布鲁诺·罗西(Bruno Rossi)是宇宙射线研究的先驱,他在1964年出版的《宇宙射线》(Cosmic Rays)一书中,他写道:“宇宙射线发现半个世纪后,其起源问题仍未解决。”。“我们不确定宇宙射线来自哪里。我们不确定它们是如何获得巨大能量的。”
罗西写下这些话半个多世纪后,它们仍然是真实的。尽管自一个多世纪前宇宙射线被发现以来,我们已经了解了很多,但我们仍然不知道它们到底来自哪里。宇宙射线仍然是有史以来最棘手的科学难题之一。
二战后的时代带来了大量新发现,这在很大程度上要归功于战时的创新,如高空火箭、更先进的探测器,以及首次允许在大气层外收集数据的地球轨道卫星和深空探测器。
新一代物理学家热切地拿起宇宙射线的旗帜,詹姆斯·范·艾伦和约翰·辛普森等研究人员使用越来越先进的火箭和气球,以密立根和康普顿梦寐以求的方式探测外太空边缘和更远的地方。
这项工作很快揭示了其他种类的宇宙射线、奇怪的新粒子以及关于它们组成的新线索。恩里科·费米等资深研究人员的工作补充了他们的探索,他提出了一个关于射线可能起源的重要新理论,以及强大的粒子加速器的出现,使宇宙射线现象得以重现和测试。美国国家航空航天局和一个专门的太空计划开始向地球以外发送卫星和探测器,通过首次在太空中探测和研究宇宙射线,提供了更多的数据,并引发了新的问题。每两年举行一次的国际宇宙射线会议开始了一种传统,这种传统一直延续到今天。
在20世纪60年代和随后的几十年里,微波背景辐射的发现彻底改变了关于宇宙起源的天体物理学和理论,对宇宙射线物理学产生了深远的影响。利用越来越灵敏和通用的探测器和航天器进行的新观测揭示了一个充满难以想象能量的宇宙射线的宇宙,暗示了超新星和黑洞的内部运作。1991年探测到有史以来最强大的宇宙射线事件,被称为“哦,我的上帝粒子”,引发了对类似事件的持续搜索,并引发了人们对其可能原因的好奇。组织了国际努力来建造巨大的宇宙射线探测器阵列,例如阿根廷的皮埃尔·奥格天文台。宇宙射线科学与天文学、粒子物理学、射电天文学以及中微子和伽马射线研究等新领域形成了协同关系。
在21世纪,宇宙射线科学已经成为天体物理学研究的一个重要学科,它帮助催生了一场新的革命,称为多信使天文学。通过以前所未有的方式将整个电磁波谱范围的观测和数据收集相结合,多信使天文学为研究和理解宇宙提供了新的视角。传统上,物理学和天文学的独立领域正在融合,以提供一种看待整个宇宙的方式,而不是像过去那样只关注宇宙的一小部分。多元天文学不只是通过可见光、无线电波、红外辐射或其他有限的电磁波谱来观察宇宙,而忽略了其他所有光谱,而是允许通过多个窗口同时观察天文物体和现象,因此,创造和驱动它们的过程和能量之间错综复杂的关系可以被整体感知。
宇宙射线及其相关现象是一条色彩鲜艳的线,贯穿并连接了一系列以前不同的学科,加强了它们的洞察力,同时为21世纪天文学面临的最深刻的问题提供了一个框架,包括暗能量和暗物质的存在和性质;星系的形成;物质的基本性质;以及宇宙的终极命运。与此同时,困扰科学家一个多世纪的问题的最终答案仍然难以捉摸:宇宙射线来自哪里?
宇宙射线可能不会为人类提供“创造的秘密”,但它们会继续让我们更接近它或类似的东西。它们可能不是“星际空间中原子诞生的呐喊”或“死亡的呐喊”,但它可以深入了解
1“非常有趣的讨论”
2穿透辐射
3关于整个自然的一体性
4战斗的晚餐
5名挑战者
6登山者、飞行者和大草原
7差旅安排
8环球钻
9摩天大楼
10投掷大无畏
11聚集的力量
12大西洋城正午
13为宇宙射线欢呼
14下降和上升
15上升和下降
16创造与毁灭
17家族中的采石场
18某种形式的和平