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來自星際的訪客-宇宙射線

極光是為人盛讚的絕美風景之一,源自於太陽產生的帶電粒子—又稱太陽風,在接近地球時沿著地磁磁力線移動至兩極,激發高空氣體分子發光所形成。

封面圖、ISS-CREAM儀器

  然而,除了太陽風以外,來自太陽系內外的宇宙射線也無時無刻地拜訪我們的地球,有賴於地磁的保護,地球上的生物才能免於受到這些高能粒子的傷害。



圖一、太陽風所造成的極光現象



  有別於我們直觀想像的「射線」,宇宙射線是由許多的高能粒子高速移動所組成,其主要成分為質子,而電子、氦原子核及其他較重元素的原子核等等則佔較小比例。由於這些都是帶電粒子,必定會受到地球磁場影響而偏離原先的運行路徑,令科學家難以追溯其來源地,也因此人類對於宇宙射線的知識並不多。

    在地球上,許多大型地面觀測系統以地球大氣層中大於十兆電子伏特的能量作為觀測目標:當宇宙射線撞擊大氣分子時會產生一連串龐大的連鎖碰撞效應,部分的次級粒子(因碰撞而產生的粒子)會到達地表的探測器,提供資訊給科學家判斷其原本宇宙射線的運行軌跡。另一方面這些次級粒子亦會對CREAM(The Cosmic Ray Energetics And Mass mission)探空氣球帶來一些背景干擾,限制其運作的效率。隨著粒子數量減少、能量增加,地面觀測到的宇宙射線光譜看起來像是一條平放的腿,在十兆電子伏特下的光譜會突然驟降,形成科學家所稱之為「膝蓋」的地方。

     「高能量的宇宙射線帶來非常大量的資訊,然而我們仍然無法正確地解讀。」在哥達德太空中心的研究員John Mitchell說。科學家們雖然有地面觀測的數據,但卻遲遲無法確定其正確性,因此科學家一直對這方面相當好奇,而ISS-CREAM任務將會是史上第一個蒐集高能量粒子數據的任務。



圖二、CREAM探測儀器  作為NASA探空氣球計畫的一部份,NASA在8月14日正式啟動了CREAM任務。任務在國際太空站(ISS)上進行,ISS-CREAM儀器將會直接暴露在太空中,如此便能排除大氣的干擾,能使得觀測更有效率。但也因此除了地磁的影響外,CREAM的另一項艱難挑戰便是當儀器暴露在太空中,這些高能粒子會降低探測器穩定性,研究團隊必須增大探測器的體積或是增加觀測時間,「而在國際太空站上運作正好為我們延長了時間。」ISS-CREAM的研究員Jason Link說。



圖三、搭載CREAM儀器的探空氣球  正由於天文學家不認為超新星的殘骸能夠產生如此高能量的宇宙射線,因此,該任務有助於我們了解太陽系或是鄰近的星系的狀況。在未來,ISS-CREAM將會加入與正在太空站上進行的另外兩個探測任務—阿爾法磁譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer,AMS-2)以及日本科學家帶領的量子電子望遠鏡(Calorimetric Electron Telescope, CALET),以期能夠揭開宇宙神秘的面紗。



 



參考資料:

1.    New Mission Going to the Space Station to Explore Mysteries of 'Cosmic Rain'

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/new-mission-going-to-the-space-station-to-explore-mysteries-of-cosmic-rain

2.    Cosmic Ray Energetics And Mass for the International Space Station (ISS-CREAM)

https://www.youtube.com/watch?v=pMZToTogGbc

3.    ScienceCasts: The Mystery of High-Energy Cosmic Rays

https://www.youtube.com/watch?v=_bKbMARsE-4

4.    NASA’s Scientific Balloon Program Reaches New Heights

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/nasa-s-scientific-balloon-program-reaches-new-heights



封面圖、ISS-CREAM儀器ISS-CREAM儀器

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/new-mission-going-to-the-space-station-to-explore-mysteries-of-cosmic-rain

圖一、太陽風所造成的極光現象

https://patch.com/connecticut/montville-ct/possible-northern-lights-sighting-connecticut

圖二、CREAM探測儀器

https://www.youtube.com/watch?v=pMZToTogGbc

圖三、搭載CREAM儀器的探空氣球

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/nasa-s-scientific-balloon-program-reaches-new-heights



 

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