伽馬射線如何揭示月球的變化，並將其作為理解宇宙射線的手段？

作者：文/虞子期

對於一直生活在地球上的我們而言，探索地球之外的世界一直是我們最關注的話題之一，這其中自然也包括了我們的衛星-月亮。無論何時，當我們抬頭望向頭頂的這片天空之時，太陽似乎永遠都是該區域中最耀眼的天體。但是，若是我們可以肉眼看到伽馬射線的高能輻射，那麼這樣的情況就會被改寫，因為此時的月亮看上去會比太陽更加明亮。而在過去的這十年中，NASA的費米伽馬射線太空望遠鏡就是用這樣的方式注視著我們的月亮。我們應該如何準確理解月球的輻射環境，為何伽馬輻射會被作為理解宇宙射線的重要手段之一？

月球伽馬射線的強度和變化規律

與地球的行為有所不同，月球反而會保護大多數宇宙射線，以讓這些高能粒子在到達其表面之後產生伽馬射線，儘管其中的一些射線會從月亮上反射回去。雖然，伽馬射線的觀察靈敏度無法達到看清月球的更多特徵，比如月球的表面特徵和其盤的形狀，但科學家們通過LAT（費米的大面積望遠鏡）探測到了以月球為天空中心位置的突出發光現象。從收集到的觀測數據分析來看，LAT收集到的伽馬射線數據超過了3100萬電子伏特的能量，相當於達到了可見光能量的一千多萬倍。並且，隨著曝光時間的延長，隨著時間堆積起來的能量能讓我們的視野變得更加清晰。

在下圖中，便是費米伽馬射線太空望遠鏡對月球伽馬射線發光的穩定捕獲，其中顏色較亮的部分呈現出了更多的伽馬射線。或許，照片中來自月球的怪異光芒，看上去會缺少了一些真實感，但同時也提醒了我們，周圍的很多事物實際上都比我們眼睛看到更加複雜，任何訪問月球的宇航員都需要保護好自己，以免受到如此巨大的高能輻射所帶來的影響。當費米調整到特定類別的光之時，月亮比太陽看上去更加明亮，月亮上的宇宙射線並沒有額外流出。因此，在伽馬射線的視覺中，月亮的新月和滿月這兩個時期看上去並沒有什麼區別。並且，月亮所散發出的能量看上去很完整，說明了它並沒有在每個月經歷不同的階段。

月球和太陽在輻射中的複雜互動

在宇宙中，月球和太陽在宇宙射線、伽馬射線之間的相互作用異常複雜，並且，伽馬射線還能擁有不同的能量水平，我們所捕獲的能量可能和實際能量有較大的差距。宇宙射線的電荷可以被磁場偏轉，但由於太陽本身的磁場也足夠強大，因此要擊中太陽則需要更強大的磁場。當太陽的密集大氣部分被強大的宇宙射線照射時，異常強大的伽馬射線便由此而產生。即使月球的伽馬射線能量產生的發光讓我們感到驚訝不已，但如果將該條件中的伽馬射線設置為能量高於10億伏特的部分，那麼太陽所發出的光芒將會更加明亮。因為這些相對能量較低的宇宙射線是無法抵達太陽表面的，反而會被其強大的磁場給屏蔽，而那些能量更強大的宇宙射線則可以穿透太陽的磁場屏蔽，並進一步擊中太陽密集的大氣層，以產生能夠達到費米望遠鏡的伽馬射線。

在對月亮進行的伽馬射線觀察中，雖然沒有呈現出任何月相周期，但它的亮度的確會隨著時間的推移而發生變化。比如，在太陽的11年活動周期中，由於其本身也經歷了磁場的變化，月亮的亮度變化可以達到20%左右。因為太陽的磁場強度會在該周期中改變到達月球的宇宙射線速率，從而改變了伽馬射線的產生，有時候會有比平時更多的宇宙輻射襲擊月球。而導致月球產生伽馬射線的宇宙射線和月球本身的伽馬射線，所具有的電離輻射都是異常強大、且具有超強穿透力的能量形式，只有高原子序數的材料才能對其做到有效的屏蔽，並且還需要將時間控制在最短的範圍之內，才能做到一定程度上限制自己的暴露。對於人類而言，了解月球環境的各個方面非常重要，但也應當在進行月球探索的過程中，保護研究人員免受這種宇宙射線帶來的不良影響。

伽馬輻射可作為理解宇宙射線的手段

伽馬射線具有電磁波普中的最大能量和最小波長，但它卻與X射線和光學光有所不同，因為它無法被鏡子捕獲和反射。正因為其如此短的波長，通常會利用它們穿過探測器內原子的空間。如果我們可以從伽馬射線的角度來觀察周圍，我們的夜空看上去將會變得異常陌生，正如通過費米伽馬射線太空望遠鏡的探測，我們看到了月球的伽馬射線圖像。因為太陽的大部分能量在其他部分耗費，比如，太陽耀斑時期。因此，儘管太陽也會發射一些伽馬射線，但在捕獲的電磁波譜部分，月亮看上去會比太陽更明亮。事實上，太陽系中的伽馬射線來源大多都比較遙遠，而月球不過是伽馬射線的間接來源。

大部分宇宙射線都產生於太陽系之外，這種高能輻射一般形成於宇宙射線撞擊物質的時候，會從它們的來源獲得加速以快速移動，就像這種情況下的月球表面會產生伽馬射線一樣，有科學家將理解宇宙射線的手段之一，定義為研究月球的伽馬輻射。宇宙射線，往往是由宇宙中那些最有活力的現象加速的質子，比如，當物質在掉入黑洞之後，便會產生爆炸波噴流、甚至是爆炸恆星。當這些構成宇宙射線的帶電粒子撞擊磁場時，它們會出現和地球磁場相似的情況，其中的大部分都會被偏轉。正因為月球是沒有磁場的，所以，哪怕是宇宙中最微弱的宇宙射線，亦能夠直接撞擊它的表面，並在這個過程中產生伽馬射線。並且，大部分宇宙射線都在被月球本身吸收後產生了伽馬射線，月球也因此而無意間成為了一種粒子探測器。

應該如何準確理解月球的輻射環境

月球的表面毫無保留地暴露在了太陽耀斑和宇宙射線之下，並且，其中有很多輻射都難以通過屏蔽這種方式進行有效阻擋，尤其是當月球的地面受到宇宙射線的撞擊時，還會產生危險的二次粒子噴霧。雖然太空服、足夠的空氣和保持絕緣，能夠解決真空和溫度的問題，但該星球上的輻射問題仍然比較棘手。因此，了解並解決月球的輻射問題，是人類想要在月球停留時間超過幾天需要解決的首要問題，而當月球所發射的伽馬輻射減少20%的時候，這個時間對於探索宇宙的科學家們而言會是更好的時機。

不管是月球上的真空環境、空間輻射，還是極端的溫度環境，都足以給生命帶來致命的風險。早在2009年的時候，科學家們便通過月球勘測軌道器攜帶了一種被稱為宇宙射線望遠鏡的輻射效應儀器，它可以為我們帶回月球的輻射環境信息。當然了，它的存在不僅可以測量月球的輻射情況，還能夠模仿人類，以幫組我們了解這些高能粒子是如何穿透人體、以及兩者之間的相互作用。而費米捕獲的月亮伽馬射線圖像，便是月球輻射拼圖的另一個重要部分，對於實現長期月球基地這個願景、甚至是對火星的探索任務而言，這都是一個必須要儘早解決的難題。

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