散射，因此我們無法直接判定它們從那邊來的」， Goodman做了上述的說明，他接著又做了補充：「然而，不論「奇蹟宇宙射線天文台」看到的是宇宙射線實際的發射源，或只是其他某種發生在太陽系附近的效應所導致的結果，我們的觀測成果都引發了一個重要的課題」。

已經提出的新計畫—下一代的新型宇宙射線天文台，也許能解開這個謎團。• 該觀測設備稱為「高海拔水中柯侖契夫效應儀 (the High Altitude Water Cherenkov experiment ，簡稱 HAWC)」，未來完成後將裝設在墨西哥的高海拔觀測站。

• http://hawc.umd.edu/ • http://www18.i2u2.org/elab/cosmic/teacher/ • http://quarknet.fnal.gov/toolkits/new/crdetectors.html