宇宙射線從哪裡來？

當你望向夜空時，多數也在想著月球、星星這類看得到的天體，但有一種東西是你看不見的，它是來自遙遠宇宙的使者，會靜悄悄地穿過你的身體——這些就是宇宙射線(Cosmic Rays)。它們不是「光」，而是高速帶電粒子，主要是質子，另外有氦核與更重的原子核，還有少量電子。每秒都有宇宙射線穿越你居住的房間、你搭乘的地鐵、你拿在手上的手機。那麼，這些粒子究竟從哪裡來？

宇宙射線是什麼？不是光，而是高速子彈

宇宙射線其實更像「宇宙子彈」：
– 組成：約 90% 是質子，9% 是氦核(α 粒子)，1% 是更重元素的原子核，另有少量電子與反粒子。
– 能量：從一般實驗室加速器能做到的水平，一直到人類無法在地球上達到的極端能量，最高能量可達 10^20 電子伏特(eV)。
– 來源線索：我們無法直接「看見」宇宙射線的飛行軌跡，因為它們帶電，被銀河系與星際磁場扭來扭去，像在地鐵轉線無限次，最後到達地球時方向資訊幾乎被洗掉。

當宇宙射線撞上地球大氣，會引發級聯式「空氣簇射」(air shower)：原粒子撞出大量次級粒子，像打散的麻將牌，沿途產生μ子(muon)、光子、電子與中微子(neutrino)。我們在地面或高空偵測器看到的是這場「粒子雨」，再反推原來的宇宙射線性質。

我們如何知道它們來自哪裡？三套偵探工具

因為帶電粒子走位被磁場擾亂，要追兇不容易。天文學家靠三大類「側寫」：
1) 能譜(Energy spectrum)：量度不同能量的宇宙射線有多少。整體呈現近似冪律(power law)，在約 10^15 eV 處有「膝(knee)」，10^18.5 eV 左右有「踝(ankle)」。這些轉折提示不同的加速機制與來源族群。
2) 化學成分(Composition)：用地面陣列與大氣切倫科夫/熒光望遠鏡看簇射的發展深度(Xmax)與粒子分佈，可推斷是較輕(質子)還是較重(鐵)的原子核，進一步指向可能的加速環境。
3) 各向異性(Anisotropy)：在天空方向上計數是否有微弱偏向。低能部分幾乎各向同性(像到處都下毛毛雨)，超高能(UHECR, >10^19 eV)才開始顯示與附近大型結構的關聯跡象。

銀河系內的加速工廠：超新星殘骸與爆震

對於「膝」以下能量(約 10^15 eV 以下)的宇宙射線，主流共識是來自銀河系內的超新星殘骸(SNR)。當大質量恆星爆炸，拋出的外殼以每秒數千公里向外衝擊，形成強烈的激波(shock)。在激波前後、磁場存在的情況下，帶電粒子可以靠「擴散式激波加速」(diffusive shock acceleration, DSA)反覆被來回散射，每次穿越激波都被「踢」一下，像在兩台迎面而來的收費閘口之間不斷被回彈，能量逐步上升。這種機制天然會產生近似冪律的能譜，跟觀測吻合。

為什麼相信 SNR 是主要功臣？
– 能量收支：銀河系每隔約 50 年有一次超新星爆發，釋放的機械能若有幾％轉成宇宙射線，就足以維持銀河系觀測到的宇宙射線能量密度。
– 電磁線索：TeV 伽馬射線(gamma rays)望遠鏡（如 H.E.S.S., MAGIC, VERITAS）與 GeV 伽馬射線衛星（如 Fermi-LAT）在多個 SNR 周邊偵測到伽馬光；其中一部分是 hadronic 通道——高能質子撞到氣體產生 π^0 再衰變成伽馬光，這是直接的「質子被加速」證據。
– 化學成分：在「膝」附近變得較重的趨勢，符合不同元素因電荷數(Z)不同而有不同剛性(rigidity = p/Z)，在相同磁場與加速場中可達到的最高能量隨 Z 增加而上升，導致能譜逐步「變重」。

除了超新星殘骸，年輕恆星聚集區的「超級氣泡」(superbubbles)、脈衝星風星雲(PWN)與微類星體(microquasars)也可能貢獻部分銀河宇宙射線，尤其在特定能段或元素比例上留下痕跡。

銀河之外的加速器：活動星系核與伽馬暴

當能量來到「踝」以上，磁場對軌跡的扭曲減少，宇宙射線開始更像直飛的快遞。我們逐漸把目光投向銀河系外：
– 活動星系核(AGN)：超大質量黑洞吸積盤與相對論性噴流(relativistic jets)提供極端電場與磁場梯度，能把帶電粒子加速至超高能。巨型電波星系的端點「熱斑」(hotspots)與噴流內的磁重聯(magnetic reconnection)都是熱門候選區。
– 伽馬射線暴(GRB)：短暫但超亮的高能爆發，通常與大質量恆星崩潰或中子星合併相關。其外向激波與內部碰撞區域可能在短時間內把少量粒子推到極端能量。
– 星暴星系(starburst galaxies)：瘋狂形成恆星的星系，遍地超新星，其疊加的激波與湍流形成大型加速場，可能為 10^18–10^19 eV 範圍貢獻顯著通量。

觀測端的支撐：
– 各向異性：皮埃爾奧歇天文台(Pierre Auger Observatory)與望遠鏡列陣(Telescope Array)在最高能段看到微弱但統計顯著的各向異性，與近鄰大型結構（如星系團、AGN）相關。
– 能譜截斷：超高能端出現的通量下降，兼具兩種可能：一是來源「力竭」(源頭加速上限)，二是穿越宇宙微波背景(CMB)時的「GZK 截斷」(Greisen–Zatsepin–Kuzmin cutoff)，超高能質子與光子場相互作用失能，導致遠方來源被「濾掉」，只剩近鄰能被我們看見。

磁場是關鍵：為什麼方向難追？

宇宙射線帶電，會被磁場導引。其「剛性」(rigidity)越高（動量除以電荷 p/Z），越不容易被偏折。低能量粒子在銀河磁場中像在九龍小巷穿梭，繞來繞去最後才出巷；超高能粒子則像走彌敦道直行，偏折較小，但仍非完全直線。這也是為什麼要到 10^19 eV 以上，才能開始從天空分佈讀到來源線索。

多信使天文學：不只看「子彈」，還要聽「回音」

要破解來源，單看帶電粒子不夠。我們需要多信使(multi-messenger)配對：
– 高能中微子(Neutrino)：若高能質子在源頭與氣體或光子碰撞，會產生 π±，其衰變產生中微子。IceCube 曾發現與潮汐瓦解事件(TDE)和某些 AGN 同步的中微子事件，指向 hadronic 加速的存在。
– 伽馬射線(Gamma rays)：π^0 衰變產生伽馬光，可被 CTA 等下一代望遠鏡更敏銳地偵測，與中微子一起形成「雙證據」。
– 放射性同位素與二次宇宙射線：例如硼/碳(B/C)比值、鐵族同位素的豐度，記錄了在星際介質的「停留時間」與「路徑長」；這些像是貨運箱上的物流貼紙，幫我們推算運輸網絡。

家門口的實驗：香港與地球上的宇宙射線日常

雖然我們談的是深空加速器，宇宙射線卻深度參與日常生活：
– 航班與高山：坐長途機，尤其高緯度航線，受到的宇宙射線次級劑量較高；到青藏高原或阿爾卑斯登山也會增加。香港海平面劑量很低，日常無須擔心。
– 科技與金融：高能μ子偶爾會翻轉電腦記憶體位元(soft error)。大型資料中心、金融交易伺服器的錯誤校正(ECC)與冗餘設計，就是為了應對這些自然「擾動」。
– 教學與探測：簡單的雲霧室(cloud chamber)或 μ 子偵測器在大學與科學館都能看到宇宙射線留下的直線軌跡，像是看見無形雨滴打在玻璃上的痕跡。

能量等級表：從街燈到閃電，再到宇宙級

拿能量來打比方：
– 醫院 X 光：每個光子的能量約千 eV。
– LHC 質子束：每個質子約 10^12 eV。
– 閃電產生的地面伽馬閃光(TGFs)涉及的電子可達 10^9–10^10 eV。
– 宇宙射線最高能：10^20 eV——相當於一顆飛舞的蚊子動能集中在一個質子身上。這種能量我們在地面加速器做不到，而宇宙卻辦到了。

還有哪些謎題？前沿研究焦點

– 超高能端的組成：究竟是以質子為主，還是逐漸變重？不同實驗的結果存在差異，影響我們對來源距離與類型的判讀。
– 來源清單的點名：特定 AGN 或星暴星系是否真的主導？需要更多事件與更好的角分辨率，配合中微子與伽馬光同時到達的關聯性分析。
– 磁場地圖：星際與星系際磁場的強度與結構仍不清楚，這直接決定我們能否把到達方向反推回源頭。未來的偏振觀測與法拉第旋轉測量將逐步補全這張地圖。
– 加速機理的細節：在激波、湍流、磁重聯之間的能量分配如何？粒子如何從「熱背景」被注入到可被加速的高能尾端？需結合粒子模擬與時變多波段觀測。

結語：宇宙射線是宇宙的「心跳」

如果把整個宇宙想像成一座城市，宇宙射線就是四處穿梭的快遞車隊。銀河系內的超新星殘骸像地區物流中心，穩定供貨；銀河外的活動星系核與伽馬暴則像跨境快線，雖然少見但能量驚人。地球並非旁觀者，我們的儀器在沙漠、在冰原、在高空氣球上，接收每一滴粒子雨，拼湊出遙遠工廠的藍圖。

宇宙射線從哪裡來？答案不只是一個地點，而是一張跨越銀河與星系際的能量網絡。隨著多信使天文學的成熟、下一代伽馬望遠鏡與中微子天文台上線，我們將不僅知道快遞從哪裡出發，還會看見包裹在沿途經歷了什麼。