一千年前，中國古代的天文學家在史書中留下了一顆恆星發生超新星爆發的壯觀瞬間。一千年後，當代中國的科學家在那顆星星爆發的遺蹟中發現了最高能量的宇宙伽瑪射線。科學發現在千年的歷史之中竟然得以如此傳承。

【配圖1：左圖：西藏ASγ實驗觀測到蟹狀星雲方向100TeV以上的伽瑪射線（圖片來自高能物理研究所）；右圖：

什麼是宇宙射線？

宇宙射線有時也被稱為宇宙線，是來自太空的高能粒子。1903年，盧瑟福在用驗電器進行早期的粒子物理實驗時發現，即使把實驗室裡的所有放射源移走，甚至用鐵和鉛把驗電器完全遮蔽起來，在驗電器中仍能發現有帶電粒子不斷產生。

【配圖2：超高能宇宙射線射入地球大氣層，與空氣的原子核碰撞產生“空氣簇射”（圖片來自CERN）】

1912年，奧地利科學家赫斯(Victor Franz Hess)將靜電計等儀器懸掛著氣球放到高空進行實驗，他發現隨著氣球的上升，靜電計在海拔高度1400米～2500米之間測到的輻射持續增加，而且顯然超出海平面的測量值。在海拔5000米的高空，輻射強度甚至達到地面的9倍。由於白天和夜間測量結果相同，因此赫斯斷定這種射線不是來源於太陽的照射，而是宇宙空間。

赫斯提出一種新的假說，“這種迄今為止尚不為人知的東西主要在高空發現……它可能是來自太空的穿透輻射”。從那時開始，科學界對宇宙射線的各種效應和起源問題進行了廣泛的研究。

起初這種輻射也被稱為“赫斯輻射”，後來被正式命名為“宇宙射線”（cosmic rays），這是來自宇宙空間的高能粒子流的總稱。

如何探測宇宙射線？

高能宇宙射線從太空射向地球的過程中需要穿過大氣，這時它們與大氣中的原子核發生相互作用，會撞出各種次級的粒子，這些次級的粒子在飛行過程中會再次與大氣的原子核發生作用產生更次級的粒子，像暴雨一樣從空中灑向大地，如此“一生二，二生三”地不斷髮生級聯反應，彷彿一顆大雨滴往下飛行的過程中散落成千千萬萬簇的小雨滴。

這個過程也被稱為“空氣簇射”。

宇宙射線產生的這些次級粒子反覆作用產生更多次級粒子，直到平均能量等於某些臨界值，次級粒子的數目達到最大值，稱為簇射極大，之後的粒子逐漸衰變或者被大氣吸收，使次級粒子的數目反而逐漸下降。

【配圖3：地面的探測器陣列對來自太空的宇宙射線“簇射”進行測量（圖片來自Masato TAKITA的ASγ實驗國際報

科學家們通過探測這些到達地球表面的“簇射”來間接地研究宇宙射線。

高能量宇宙伽瑪射線形成的“簇射”範圍非常大，簇射產生的大量次級帶電粒子幾乎同時到達地面。測量這些同時到達的帶電粒子就可以獲得“簇射”事例。這些簇射到達地表時的面積往往很大，約有幾百、幾千，甚至上萬平方米的面積。一般來說，越高能量的宇宙射線到達地表的簇射面積就越大。

總之，人類探測到迄今為止來自宇宙的最高能量光子，對超高能量宇宙伽瑪光子的研究有助於揭示宇宙中極端天體的性質，而且這次發現直接證明脈衝星可以加速產生相對論性的超高能電子，是揭開宇宙線起源之謎過程中前所未有的一個里程碑。