宇宙线每秒都在穿过你，它不是射线而是一颗颗原子核

夜里用手机长曝光拍星空，画面里常冒出一两个白得突兀的点。多数是传感器发热带来的噪点，但也有一小部分，是高能粒子直接打进了像素，留下一条细短的亮痕，有时还带一点弧度。同一批粒子此刻也正穿过你的身体，只是它们太快、太轻，你毫无感觉。它们叫什么，从哪来，凭什么能一路跑到地面？

宇宙线是来自太空的高能带电粒子，GeV 量级下约 89% 是质子、9% 是氦核，能量从 10⁹ eV 铺到 10²⁰ eV 以上；太阳活动低年，大气顶层每平方米每秒约有一千个粒子穿过，海平面因此带来约 0.3 mSv 的年剂量。

宇宙线不是射线，是被加速到接近光速的原子核

名字是历史遗留：早期实验只看到它能电离空气、穿透厚铅，就当成了一种辐射。它其实是物质：质子、氦核、电子，以及少量更重的原子核。

在 GeV 附近，质子约占 89%，氦核约 9%，电子约 1%，其余是碳、氧、铁等重核。比例接近太阳系的元素丰度，但锂、铍、硼明显偏多：它们在恒星内部容易被消耗，宇宙线里却不少，只能是重核在星际介质中撞碎后的碎片。

1 GeV 附近的通量约每平方米每秒一千个；到 10¹⁵ eV 的膝附近，降到每平方米每年不到一个；到 10²⁰ eV，则是每平方公里每年不到一个。

整条能谱近似幂律，指数约 -2.7。幂律意味着没有特征能量，加速过程只按比例分配能量，不挑尺度。所以能谱上的每一处折角，都是某个物理过程开始或停止起作用的位置。

初级粒子在 15 到 20 km 高度撞上空气核，产生一串次级粒子，这就是广延大气簇射。到海平面时，原始粒子早已不在，剩下 μ 子、电子和光子。

所以地面探测器测的从来不是宇宙线本身，而是它留下的一场短促的粒子雨。海拔越高、大气越薄，次级粒子越多，大型阵列因此多建在高原。

带电粒子在银河系磁场里走弯路。10¹⁵ eV 的质子在 3 μG 磁场中的回旋半径约 1 秒差距，小于磁场相干长度，方向可以被偏转几十度；要到 10¹⁹ eV 以上，回旋半径涨到千秒差距量级，方向才逐渐指回源。

于是低能宇宙线只能说明银河系里有加速器，说不清是哪一颗。要定位，得靠不带电的中微子和伽马射线。

观测证实电离随高度先增后减（1912 年气球实验）、成分比例、能谱形状与膝踝两处折角，都有多代探测器的独立数据支持，海平面 μ 子通量同样可重复测量。

理论预言超新星遗迹能把粒子加速到 PeV、膝对应银河系加速上限、踝对应河外成分接管，这些是模型给出的预期，与数据相容，但都不是唯一解。

尚未定论膝以上究竟以质子还是铁核为主，PeV 加速器具体是哪一类天体，10²⁰ eV 事件的源有多远。不同实验在这些问题上的答案还不一致。

宇宙线会致癌吗？

会贡献一点天然本底，但量很小：海平面约 0.3 mSv/年，不到一次胸部 CT 的十分之一。需要留意的是常年高空作业的机组人员。

手机相机里的白点真是宇宙线吗？

多数不是。夜间长曝光的白点多来自热噪声，也有 μ 子击中传感器留下的痕迹，两者外观相近。要区分，得看它是否在多帧同一位置出现，或是否呈细长轨迹。

为什么坐飞机受到的辐射更多？

高空大气薄，屏蔽少。10 km 高度的剂量率约为海平面的上百倍，一次跨洋航班的额外剂量大致相当于一次胸片。