銀河宇宙線

銀河宇宙線，指來自銀河系的高能粒子，這些粒子在進入地球磁場控制的區域之前稱為初始宇宙線。通常初始宇宙線的強度變化很小，只在太陽活動非常劇烈的時候，太陽風暴經過的區域銀河宇宙線的強度才會出現大幅度的下降。

基本介紹

• 中文名：銀河宇宙線
• 來源：銀河系的高能粒子流
• 最早提出時間：1934年
• 組成：氫和氦
• 能量：10^10電子伏
• 動能：在2.4×10^9電子伏

概述

來自銀河系的高能粒子流。能量超過 10¹⁰電子伏的宇宙線，絕大部分起源於銀河系。在中、低緯度地面觀測到的宇宙線，主要也是銀河宇宙線及其與大氣相互作用產生的次級宇宙線。

從長時間看，銀河宇宙線強度受太陽活動的影響有 5 年左右和 11 年左右的周期。在太陽活動高年，銀河宇宙線的強度最低，在太陽活動低年，銀河宇宙線的強度最高，即太陽活動的周期與銀河宇宙線強度的周期幾乎是反相的。

化學組成

宇宙線的主要核成分是氫和氦。動能在2.4×10⁹電子伏以上的粒子中，氫和氦分別占94%和5.5%，其他元素只占0.5%。這種成分比例常稱為宇宙線元素豐度。

銀河宇宙線的化學組成與太陽的化學組成非常相似。但例外的是輕元素（Li、 Be、B）和化學元素周期表中在Fe以前的元素豐度特別高，這是銀河宇宙線中的元素(C、N、O)和Fe與星際氣體相互作用，發生核反應的結果。

銀河宇宙線中C、N、O、Mg、Si、 Fe的同位素豐度與太陽系中的豐度是一致的。但是²²Ne²⁰Ne是例外，其值為0.49，約為太陽系的值的4倍。²²Ne是C、N、O、 He的核燃燒產物，而²⁰Ne像太陽系那樣是碳核燃燒的產物。銀河宇宙線中²²Ne比較豐富,說明它的來源可能是超新星爆發的產物。

宇宙線的高能各向異性 　在E約小於10¹⁰電子伏特的較低能量時，宇宙線有明顯受太陽和行星際磁場控制的各向異性。在10¹¹～10¹⁴電子伏能量範圍，宇宙線的各向異性很小，約小於0.07%，其大小和相位均不隨能量而變。在能量E約大於10¹⁵電子伏，各向異性隨能量而增大，其相位也發生變化。值得注意的是，恰好在此能量，宇宙線核成分的能譜也變陡。根據銀河大尺度磁場可以粗略估計出質子和鐵的各向異性相位，大體上與宇宙線觀測相符合。

在銀河系的分布

觀測表明，E≥10⁸電子伏的γ射線的分布集中在銀道面上。除了個別與船帆座以及蟹狀星雲等超新星遺蹟有聯繫的峰外，γ射線在銀道上的分布集中在離銀心±40°經度範圍。這部分能量的γ射線是宇宙線質子（E=10⁹～10¹⁰電子伏）與星際氫相互作用的產物。根據21厘米射電輻射和紫外線觀測，可以求出原子和分子氫在銀道內的密度分布，從而反推出宇宙線在銀河系內的分布。

長期變化

關於宇宙線強度在漫長的地質年代是否有變化的問題，通過對隕石、深海沉積物和月球樣品進行分析結果表明，在過去10億年內，宇宙線強度的系統變化不超過兩倍，而在最近二、三百萬年內，宇宙線強度未發生過30%以上的變化。

起源

大體上有兩種學說。一種是宇宙線分離源說，認為銀河宇宙線起源於超新星或其他天體。這是1934年巴德(W.Baade)和茲威基(F.Zwicky)首先提出來的，60年代又為金茲堡（В．Л．Гинзбург，又譯京茲堡）和瑟羅瓦茨基（С．И．Сыроватский）加以發展。這種學說的主要困難，是如何使不同的源發射結合成統一的冪律譜。另一種是宇宙線彌散源說，這是費米（E. Fermi）在1949年首先提出來的，他認為帶電粒子和具有磁場的星際氣體的波動隨機碰撞可以得到加速。這種學說可以很好地解釋銀河宇宙線的冪律譜，但是波動能量的來源問題沒有得到解決。最近的研究則傾向於把這兩種學說結合起來，即超新星爆發的遺蹟的湍流和激波對粒子的費米加速。

能譜

宇宙線幾種主要核成分的動能譜

右圖給出宇宙線幾種主要核成分的動能譜。當核子動能低於10¹⁰電子伏時，太陽調製作用十分明顯（見宇宙線太陽調製）。圖中不同的分支分別對應於不同的太陽活動時期。太陽調製使宇宙線的動能譜偏離冪律譜，當核子動能低於10⁹電子伏時，會出現一較寬的峰，當強度降低至核子動能約3×10⁷電子伏處，又重新回升。這部分低能宇宙線，有一部分是由太陽或行星際起源的，已不屬於銀河宇宙線。 　宇宙線的高能部分起源於銀河系，它的能譜可以表達為動能E的冪律譜E^-r，譜指數γ是動能的函式。表中列出的一些測量結果，其中在E≥10¹⁵電子伏能譜變陡,E≥10¹⁹電子伏能譜又變坦，變化非常顯著。動能大於10⁹～10¹⁰電子伏的宇宙線粒子的積分全向通量為2～4粒子/（厘米²·秒）。現在測量到的宇宙線的能量已經高達1.5×10²⁰電子伏，並且還沒有跡象表明它會有截止的最高能量。但是這時粒子的積分方向通量已經降低到5粒子/（厘米²·球面度·世紀），觀測就非常困難。這部分能量極高的粒子可能是從河外射電星系來的。

太陽中微子的探測結果

利用上述元素的豐度比可以求出銀河宇宙線穿越星際介質所經歷的路程。能量增高，穿越路程也有所減小。銀河宇宙線的動能譜冪指數也隨電荷數 Z的增大而減小。例如H、He的動能譜冪指數均為2.75～2.76，而C、N、O平均值為2.56，到 Fe族元素則降低為2.0。這些特性反映了粒子加速和傳播過程與能量的關係。

射電天文探測發現的3K微波輻射背景，是相對論能量電子在銀河系磁場作用下所激發的同步加速輻射。在10⁵～2×10⁷電子伏能量範圍，所探測到的電子主要是宇宙線核成分碰撞星際氣體所形成的撞擊電子，也包括一部分行星（如木星）電子。在 10⁷～10⁹電子伏能量範圍，電子受太陽調製影響，觀測資料較為分散。這部分電子包括相當多的由銀河宇宙線核成分與星際介質作用而產生的正負電子。其中正電子約占全部電子總數的 0.4～0.1，隨能量增大而降低。這段能譜較平坦,出現坪區現象，並非完全是太陽調製所引起的。根據核乳膠的測量，在更高能量3×10¹⁰～10¹²電子伏,電子的微分方向動能譜可用統一的冪律譜來表示：

公式

在10¹²電子伏以上的能譜還有待測定。