刘声远

位于阿根廷的皮埃尔·奥格天文台，花了几乎十年时间寻找超高能宇宙射线的源头，却仍然没有成效。如今，这座天文台面临不确定的未来。这是怎么一回事？

在风萧萧的阿根廷西部草原上，一个大箱子看起来像是放错了地方。如果不看它顶部的天线和让鸟儿秽物污染了的太阳能电池板，这个齐胸高、被青草和荆棘包围的塑料圆筒就可能被当成某种储物容器。

远方，在安第斯山背后落下的太阳，照亮了更多这样的箱子。一些当地人相信，这些箱子会影响天气，带来更多雨或雪，或者反过来——造成干旱。而在当地拥有一块土地的杰克·弗朗西斯科说：“但我知道它们（指这些箱子）不会（干扰天气）。我知道它们其实是用来捕捉宇宙射线的。”

杰克说的没错。在这里的一片面积为3000平方千米（足以装下整个卢森堡还有余）的土地上，分布着1600个这样的箱子。它们共同组成了皮埃尔·奥格天文台（以下简称奥格天文台）。这座天文台的实质是一项耗资5300万美元的实验，目的是揭示超高能宇宙射线——迄今已知能量最强的亚原子微粒——的神秘来源。

尽管这个实验的规模宏大，奥格天文台却远未实现科学家们的期望。经过近十年的“捕猎”后，它的确观测到了几十次超高能量的宇宙射线，却未能破解它们的来源之谜。实际上，作为一部探测器，奥格天文台的工作效率比期望值还高了一倍。但超高能宇宙射线看起来似乎来自于整个天空，而且没有什么集中模式，因此科学家很难确定它们的源头。这恐怕就是奥格天文台无法大显身手的根本缘由。

现在，奥格团队把希望寄托在升级天文台的分辨率上，希望能借此最终突破上述困境。奥格团队的科学家们正在分析五种备选方案，最后会选定一个提交给这座天文台的众多投资方。但麻烦是，还有第六种选择——在最糟糕的情况下，奥格天文台将不得不关闭。

升级方案所需投资大约是1500万美元，但有科学家认为把这笔钱花在别的地方或许更合适。美国西雅图华盛顿大学的物理学家埃里克·埃德博格说：“尽管奥格（天文台）的建造是值得的，但不幸的是，这个‘豪赌’并未产生太多新见解。事实上，宇宙射线物理学一直没带来什么惊喜，这方面目前的进展太慢了，所以可能得换个思路了。”

奥格天文台的支持者说，如果这座天文台真的不得不关闭，那么将不仅是对科学——也将是对阿根廷的沉重一击。阿根廷布宜诺斯艾利斯大学物理系主任帕布罗·米林尼表示，奥格天文台不仅是一个旗舰式的科研项目，而且能提升青年学子对物理学的兴趣，能吸引他们走进这个奇妙无穷的科学领域，因此，这个大工程值得继续。

一个多世纪以来，物理学家一直很清楚地球持续遭到来自太空的带电粒子轰炸，其中许多粒子的能量即便按照粒子物理学的标准也很惊人。位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机（目前最强大的人造粒子加速器）很快将实现7×1012电子伏特的能量，但宇宙射线的能量也许是这一数值的几百倍或几千倍。

科学家现在倾向于认为，大多数超高能宇宙射线都是质子及其他轻核，它们来自于太阳系以外很远的地方，很可能是由灾难性的恒星爆发——超新星产生的。但在很罕见的情况下，击中地球大气层的宇宙射线能量高达1018电子伏特甚至更高。迄今为止最高能宇宙射线是1991年10月15日在美国犹他州上空探测到的，其能量为3×1020电子伏特，约为上述强子对撞机数值的4000万倍。因此就出现了一个奥秘：计算结果显示，即便是超新星爆发产生的膨胀式冲击波，也不可能把带电微粒加速到大约1017电子伏特。现在还没有人知道到底是什么物理过程能够把粒子加速至比这更高的能量，甚至就连对这些粒子的属性为何也不知道。

1992年，因为在粒子交互作用方面的工作而与他人分享诺贝尔物理奖的美国科学家克洛宁，决心破解这个奥秘。他和英国利兹大学的阿伦·沃特森以及巴黎居里夫妇大学的穆拉特·波拉塔夫一道，开始着手建造一座天文台，希望借此探测到足够超高能的宇宙射线，从而回答这些难题。

他们设计了有1600部探测器的伸展式天文台，这一设计反映出在这项科学探索方面的两个基本事实。

第一个事实是，这些射线极其少见。虽然比它们能量低的超高能宇宙射线每秒钟在每平方厘米的面积内都有好几个，但随着能量增加，这个数字急剧下降。能量在1020电子伏特以上的超高能宇宙射线，即便一整个世纪在每平方千米的范围内也少有一个。因此，能够部署的探测器数量越多，抓住一个如此超高能宇宙粒子的成功率也就越高。

第二个事实是，所谓的“初级宇宙射线”（即来自于星际空间或称宇宙空间的宇宙射线）永远不会到达地球地面，而是猛撞进地球高层大气中的空气分子里，产生一系列质子、电子、正电子、μ介子及其他碰撞产物。然后，这些碰撞产物再猛撞进其他空气分子里。其结果就是空气簇射：集体跟随原来宇宙射线路径的一股低能粒子喷流。这需要部署在一个很宽范围内的许多探测器来探测。科学家希望这些探测器能记录到足够多的轰击地面的空气簇射微粒，由此重建原来宇宙射线的能量和方向。为了帮助这种重建，科学家也计划用四个群组的荧光望远镜扫描探测器阵列的上空，绘制空气簇射粒子在大气层中横冲直撞时产生的微弱蓝光或紫光线条图。

为了纪念在空气簇射研究方面颇有建树的法国物理学家皮埃尔·奥格（1939年，他在研究中发现宇宙辐射与空气簇射有关。他还估计，创生大规模空气簇射的入射粒子能量至少高达1015电子伏特），三位科学家把这座天文台以他的名字命名。随后，科学家们从一个国家到另一个国家，筹集建造奥格天文台所需资金。他们还召集了来自全球、希望加入奥格团队的一群高能物理学家。接下来，这些物理学家也利用各自的关系，从当地政府那里争取资金。很快，美国、德国、法国和阿根廷及其他多国答应提供帮助。

与此同时，奥格团队调查南非、澳大利亚和南美洲的奥格天文台备选地址。筛选条件一大堆，而最主要的是必须有天空晴朗的大片空旷平地。南非很希望奥格天文台能设在他们那里。但奥格团队认为，南非的物理学家数量不足以支持这个项目。澳大利亚候选地址也有一个缺陷：它位于军事控制区，不太利于国际合作。

1995年11月，克洛宁、沃特森和波拉塔夫宣布奥格天文台将建在海拔大约1400米的阿根廷潘帕·亚马丽娜平原上。除了位于西边的矿业小镇马拉圭（人口2.3万）之外，这个平原空旷得正如奥格团队所需。更好的是，当时的阿根廷总统梅内姆为自己的国家能主办一个国际性科学项目而非常兴奋，答应出资相当于1000万美元的阿根廷比索。该项目选址所在地门多萨省，答应另外出资500万美元。

2001年，正在奥格天文台的建设如火如荼之时，阿根廷遭遇有史以来最严重的经济危机和政府变更。阿根廷比索瞬间贬值七成。奥格团队不得不再度到各处筹措资金，这也是奥格天文台遭遇的最大挫折之一。另一个挫折是在2010年。当时，美国出资方拒绝出钱在美国科罗拉多州建设奥格天文台的姊妹天文台。如果这个天文台能建成，就能让科学家为寻找超高能宇宙射线来源而扫描整个天空，而不只是南半球天空。

虽然建造过程并不顺利，奥格天文台的首批154部探测器还是得以在2004年1月1日开始了数据采集。其余探测器分阶段部署，整个探测器阵列在2008年完工。其中每个塑料圆筒箱里都装着1.2万升纯化水。当一个空气簇射微粒经过这些水时，就会出现一道光。每个箱子都与光电管连接，因此能测量这道光。箱子顶部的天线把数据传送到位于马拉圭镇的奥格天文台总部，从那里发送给全球大约350位科学家进行研究。

他们在这方面的首个十年（2004～2014年）工作，产生了一系列颇有诱惑性的结果，其中包括：许多最高能射线其实并非是常见的质子，而是诸如铁之类的重核。如果真是如此，那就是一个从未有人想到过的惊人结果，能够揭示超高能宇宙射线的神秘加速机制。但与此同时，这个惊人结果也会危及奥格团队的核心目标：相对于质子而言，重核更容易被星系间的磁场影响而强烈偏离方向，这会让重核的方向随机化，因此也就不可能追溯超高能宇宙射线的源头——这样一来，旨在找寻超高能宇宙射线源头的奥格天文台又有何用呢？奥格团队不是自扇耳光吗？

2007年，这个担忧看来最终消除了。奥格团队在对采集自27道射线的数据进行了3年半的分析后报告说，超高能宇宙射线看来主要来自于天空中由附近星系里超大质量黑洞所占据的位置。其含义是，与巨型黑洞有关的某种机制在把微粒加速到超高能量。这一推测的公布激起了一阵媒体亢奋，一些一知半解的记者竟然声称：宇宙射线来源之谜终于被彻底破解了。

但真相并非如此。随着此后几年里相关数据的逐渐累积，上述相关性越来越弱。最终，奥格团队间接承认他们有可能混淆了数据——或许，随机的星系间磁场干扰了研究结果。但奥格团队争辩说，他们当时急于发表研究结果情有可原，他们只是赋予了观测结果统计学上的意义（而非给出最终结论），以便其他科学家思索、评估这些结果，这也是科学研究的惯例之一。

当然，超高能宇宙射线之谜至此仍未破解。为了打破僵局，奥格团队希望能升级奥格天文台。升级的基本策略是，对每一个初级宇宙射线微粒的质量进行更好的测量，由此把相对未偏离方向的质子与较重的微粒区分开。奥格团队希望，如果大自然能更仁慈一些，如果超高能宇宙射线中有足够的质子来提供统计数据，也许他们就能发现这些射线的源头。

不难看出，要靠奥格天文台来找到超高能宇宙射线的来源，这些“如果”无疑昭示着很大的难度。目前，奥格天文台的荧光望远镜负责测量初级宇宙射线微粒的质量。随着每次空气簇射在大气层里下降，这些望远镜都会观测它怎样扩张和沉积能量。但荧光望远镜只能在清朗无月的夜晚工作，这就限制了它们的观测时间。因此，奥格团队想改为观测空气簇射中的μ介子数量。μ介子是行为像重电子的短命粒子。由于空气簇射中的μ介子容易在较重宇宙射线微粒之间的碰撞中最大量地产生，了解它们的丰富度就应该能告诉科学家到达地球的初级宇宙射线是质子还是重核。

基于μ介子比其他粒子能更深地穿透到水箱里，科学家们提出了升级奥格天文台的5种建议，实际上代表着辨识μ介子的5种不同方法。每种方法都要求一个不同的新电子仪器、新探测器组合，以及对所有1600个水箱的内部改造，难怪升级成本高达1500万美元。支持升级者指出，这一投资是值得的，部分原因是现有探测器阵列几乎没机会获得辨识超高能宇宙射线来源所需的统计数据，但照样每年得花170万美元来维持这些探测器运转。

然而，μ介子探测计划是否可行尚待检验。因此，有关方面依然可能会认为升级奥格天文台并不值得，甚至就连这座天文台本身也需要关闭。但克洛宁坚持认为，现在就放弃奥格天文台为时尚早，因为这座天文台的目的是探索，不进行足够的探索就不可能有太多收获。阿根廷科学家则指出，放弃奥格天文台将让阿根廷失去一个大大提升该国科研能力的项目。更重要的是，阿根廷将因此失去一个激励年轻人热爱物理学的良好动因。

小小的马拉圭镇现在拥有了第一所大学，奥格团队的科学家和工程师们定期为该校一、二年级的大学生讲课。一名2012年入学的女生原本对数学感兴趣，但在奥格天文台了解到越来越多关于宇宙射线的知识后，她改学了物理。此外，迄今已有360人因为在奥格天文台做研究工作而获得博士学位，其中有许多是阿根廷学生。奥格天文台的5个升级方案中，有两个从设计到建造的所有方面都计划在阿根廷完成。总而言之，奥格天文台的建立为阿根廷培养了全新一代与国际顶尖物理学家接轨的科研人员，这在该天文台建立之前是无法想象的。

阿根廷科学部指出，正因为奥格天文台，阿根廷才现身于全球科技地图上。受此影响，欧洲空间局的“深空天线三号”射电抛物面天线安装在了马拉圭以南约30千米处，来支持欧空局“火星快车”“赫歇尔”“普朗克”等任务。目前，阿根廷与巴西联手，正在阿根廷北部建造“大拉丁美洲毫米阵列”。如此看来，一旦奥格天文台项目真的终止，对阿根廷的打击将非常之大。对此，为奥格天文台出资的大老板们会不会不屑一顾呢？

空气簇射

空气簇射是由法国人布鲁诺·罗西在1934年发现的。他用彼此隔开的探测器观测宇宙射线，发现许多粒子同时到达不同的探测器。这一现象现在被称为“空气簇射”。

实际上，空气簇射是一个范围很宽（许多千米宽）、由离子化粒子和电磁辐射组成的射束。当初级宇宙射线（即来自于地球之外源头的射线）进入地球大气层的时候，就会产生这些粒子和辐射。射束是指入射粒子 ——可以是一个质子、一个原子核、一个电子、一个光子或一个正电子（这种情况很少见）——撞击空气中的一个原子核，由此产生了许多高能强子。不稳定的强子在空气中迅速衰减成其他粒子和电磁辐射，成为簇射成分的一部分。包括X射线、μ介子、质子、反质子、阿尔法粒子、介子、电子、正电子和中微子在内的次级辐射大量降落，即形成了簇射。

宇宙辐射剂量中的大部分来源于μ介子、中子和电子。基于地球磁场、高度和太阳周期，全球不同地区的宇宙射线剂量各不相同。飞机上的宇宙辐射剂量很高，机组人员所受到的辐射剂量远超过其他人。核电站的工作人员亦如此。如果飞行路线经过两级地区附近高空，辐射剂量则更高。